微機(jī)保護(hù)中DSP與時(shí)鐘DS12CR887的接口設(shè)計(jì)

    微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)不斷發(fā)展，使用的算法也日趨復(fù)雜，與網(wǎng)絡(luò)的通信和前沿的監(jiān)測(cè)都希望由保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)，這對(duì)繼電保護(hù)硬件的速度和處理能力提出了更高的要求。DSP技術(shù)的不斷發(fā)展使其在電力系統(tǒng)中逐漸得到了廣泛的運(yùn)用，為開發(fā)處理能力強(qiáng)大的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

    DSP雖然在算法處理上功能強(qiáng)大，但其控制功能較弱。而CPLD的強(qiáng)項(xiàng)在于時(shí)序和邏輯控制。

    在微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)中，需配備時(shí)鐘芯片，以使系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作、事件變位、告警信息的時(shí)間得到記錄和上傳，便于以后進(jìn)行事故分析和處理。而目前較常用的時(shí)鐘芯片一般以Intel總線時(shí)序工作，硬件上存在地址和數(shù)據(jù)線復(fù)用的特點(diǎn)，在保護(hù)裝置中如果采用DSP作控制器，會(huì)出現(xiàn)DSP地址和數(shù)據(jù)線無(wú)法與時(shí)鐘芯片直接配合的情況，這時(shí)通過(guò)CPLD的可編程邏輯控制模擬時(shí)鐘芯片的工作時(shí)序。系統(tǒng)中其他外圍電路的控制方法和原理與時(shí)鐘芯片完全類似，以此方法可以搭建一個(gè)通用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定的硬件平臺(tái)，再通過(guò)各種具體的保護(hù)應(yīng)用軟件，從而實(shí)現(xiàn)各種具體功能的微機(jī)保護(hù)裝置。

2 裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 微機(jī)保護(hù)裝置總體結(jié)構(gòu)

    微機(jī)保護(hù)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)處理單元(DSP)、數(shù)據(jù)采集單元(A／D轉(zhuǎn)換器)、人機(jī)接口單元(MMI模塊)以及開入開出單元等組成。其中，DSP選用TI公司的TMS320VC33，CPLD采用Altera公司的EPM3256A，A／D轉(zhuǎn)換器采用AnalogDevice公司的AD676，時(shí)鐘芯片采用Dallas公司的DS12CR887。

2.2 DSl2CR887與TMS320VC33的硬件接口

    時(shí)鐘芯片的接口原理圖如圖2所示，為使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件易于實(shí)現(xiàn)，由CPLD產(chǎn)生時(shí)鐘芯片所需的時(shí)序信號(hào)，以控制時(shí)鐘芯片的讀寫。DSP數(shù)據(jù)總線直接引人DS12CR887地址數(shù)據(jù)總線，部分地址總線及控制線PAGE3、時(shí)鐘輸出H1等經(jīng)CPLD輸出到DS12CR887所需的控制線引腳。

3 DS12CR887的特性和功能

3.1 性能特點(diǎn)

    DS12CR887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片功能豐富，其正常工作電壓為3.3 V，工作電壓范圍為2.97 V～3.63 V，是應(yīng)用在DSP硬件電路中的理想時(shí)鐘芯片。DSl2CR887的具體的特性如下：

(1) 具有10字節(jié)RAM用來(lái)存儲(chǔ)時(shí)間信息。能夠自動(dòng)產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等時(shí)間信息，并且有時(shí)、分、秒的鬧鈴功能，溫度25℃時(shí)每個(gè)月的時(shí)間誤差在±1分鐘以內(nèi)。

(2) 內(nèi)部自帶電池，外部掉電時(shí)，溫度25℃時(shí)其內(nèi)部時(shí)間信息能夠保持5年之久。

(3) 對(duì)于一天內(nèi)的時(shí)間記錄，有12小時(shí)制和24小時(shí)制兩種模式。在12小時(shí)制模式中，用AM和PM區(qū)分上午和下午。

(4) 時(shí)間有二進(jìn)制數(shù)和BCD碼兩種表示方法。

(5) 內(nèi)置128字節(jié)RAM，其中10字節(jié)RAM用來(lái)存儲(chǔ)時(shí)間信息，4字節(jié)RAM用來(lái)存儲(chǔ)控制信息，稱為控制寄存器，114字節(jié)的通用RAM可供用戶使用。

(6) 用戶還可對(duì)DS12C887進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)多種方波輸出，并可對(duì)其內(nèi)部的三路中斷通過(guò)軟件進(jìn)行屏蔽。

3.2 內(nèi)部RAM及寄存器功能

    DS12CR887片內(nèi)地址空間為00H～7FH，其中00H為秒單元，01H為鬧秒單元，02H為分鐘單元，03H為鬧分單元，04H為時(shí)單元，05H為鬧時(shí)單元，06H為星期單元，07H為日單元，08H為月單元，09H為年單元，0AH～0DH單元分別為控制寄存器A、B、C、D。0EH～7FH為用戶RAM區(qū)，可用來(lái)在系統(tǒng)掉電時(shí)保存數(shù)據(jù)。通過(guò)訪問(wèn)A、B、C、D四個(gè)寄存器，可隨時(shí)設(shè)置和了解DS12CR887的工作方式。

