摘 要: MCF5272是一種帶以太網(wǎng)接口的32位RISC微處理器,，介紹了其在光纖數(shù)字化保護裝置" title="保護裝置">保護裝置中的應(yīng)用,。
關(guān)鍵詞: MCF5272 光纖通信 微機保護
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利用日趨成熟的光電傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁互感器, 用數(shù)字化光纖通信技術(shù)取代傳統(tǒng)金屬電纜進行信息傳送,，不僅可大幅提高數(shù)據(jù)傳輸量,，使通信更可靠,、快速,，而且更有利于繼電保護和控制功能的實現(xiàn),。隨著這種光電傳感技術(shù)和光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展,，采用光纖數(shù)字化微機保護裝置" title="微機保護裝置">微機保護裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬量輸入的微機保護裝置也將會成為未來發(fā)展的必然趨勢。本文介紹一種基于MCF5272的光纖數(shù)字化微機保護裝置,，該裝置采用了雙CPU結(jié)構(gòu),，其中主保護CPU采用MCF5272，負責(zé)完成接收采樣值及保護計算的任務(wù),；監(jiān)控CPU采用80C196KC,，主要負責(zé)人機接口" title="人機接口">人機接口和通信功能。兩個CPU之間通過雙口" title="雙口">雙口RAM來交換數(shù)據(jù),。本套裝置具有結(jié)構(gòu)簡單可靠,、抗干擾性強的特點，對實現(xiàn)電網(wǎng)保護的光纖傳輸有著重要意義,。
1 MCF5272簡介
MCF5272微處理器是摩托羅拉公司迄今為止推出的最高集成度的ColdFire微處理器之一,。憑借附加的10/100M以太網(wǎng)控制器和一個USB模塊，MCF5272集成通信微處理器將ColdFire系列的集成水平提升得更高,。MCF5272擴展的外圍設(shè)備組及其誘人的價格使它成為一款適用于各類嵌入式應(yīng)用的優(yōu)秀設(shè)備,，特別在開發(fā)不同功能的低端網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。
MCF5272集成了功能強大的快速以太網(wǎng)存取控制器(MAC),；支持三種不同的網(wǎng)絡(luò)物理接口(100Mbps MII,，10Mbps MII和10Mbps7線)，可以適應(yīng)不同的接口需求,；在大于50MHz的時鐘頻率下,，半雙工傳輸速度可達到100Mbps。
MAC總共有448個字節(jié)的FIFO緩沖區(qū)，這些緩沖區(qū)并不固定地分配為接收緩沖區(qū)或發(fā)送緩沖區(qū),，而是通過芯片配置在這二者之間自由地分配,。由于本套微機保護裝置的光纖接口只是單向接收數(shù)據(jù)，并不發(fā)送,，因此可以在448個字節(jié)范圍內(nèi)根據(jù)自己的需要配置接收緩沖區(qū)的大小,。這樣就能夠大幅提高CPU總線延遲時間的允許范圍，減輕CPU處理傳輸數(shù)據(jù)的負擔(dān),。
MCF5272為32位RISC微處理器,，RISC的關(guān)鍵技術(shù)在于流水線操作，即在一個時鐘周期內(nèi)完成多條指令,，在使用相同的晶片技術(shù)和相同運行時鐘下,，RISC系統(tǒng)的運行速度將是CISC系統(tǒng)的2～4倍。MCF5272在66MHz下典型操作速度為63MIPS(MIPS：每秒一百萬條指令),，而且MCF5272的V2內(nèi)核還集成了乘法及累計單元,，可在一個單指令周期內(nèi)完成16×16位的乘法指令，這樣高的計算速度可以大大縮短保護計算的時間,，提高保護裝置的保護性能,。由于光纖傳輸系統(tǒng)中，保護裝置與前端信息合并單元是采用光纖以太網(wǎng)連接,，為了增強系統(tǒng)的可靠性,，MCF5272以其強大的以太網(wǎng)接口，超高速的計算能力,，低廉的價格成為本套保護裝置理想的微處理器,。
