单片机协处理器在电力系统中的应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:单片机协处理器能分担主处理器的部分工作,使电力测控系统在运行速度、功能需求等性能上有明显的改善。 关键词:单片机协处理器 硬件略图 软件 前言 在电力测量及保护系统中,通常是由单片机构成数个乃至数十个前端处理器。它们通过串行通信与微机构成的中央处理器相连接,形成一个完整的系统,以实现对电力系统的遥测、遥信、遥调、遥控等功能。 前端处理器的核心就是单片机,从目前的情况来看,以Intel公司的16位单片机80C196系列(KB、KC等)应用最广。单片机要处理的问题很多。如I/O量、A/D模数转换、键盘、通信、显示等,处理一圈所花费的时间常称之为前端处理器的运行周期。在整个系统中,前端处理器的数量较多,中央处理器对其进行巡检时会花去较多的时间。若能将前端处理器的运行周期缩短,毫无疑问能提高整个系统的运行及处理速度,使系统的性能得以改善。 被处理的各量中,以模拟量的处理较为复杂且耗时较长。模拟量的处理内容较多,如模拟量周期(即工频)的测定、模拟通道的选择(多个模拟量同一时刻选通一个)、A/D转换及存储等,有时还须采样/保持控制等。如能将模拟量交给一个协处理器去处理,势必会减轻主处理器的负担,缩短主处理器的运行周期,同时还能为增强某些功能需求创造条件。模拟量的计算通常是用傅氏算法,其精度又与模拟信号一周期内采样点的多少有关。采样点多,精度就高,但耗费的时间也多。若前端处理器采用单一的CPU,由于受到时间和模拟通道数量的限制,采样点大约在12~24点。若采用协处理器,采样点可多至30~36点,模拟通道多至16个,也同样可正常工作。由于主处理器与协处理器的软件各自独立,使得在编制软件思想清晰,容易理顺。 一、硬件 图1给出了前端处理器中采用协处理器的硬件略图(只画出有关部分)。它的主处理器仍采用了当前流行的16位单片机80C196KB(IC6),协处理器采用了W78E51单片机(IC3)。W78E51的指令及性能同89C51,只是它的工作频率可以达到40MHz。由于有两个CPU同时运行,而且它们之间还有数据交换,如何去协调它们的工作是至关重要的,这需要通过硬件和软件的设计来加强保证。 图1中,IC1是8选1的模拟通道芯片MAX338,若通道数量超过8,可选用MAX306,其通道数量可达16个。IC2为12位带采样保持功能的A/D模数变换芯片AD1674。IC4为地址锁存片74LS373,IC5为RAM存储芯片6264,它们附属于IC3,作为IC3的片外数据存储器。 硬件的工作过程是:工频电压或电流经处理后(经传感器或者电压/电流互感器、放大器、滤波器等处理)变为相应的模拟信号,分别从CI1的8个输入端(IN1~IN8)输入,具体选通哪路则取决于A0~A2的二进制数。而A0~A2又是由IC3的P10~P12决定。被选中通道的模拟量由IC1的OUT输出,经跟随器后进入IC2进行A/D变换,由R/C、A0控制变换的过程,STA给出变换结束的信号,它们分别由IC3的P15~P17实施控制和测试。变换完成的数字量为12位,分两次输出,第一次为高8位(DB11~DB4),第二次为低8位(DB3~DB0,后加4个0)。这些数据经整理后依次存入数据存储器IC5中。IC3的P14是IC2的片选信号,P33是IC4、IC5的片选信号,通常为高电平,选不中。当进行A/D变换时,须先将P14置低电平,选中该片,变换完成后,再置加高电平。当向IC5存、取数据时,须通过P33进行控制,过程同上。这样,可以防止A/D变换、IC5存取数据、IC3通过P0口向IC6传送数据这三者之间的相互交叉干扰。 周期值的测量是由一模拟通道提供工频信号,经斯密特触发器至IC3的P13进行。P13相邻两次电平下降的时间隔即可周期值。 IC3的P30、P31与IC6的P10、P11构成握手信号,将存放IC5中的各量依次取出,由IC3的P0口传至IC6的P0口,并存入指定的区间,再进行傅氏运算、处理和控制。IC5中存储的数据个数是1周期内各采样点的、各通道测得的数据个数的总和。设采样点为Rn,通道数为Rm,再加上前述的周期值(各量均为2字节),总的字节数C=2RnRm+2。