3.3 引腳功能

    DS12CR887的引腳排列如圖2所示。各引腳的功能說(shuō)明如下：

GND、VCC：工作電源。其中VCC接+3.3 V輸入，GND接地，當(dāng)VCC的輸入小于+2.97 V時(shí)DS12CR887會(huì)自動(dòng)將電源切換到內(nèi)部自帶的鋰電池上，以保證內(nèi)部時(shí)鐘電路能正常工作，但此時(shí)不能讀寫數(shù)據(jù)。

MOT：模式選擇引腳。DA12CR887有兩種工作模式，即Motorola模式和Intel模式，MOT接VCC選用Motorola模式；MOT接GND時(shí)，選用Intel模式。本文主要討論Intel模式。

SQW：方波輸出引腳。用戶可以通過(guò)對(duì)控制寄存器編程獲得13種方波信號(hào)輸出。

AD0～AD7：復(fù)用地址數(shù)據(jù)總線。該總線采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，在總線周期的前半部分，出現(xiàn)在AD0～AD7上的是地址信息，用于選通DS12CR887的RAM，而在總線周期的后半部分，出現(xiàn)在AD0～AD7上的是數(shù)據(jù)信息。

AS：地址選通輸入引腳。在進(jìn)行讀寫操作時(shí)，AS的下降沿將AD0～AD7的地址信息鎖存至DS12CR887。

DS：數(shù)據(jù)選擇或讀輸入引腳。該引腳有兩種工作模式，選用Intel工作模式時(shí)，該引腳是讀使能輸入引腳，即Read Enable。

R／W：讀／寫輸入引腳。該引腳也有兩種工作模式，選用Intel模式時(shí)，該引腳可作為寫使能輸入，即Write Enable。

CS：片選輸入引腳。低電平有效。

IRQ：中斷請(qǐng)求輸出引腳。低電平有效。

RESET：復(fù)位輸入引腳。低電平有效，該引腳有效對(duì)DS12CR887的時(shí)鐘、日歷和RAM中的內(nèi)容無(wú)影響，僅對(duì)內(nèi)部控制寄存器有影響，在典型應(yīng)用中，RESET可以直接接至VCC，這樣可以保證在DS12CR887掉電時(shí)，其內(nèi)部控制寄存器不受影響。

4 時(shí)序分析及軟件功能的實(shí)現(xiàn)

    DS12CR887有兩種接口總線時(shí)序工作方式，此系統(tǒng)中DSl2CR887工作在Intel總線時(shí)序方式，其寫命令時(shí)序如圖3所示，讀命令時(shí)序如圖4所示。

    從DS12CR887的時(shí)序圖可以看出，在一次讀或?qū)懖僮髦校刂罚瘮?shù)據(jù)復(fù)用總線上先出現(xiàn)地址，后出現(xiàn)數(shù)據(jù)。寫操作時(shí)，當(dāng)片選信號(hào)CS有效時(shí)，地址鎖存信號(hào)AS的下降沿將AD0～AD7上的數(shù)據(jù)鎖存作為地址(AS高電平的寬度PWASH不小于45 ns時(shí)，鎖存地址有效)；隨后讀寫信號(hào)R／W為低電平(低電平寬度PWEH不小于90 ns)，在R／W的上升沿將AD0～AD7上的數(shù)據(jù)寫入DSl2CR887，在R／W的上升沿要求AD0～AD7的數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間不為小于70ns(即tdsw>70 ns)，通過(guò)上述時(shí)序，才完成一次寫操作。讀操作同樣首先將數(shù)據(jù)線(AD0～AD7)上的信號(hào)鎖存為DS12CR887需要的地址，然后DS12CR887才能在AD0～AD7上輸出有效數(shù)據(jù)。

    DSP TMS320VC33在一次操作中，數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)，地址線輸出地址。從這個(gè)特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)想用TMS320VC33的兩次操作產(chǎn)生的時(shí)序來(lái)完成DS12CR887的一次操作。具體思路如下：首先在TMS320VC33的數(shù)據(jù)線D0～D7上輸出DS12CR887需要的地址：如果是寫操作，經(jīng)過(guò)一定延遲后在數(shù)據(jù)線D0～D7上輸出需要寫入到DS12CR887的數(shù)據(jù)：如果是讀操作，則經(jīng)過(guò)一定延遲后通過(guò)數(shù)據(jù)線D0～D7讀人數(shù)據(jù)。

    下面給出CPLD中的源程序，采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫。其中Address[5：0]分別對(duì)應(yīng)A21、A20、A3、A2、A1、A0；在DSP的程序中設(shè)置總線控制寄存器為軟件等待2個(gè)H1時(shí)鐘周期。

    DSP源程序采用C語(yǔ)言編寫，讀寫時(shí)鐘芯片所分配地址如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

    由于DS12CR887是地址／數(shù)據(jù)復(fù)用總線時(shí)序，與DSP的讀寫時(shí)序不同，所以在接口設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)DSP、時(shí)鐘芯片的時(shí)序分析就非常重要。與時(shí)鐘的控制類似，此系統(tǒng)可以方便地控制人機(jī)接口、A／D采樣、開關(guān)量等外圍接口電路。DSP+CPLD系統(tǒng)可以搭建簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、靈活的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)硬件平臺(tái)。在此硬件平臺(tái)上已成功開發(fā)出微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)軟件．取得了良好的效果。