2 硬件設(shè)計
對光纖保護裝置來說，它的采樣值輸入設(shè)備為裝置在外部,、數(shù)字式輸出的電子式光纖電力互感器,，如圖1所示。各個光纖電力互感器將數(shù)字式采樣值數(shù)據(jù)分別傳送至信息合并單元,，信息合并單元將各路數(shù)據(jù)進行匯總后做同步處理,，再將這些數(shù)據(jù)打包校驗，以串行的方式發(fā)送出去,。保護裝置最后通過光電轉(zhuǎn)換接口接收前端信息合并單元傳送過來的數(shù)字式電量采樣值,。
按照IEC 61850-9中的建議，光纖數(shù)字化保護裝置與前端的信息合并單元采用IEEE 802.3以太網(wǎng)協(xié)議傳輸采樣值數(shù)據(jù),，其傳輸媒介為多膜光纖,。在這里，保護裝置只是通過光纖接口單向接收采樣數(shù)據(jù),，因此在光纖通道上不會出現(xiàn)信道沖突的問題,，有效保證了傳輸數(shù)據(jù)的可靠性,。數(shù)據(jù)應(yīng)用層的標示格式采用與IEC 61850-9-1相一致的格式，它允許測量值超過正常值的10 000倍而不會發(fā)生溢出,。
光纖數(shù)字微機保護裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由以下幾部分組成：光電轉(zhuǎn)換模塊單元,、開關(guān)量輸入單元,、中央處理單元(MCF5272和80C196KC)、出口繼電器單元,、人機接口(鍵盤及顯示)及串行通信" title="串行通信">串行通信單元,。
(1)中央處理單元。它是整個保護裝置的核心,，主要負責(zé)對數(shù)字信號的處理,、判斷并發(fā)出相應(yīng)的指令。中央處理單元采用雙CPU系統(tǒng),，分別為保護CPU系統(tǒng)和監(jiān)控CPU系統(tǒng),。保護CPU系統(tǒng)采用MCF5272，負責(zé)接收采樣值和保護計算等功能,；監(jiān)控CPU系統(tǒng)采用80C196KC,，負責(zé)人機接口、實時通信等功能,，同時也完成本裝置的監(jiān)控測量工作,。兩個CPU之間通過雙口RAM來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。當(dāng)保護動作時,，通過雙口RAM將相應(yīng)的保護動作信息傳遞給監(jiān)控CPU系統(tǒng),，監(jiān)控CPU將所接收到的數(shù)據(jù)傳送給顯示接口，同時發(fā)送給上位機,。
每個CPU系統(tǒng)都有自己的看門狗復(fù)位電路,，這使得系統(tǒng)能更可靠地工作。兩個CPU系統(tǒng)均有掉電存儲芯片存儲各系統(tǒng)的定值,，當(dāng)程序跑飛或死機時,，看門狗能使系統(tǒng)自動復(fù)位。
(2)光電轉(zhuǎn)換模塊單元,。單元對于光纖數(shù)字化保護裝置來說,，由光纖接口傳送進來的采樣值都是濾去了高次諧波的數(shù)字量采樣值，傳統(tǒng)微機保護裝置中的模擬輸入模塊,、模擬低通濾波模塊,、采樣及A/D轉(zhuǎn)換模塊所要完成的功能在這里都已經(jīng)由裝置外部的智能電子設(shè)備完成。因此,，在本套微機保護裝置中去掉了這些模塊,，取而代之的是一個“光收發(fā)合一模塊”,。該模塊結(jié)構(gòu)小巧，負責(zé)光電轉(zhuǎn)換的工作,，將前端信息合并單元傳送過來的光信號采樣值轉(zhuǎn)換為電信號采樣值,，并將這些采樣值送至MCF5272的以太網(wǎng)接口交由MCF5272來處理判斷。
(3)開關(guān)量輸入單元,。用于檢測外部開關(guān)狀態(tài)量,。為了抗干擾，各路外部輸入均裝有光電隔離,，使外部開關(guān)量與CPU之間沒有直接電的聯(lián)系,，增強了系統(tǒng)的可靠性。
(4)出口繼電器單元,。該單元的主要功能是跳閘,、合閘。為保護裝置的出口執(zhí)行部分,，包含了所有出口繼電器和信號繼電器,，每個繼電器均通過光電隔離和功率放大來驅(qū)動。