当Rn=32,Rm=8,则C=2%26;#215;32%26;#215;8+2=514字节。当少于200字节时,也即采样点、通道数较少时,如Rn=16,Rm=6,IC3可用W78E52代替。W78E52可以利用片内的256个RAM来存储数据而省去片外的数据存储器,在硬件上更为简洁。 二、软件 图2是协处理器主程序软件框图。首先对有关的量进行说明:T0和T1是W78E51片内的两个定时器。T、Ta和Tb均为2字节寄存器,T用来存储测量出的周期值; Ta存储两相邻采样点的时间间隔,因本例中采样点为32,将T右移5位即得Ta值;Tb是Ta对应的溢出值,用来产生T0中断。注意:以上诸量都须机器周期来表示,本例中采用24MHz晶振,一个机器周期的时间为0.5μs。Rm是模拟通道数,范围是1~8。Rn是采样点数,范围是1~32。 工作过程简述如下:当P13电位下跌时,周期测试开始,到第二次P13下跌时,周期测试结束(区间为AA~AD)。两次下跌的时间间隔即为工频的周期,具有准确的跟踪特性。在周期测试开始后4μs,T0溢出产生中断,执行中断子程序,总共32次。中断子程序都是在AD~AC间执行的,也即在第一周期内所有需要测量的量都已测出。从AD往后便是第二周期,主要用来计算Ta、Tb的值,并将IC5内的数据传送出去。由此可见,协处理器的运行为2个周期,约40ms。应说明的是:在上电的第一个周期内,因周期值还未测出,故须对Tb值先行设置。图3是中断子程序软件框图。 8个通道的A/D转换数据是先存入片内的RAM。这样来得快,以减少通道之间的相差(邻近通道之间的相差约为0.4%26;#176;),之后,再一次性地由片内RAM转存于片外RAM。执行一次T0中断子程序的时间约为256μs。当采样点为32时,时间间隔为625μs,绰绰有余。若将采样点增至36,通道增至16个,则采样点间隔约为555μs,执行中断子程序的时间约为445μs,仍有足够的余量。 软件可以用汇编语言ASM51编写,也可以用对应的高级语言PL/M51或C51编写,但前者代码率高一些。 结束语 以上是协处理器的一般用法,在此基础上是否能进一步缩短运行周期和提高测量精度,是一个值得研究的课题。提高主处理器IC6和协处理器IC3的工作频率(如IC6采用16MHz,IC3采用36MHz)可以提高CPU的运行速度,以达到缩短运行周期的目的。但有两点需要注意:一是CPU的外围芯片的速度必须跟得上;二是频率提高后,辐射增强,交叉干扰变得明显。因面,在印刷电路板的设计上须谨慎处理。 提高测量精度可以从3个方面着手。一是提高A/D转换精度,采用14位A/D变换芯片。不过,位数越多,变换所需的时间也越长。这在单一CPU中因时间限制,效果不好,而在协处理器中却容易实现。这里还有一个附带的问题,目前大都采用开关式稳压电源,耗电量省,但工作频率高,噪波大,通常有5~10mV,这无疑限制了精度的提高。因而,必须有一套优良的电源滤波系统,将噪波滤到1mV以下。有时这部分的电源干扰采用串联式稳压电源,其噪波可以做到0.5mV以下。 二是采用同时式采样保持电路。在前述电路中,8个模拟通道的采样并不是同时进行而是按序进行的,后面的通道对前面的通道而言有一个时间上的滞后,这会给测量带来某些误差。常用的方法是将各模拟量的位置进行调整,将关系密切的量逐个紧排,以减少滞后带来的影响。当然,提高协处理器的速度和采用高速A/D变换器也有助于滞后的减小(可做到0.2%26;#176;以内)。然而,最终解决这个问题的办法是采用同时式采样保持电路,也即在图1的IC1前加入8片采样保持芯片,并由IC3实施控制。 三是各模拟量输入通道(包括传感器或电压/电流互感器、放大器、滤波电路等)均会形成一定的附加相移。若各通道的附加相移相等,则对测量的精度不会有影响。输入工频三相电A,B,C,各相相差应为120%26;#176;,由于附加相移不相等,显然会给测量带来影响,尤以测功率时明显。因而,应对各模拟通道的附加相移进行测量调整,使其尽可能相等。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/mcu/200703/12280.html
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