摘　要：   為適應(yīng)微機(jī)繼電保護(hù)向高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化和智能化方向迅速發(fā)展的趨勢(shì)，在采用工業(yè)數(shù)控開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出并成功地開發(fā)了基于嵌入式多芯片模組的高性能通用微機(jī)保護(hù)平臺(tái)。該平臺(tái)以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式中央處理多芯片模組MCM2812 為，MCM2812是以高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為內(nèi)核，集成了多種大容量存儲(chǔ)器、譯碼器、時(shí)鐘日歷、網(wǎng)絡(luò)通信和電源管理等功能元件；該平臺(tái)還嵌入了控制器局域網(wǎng)（CAN）和以太網(wǎng)（Ethernet）通信模組，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能,有良好的通用性和抗干擾性。

　　關(guān)鍵詞： 微機(jī)保護(hù)平臺(tái)；嵌入式多芯片模組；CAN；以太網(wǎng)

0引言

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，各種類型的高壓/ 超高壓/特高壓輸電線路以及大容量發(fā)電機(jī)和變壓器等不斷涌現(xiàn)。為了適應(yīng)這一狀況、保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及連續(xù)可靠地供電，迫切需要性能卓越的繼電保護(hù)為之提供根本保證。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和多智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，微機(jī)繼電保護(hù)正向著高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化和智能化的方向迅速發(fā)展［1］。遵循開放式體系結(jié)構(gòu)，借鑒工業(yè)控制機(jī)小型化、組合化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的思想，結(jié)合電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)的具體要求和未來發(fā)展趨勢(shì),本文提出并構(gòu)造了基于嵌入式多芯片模組的高性能微機(jī)保護(hù)平臺(tái)。本文采用多芯片模組形式研制開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式中央處理模組MCM2812是以高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為，集成了多種大容量存儲(chǔ)器、譯碼器、時(shí)鐘日歷、網(wǎng)絡(luò)通信和電源管理等功能元件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力等。微機(jī)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，希望每個(gè)保護(hù)單元盡可能共享系統(tǒng)的運(yùn)行方式及故障信息數(shù)據(jù)，對(duì)保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)通信功能提出了很高的要求。CAN控制器局域網(wǎng)具有簡(jiǎn)單易用、組網(wǎng)方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而嵌入式以太網(wǎng)則在傳輸速度和通用性方面表現(xiàn)突出，它們代表著微機(jī)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展方向，本文對(duì)這兩種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析研究,并成功開發(fā)了相應(yīng)的模組和軟件驅(qū)動(dòng)。該微機(jī)保護(hù)平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能、良好的通用性和抗干擾性，為實(shí)現(xiàn)保護(hù)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化和智能化提供了強(qiáng)有力的平臺(tái)支撐。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本文所研究的微機(jī)保護(hù)平臺(tái)是基于開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，具有小型化、組合化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)的平臺(tái)。同時(shí)，該平臺(tái)也是測(cè)量、控制、數(shù)據(jù)通信的平臺(tái)。該平臺(tái)的硬件系統(tǒng)采用插件式結(jié)構(gòu)，主要包括五類插件：交流電壓電流變換插件、中央處理插件、繼電器插件、電源插件以及人機(jī)交互插件，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，人機(jī)交互插件包括中央處理模塊、Ethernet 模塊、CAN/RS485模塊、LCD和鍵盤管理模塊。中央處理插件包括中央處理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、開入模塊、開出模塊和模擬量數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊。中央處理插件是該平臺(tái)的，可根據(jù)不同的應(yīng)用層次或用戶的不同需求任意設(shè)置其數(shù)量，以完成更加復(fù)雜可靠的保護(hù)和控制方案。中央處理插件和人機(jī)交互插件的是中央處理模塊，本文采用多芯片模組形式開發(fā)了嵌入式中央處理模組MCM2812，為實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)的高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化和智能化提供了強(qiáng)有力的硬件和軟件支撐。

2中央處理插件

　　微機(jī)保護(hù)控制的一切功能都要通過中央處理插件實(shí)現(xiàn)。因此，中央處理插件的先進(jìn)性和穩(wěn)定性決定了整個(gè)微機(jī)保護(hù)控制的先進(jìn)性和穩(wěn)定性。中央處理插件既涉及模擬量的處理，也涉及數(shù)字量的處理，還涉及網(wǎng)絡(luò)通信，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能繁多，因此采用模塊化設(shè)計(jì)，按功能分成5類模塊：

　?、?中央處理模塊，由高性能嵌入式多芯片模組MCM2812實(shí)現(xiàn)。

　?、?模擬量數(shù)據(jù)采集模塊，包括低通濾波單元、電壓跟隨單元、多路轉(zhuǎn)換單元和高速高的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，可以實(shí)現(xiàn)16路頻率高達(dá)1 M的16位高數(shù)據(jù)采集。