(5)人機接口及串行通信接口,。包含了鍵盤,、液晶顯示屏(LCD)和信號指示燈等部分。該部分在空間上占有很大的面積,，但所包含的元器件卻很少,，主要是用作操作者與裝置之間交互信息。
(6)串行通信采用RS485/RS422通信接口,，直接與通信管理機連接,。
從以上可知，光纖數(shù)字化微機保護裝置與傳統(tǒng)的微機保護裝置在硬件結(jié)構(gòu)上大體相同,，但是由于采樣方式上的差異而又有所不同,。
3 軟件設(shè)計
傳統(tǒng)的保護裝置的采樣模塊內(nèi)嵌在裝置內(nèi)部，微處理器一般是設(shè)置一個時鐘中斷來定時進行A/D采樣,，其采樣過程是一個“主動”的過程,，保護裝置可以根據(jù)自己的需要完全掌握采樣的時間間隔，也可以根據(jù)A/D采樣芯片的配置來設(shè)置采樣值的數(shù)據(jù)格式,。而本微機保護裝置的采樣過程是由外部電子設(shè)備來完成的,，采樣值數(shù)據(jù)按照一定的傳輸協(xié)議由光纖接口傳送過來，保護裝置只是“被動”地接收,。因此使其裝置的結(jié)構(gòu)更加簡單,、輕巧。更為重要的是,，保護裝置獲取采樣值的時間將大大縮短,，從而留給CPU更多的時間進行保護計算等實時任務(wù),，大大提高了裝置的實時性。
在裝置中采用了雙CPU結(jié)構(gòu),，為了保證保護要求中的快速性,，把實時性較強的接收采樣值和保護計算、判斷出口功能由MCF5272來實現(xiàn),。本套保護裝置目前應(yīng)用于110kV高壓輸電線路的保護,，配置了完整的三段相間和接地距離保護、四段零序方向過流保護和低周減載保護,。由于MCF5272具有超高速的運算能力，在每周波24點采樣率的前提下,，可以在以太網(wǎng)接收一個完整采樣值數(shù)據(jù)幀的間隔時間內(nèi)完成全部的保護計算工作,，而且MCF5272還有足夠大小的以太網(wǎng)接收緩沖區(qū)，允許有一定的總線延遲時間而不會造成采樣數(shù)據(jù)的丟失,，因此,，將以太網(wǎng)接收采樣值、保護計算,、出口判斷處理放在一個子程序中,，采用以太網(wǎng)接收中斷方式來響應(yīng)子程序，從而大大提高了整個裝置保護出口的實時性,。
保護系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示,。程序中上行數(shù)據(jù)處理部分功能是要把MCF5272的處理數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，下行命令處理功能是要把雙口RAM中來自80C196KC的監(jiān)控命令取出并執(zhí)行,。
80C196KC是作為從CPU完成一些人機接口,、串行通信的輔助工作。為了保證實時性,，在其主程序循環(huán)中設(shè)置了鍵盤響應(yīng)中斷和串行通信接收中斷,。為了避免中斷處理時間過長影響其他任務(wù)的執(zhí)行，將中斷任務(wù)設(shè)置得盡量簡單,，只是將鍵盤輸入和串行通信接收字符存放在對應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，其他的任務(wù)就等待主程序循環(huán)中的相應(yīng)子程序來完成。
監(jiān)控系統(tǒng)的主程序框圖如圖4所示,。程序中上行命令處理部分功能是將80C196KC的監(jiān)控命令寫入雙口RAM,，下行數(shù)據(jù)處理部分功能是將來自MCF5272的處理數(shù)據(jù)讀入80C196KC。
本文介紹了一種光纖數(shù)字微機保護裝置,，它采用了新型的帶以太網(wǎng)接口的32位RISC微處理器,，將現(xiàn)代光纖通信技術(shù)與微機保護裝置結(jié)合起來，大大提高了采樣數(shù)據(jù)的實時性,、抗干擾性,。具有更加廣泛的適應(yīng)性,。較之傳統(tǒng)的保護裝置，本套裝置結(jié)構(gòu)更加簡單,、性能更加可靠,。
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