　?、?開入模塊，由輸入光電隔離和輸出緩沖構(gòu)成，其輸出狀態(tài)可由MCM2812高速I/O讀取。

　?、?開出模塊，由輸入鎖存和輸出光電隔離構(gòu)成，其輸入狀態(tài)可由MCM2812高速I/O寫入。

　　⑤ 網(wǎng)絡(luò)通信模塊，具有控制器局域網(wǎng)和嵌入式以太網(wǎng)接口。

3嵌入式中央處理多芯片模組

3.1多芯片模組的設(shè)計(jì)思想

　　隨著微控制器/ 微處理器應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)其性能要求也越來越高。然而，現(xiàn)有的微控制器/微處理器不是存儲(chǔ)容量不夠，就是功能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，或是芯片本身的抗干擾能力不足。在這種情況下，使用者只能自己去設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這些功能和要求。對(duì)于尚未精通微控制器/微處理器的使用者，要求他不僅要了解和熟悉指令系統(tǒng)、寄存器功能、尋址方式和端口信號(hào)，而且還要進(jìn)行單片機(jī)、存儲(chǔ)器、電源管理、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、譯碼電路、I/O接口和時(shí)鐘日歷等的設(shè)計(jì)和調(diào)試以及提高微控制器/微處理器的抗干擾能力，這將是一個(gè)工作量很大的艱巨任務(wù)。即使對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的使用者，雖然沒有什么大的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，但每次設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)都要重復(fù)這些工作，且容易引入人為的錯(cuò)誤，延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)開發(fā)周期，降低了工作效率，不利于設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

　　針對(duì)以上問題，我們采用了嵌入式模組化設(shè)計(jì)思想，即在盡可能小的電路板上集成CPU 以及相關(guān)的外圍芯片電路（包括擴(kuò)展各種存儲(chǔ)器、電源管理、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、譯碼電路、I/O接口和時(shí)鐘日歷等），并使用全金屬外殼封裝成黑匣子，以獲得容量更大、功能更強(qiáng)、抗干擾能力更好的模組芯片。使用者只需要知道模組外部接口的管腳定義就可以把該模組芯片嵌入到相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)中，不必理會(huì)其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣，就使得使用者可以把更多的精力放在自身的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，而無需過多地重復(fù)底層繁雜的電路設(shè)計(jì)調(diào)試。這種模組化設(shè)計(jì)方法對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)難度、減輕設(shè)計(jì)者的負(fù)荷是有很大好處的。

　　總的來說，以CPU為，集成多種外圍芯片，構(gòu)成中央處理模組芯片，可以具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　?、?屬于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，只需了解其外圍接口規(guī)范，就可以像一般單片機(jī)一樣輕易地設(shè)計(jì)出各種應(yīng)用方案，有利于移植、擴(kuò)展和升級(jí)。

　?、?擴(kuò)展了CPU的功能，適用于多種控制領(lǐng)域，擴(kuò)展了各種類型的內(nèi)存，便于處理和存儲(chǔ)各種類型的大量數(shù)據(jù)；內(nèi)置電源管理，凈化電源供應(yīng)；片上譯碼，簡(jiǎn)化外圍接線；帶日歷管理，實(shí)時(shí)顯示時(shí)間。

　?、?避免大量重復(fù)性的底層設(shè)計(jì)調(diào)試，節(jié)省開發(fā)者時(shí)間，大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

　?、?抗電磁干擾能力強(qiáng)。采用全金屬外殼密封，并用絕緣膠填充內(nèi)部空隙的封裝形式，對(duì)環(huán)境中的電磁波干擾具有良好屏蔽性能，并且對(duì)空氣濕度、溫度的變化不敏感，能適應(yīng)各種工作環(huán)境。

　?、?穩(wěn)定性強(qiáng)。小空間緊密布線、內(nèi)置電源濾波凈化系統(tǒng)、絕緣膠填充及金屬外殼封裝等抗干擾技術(shù)的應(yīng)用均有利于提高DSP在高頻運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。
3.2嵌入式中央處理模組芯片MCM2812

　　嵌入式中央處理模組芯片MCM2812以TI公司的DSP芯片TMS320F2812為內(nèi)核，集成528k Words靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）、640 k Words閃速存儲(chǔ)器(FLASH)、32k Bytes EEPROM、譯碼器、總線緩沖器、時(shí)鐘日歷和電源管理等芯片電路，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，寬裕的存儲(chǔ)器空間，靈活的擴(kuò)展外圍接口控制方式和的實(shí)時(shí)時(shí)間日歷，是一款新型的嵌入式中央處理模組。其資源和結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3MCM2812的主要性能

　　MCM2812以高性能數(shù)字處理芯片為，指令周期為6.67 ns，4 M程序?qū)ぶ房臻g和4 M數(shù)據(jù)尋址空間，支持標(biāo)準(zhǔn)JTAG實(shí)時(shí)仿真，支持標(biāo)準(zhǔn)C/C++編譯調(diào)試；其外部擴(kuò)展的640 k Words的FLASH存儲(chǔ)空間，可存放程序代碼、錄波數(shù)據(jù)和漢字庫(kù)，528 k Words的SRAM存儲(chǔ)空間，支持高速訪問，可存放臨時(shí)數(shù)據(jù)，32 k Bytes位的EEPROM存儲(chǔ)器，可存放系統(tǒng)參數(shù)、定值，1k Words位的OTP ROM存儲(chǔ)器，可存放代碼密鑰；此外，MCM2812還帶有兩組事件管理模組，包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器，8路16位脈寬調(diào)制通道（PWM），3路事件捕獲單元；模組還帶有四種通信模塊，包括控制器局域網(wǎng)(CAN)，兩個(gè)串行通信接口（SCI），串行外設(shè)接口(SPI)，多通道緩沖串口（McBSP）；模組還集成了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘芯片，支持年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的時(shí)間日歷，并能在電池的支持下可以實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；外設(shè)總線接口可以提供高速I/O的數(shù)據(jù)總線接口和片選信號(hào)；電源管理芯片可以提供1.8 V和3.3 V電源。

4網(wǎng)絡(luò)通信

4.1控制器局域網(wǎng)（CAN）

　　CAN是一種具有很高保密性、有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。嵌入式中央處理模組MCM2812的CAN模塊支持高達(dá)32個(gè)CAN郵箱，每次可以傳送0到8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，具有可編程的局部接收屏蔽、位傳輸速率、中斷方案和總線喚醒事件、超強(qiáng)的錯(cuò)誤診斷、自動(dòng)錯(cuò)誤重發(fā)和遠(yuǎn)程請(qǐng)求回應(yīng)、自測(cè)試模式等功能［1］。

　　CAN通信采用兩線接口，要進(jìn)行通信的各節(jié)點(diǎn)的控制器通過CAN驅(qū)動(dòng)器連接到CAN總線上，各節(jié)點(diǎn)在CAN通信中沒有物理地址，而是采用軟件ID辨識(shí)的方式對(duì)在總線上廣播的信息進(jìn)行過濾，以及當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)信息傳送時(shí)由信息傳送的優(yōu)先級(jí)決定。

　　本文采用了TI公司的SN65HVD230作為CAN驅(qū)動(dòng)器。具體聯(lián)結(jié)如圖3所示。

4.210/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)

4.2.1以太網(wǎng)和IEEE802.3規(guī)約

　　以太網(wǎng)規(guī)范是個(gè)世界范圍的局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范。IEEE802 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)系列中，數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制(LLC)子層和媒體訪問控制(MAC)子層。其中MAC位于LLC和物理層之間。它使LLC適用于不同的媒體訪問技術(shù)和物理媒體。MAC單獨(dú)作為一個(gè)子層，就不會(huì)因媒體訪問方法的改變而影響較高層次的協(xié)議，也有可能使局部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的高層與OSI的參考模型的高層協(xié)議兼容。MAC子層主要由數(shù)據(jù)封裝和媒體訪問管理兩個(gè)模塊組成，完成數(shù)據(jù)幀的封裝、拆封、發(fā)送和接收功能［3］。在局域網(wǎng)中，站點(diǎn)可以檢測(cè)到其他站點(diǎn)在干什么，從而相應(yīng)地調(diào)整自己的動(dòng)作。IEEE802.3規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)適用于CSMA/CD局域網(wǎng)。其工作原理是：一旦檢測(cè)到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串阻塞信號(hào)，通知總線上各站沖突已發(fā)生，這樣通道的容量不致因傳送已損壞的幀而浪費(fèi)，即所謂的邊聽邊講［4］。

4.2.2以太網(wǎng)通信模組MCM91C111

　　嵌入式以太網(wǎng)通信模組由以太網(wǎng)芯片LAN91C111及其外圍輔助電路和電磁耦合變壓器TG110-S050N2構(gòu)成。該模組可以由中央處理模組MCM2812驅(qū)動(dòng)，在微機(jī)保護(hù)平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)。具體聯(lián)結(jié)如圖4所示。

　　MCM91C111的地址使AEN由MCM2812的片選信號(hào)控制，地址線A1、A2、A3由MCM2812的地址信號(hào)A7、A8、A9提供。由于 LAN91C111是按通用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序設(shè)計(jì)的高速芯片，在讀寫訪問時(shí)序上與DSP能互相兼容，所以只要把RD和WE直接相連即可。以太網(wǎng)芯片當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，把該信號(hào)輸入MCM2812的外部中斷引腳XINT2即能觸發(fā)外部中斷，隨之進(jìn)入中斷響應(yīng)程序處理數(shù)據(jù)。

5結(jié)論

　本文提出并成功地開發(fā)了基于嵌入式多芯片模組的高性能通用微機(jī)保護(hù)平臺(tái)。該平臺(tái)在采用工業(yè)控制開放式體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，兼顧了電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)，符合微機(jī)保護(hù)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)。該保護(hù)平臺(tái)以嵌入式中央處理多芯片模組為，并嵌入了控制器局域網(wǎng)（CAN）和以太網(wǎng)（Ethernet）通信模組，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能、良好的通用性和抗干擾性。目前，基于該平臺(tái)已成功地開發(fā)了微機(jī)發(fā)電機(jī)、變壓器和線路保護(hù)裝置并應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn):

[1]. TMS320F2812 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TMS320F2812_1116432.html.
[2]. SN65HVD230 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/SN65HVD230_690485.html.
[3]. LAN91C111 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/LAN91C111_1054180.html.