基于M-CORE平台的微机保护装置设计与应用
发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:472
摘 要： 介绍了m-core芯片mmc2107在微机保护中的应用。在对系统整体设计作分析的基础上，着重介绍了微机保护设备的硬件构成、结构特点和各模块的作用，特别是采用了32位mmc2107芯片，大大提高了处理数据效率和控制的速度。并采用双cpu系统模式，提高了综合保护的功能和可靠性。 关键词： 微机保护;m-core；双cpu 引言 随着我国电力系统的不断发展，电网的电压等级不断提高，结构也日趋复杂，要求保护技术向数字化和智能化的方向发展。继电保护装置对系统安全和经济运行起着非常重要的作用。伴随着通信技术和网络技术在电力系统中的不断应用，对各种微机测控保护装置都提出了新的要求，为了适应这种发展趋势，需要在微机测控保护装置内嵌入各种通信模块，以实现网络化。本文分析介绍了基于m-core平台的电力系统低压设备数字式综合保护装置。 1硬件系统 本微机保护装置的硬件系统结构采用模块化结构，主要由主控制器模块、键盘显示模块、模拟量采集模块、出口模块、电源模块和通信模块6个部分组成。12路开关量输入、8路开关量输出、14路模拟量输入、点阵式图形液晶显示界面和薄膜键盘控制，4路电度表脉冲输入和rs232、rs485、can现场总线及以太网通信接口。硬件原理框图如图1所示。 1.1主控制器模块设计 传统的单处理器微机保护结构容错能力差，任一元件损坏都可能导致系统停止工作。而且整套保护中各个保护功能由一个cpu承担，处理速度慢，另外由于实际应用中液晶控制器的读写速度较慢，降低了cpu处理整个程序模块的速度，稳定可靠性低。本文采用双cpu系统，一套为以mmc2107为核心的主cpu系统，完成保护主功能和通信功能;一套为77e58单片机从cpu系统，主要完成监控功能。使用双cpu控制，大大减少了对主cpu的负担，使主cpu有充分的时间进行保护运算和完成控制功能。 mmc2107是基于m-core m210中央处理单元系列的一种32位通用微处理控制器（mcu）。该芯片采用3.3 v工作电压，能耗低，适合在外部电源掉电的情况下采用电池供电，可以提高系统的工作可靠性。mmc2107 cpu系统外部参考频率最大为33 mhz，通过内部的pll模式参数选择，其系统时钟最大工作频率可以达到9倍于外部参考频率，快速的指令周期和特殊的指令集，极大地减少了计算的时间。在实际的微机保护和监控应用中，为了满足微机保护装置的精度要求，往往要求采用一些有良好滤波功能和精度较高的算法，像微机保护中常采用的各种傅氏算法等，但是在提高精度的同时，算法的复杂性又导致了算法计算时间的增加。高性能的m-core处理器使一些过去低速cpu无法采用的性能优、精度高，但计算量较大的微机保护算法得以实现。mmc2107内部集成了128 k flash，满足整个程序模块的大小，不用另外扩展程序存储器。程序内置片内存储器，提高了程序的读写速度,也增加了系统可靠性和抗干扰性。外部接口提供32位数据线，23位地址线，4个片选信号cs0~cs3，每个片选信号可以提供8 m的操作地址空间，可以通过片选寄存器设置外部或内部启动模式。另外，片内还集成有8 k的sram，8路10位的a/d转换模块，2个16位中断定时器，2个sci接口，1个spi接口，55个独立可编程的i/o引脚，内置watchdog定时器和7个实时外部中断，共40个中断源，32级中断等，其优越的性能满足了微机保护的可靠性、快速性和灵敏性的要求。 从cpu采用的是77e58单片机。77e58是winbond公司的一种快速8051系列兼容微处理器，其指令操作时间约是传统8051处理器的3倍，内置有32 k-eprom，不需外扩程序空间。 双cpu之间的通信采用双口ram方式，以实现数据共享。这种操作方式简单快速，两个cpu之间的工作互不影响。 双口ram采用idt71v321，该芯片具有两套独立的控制逻辑和数据存储端口，当同时操作同一存储单元时，将会发生冲突。idt71v312有仲裁和中断两种方式解决，我们采用仲裁方式，此时片内仲裁逻辑将只允许从一端口进行读写操作，而封锁另一端口。被封锁端口的busy线被置低电平，从而使连接在该端口的cpu处于指令保护状态，待busy变高后，cpu可以继续操作。由于mmc2107是3.3 v芯片,77e58是5 v芯片，二者之间的数据传输需要通过3.3～5 v电平转换。 1.2通信模块 为了尽可能实现用户的可选配置，以利于变电站自动化系统中实现不同厂家的装置开放与互连。利用m-core的2个sci和1个spi的通信接口，在常规的串行总线rs232、rs485上，新增了现场总线can、以太网通信接口，基本上满足了现场要求的各种通信方式。其中can通信模块采用microchip公司的mcp2510作为控制器，mcp2551作为can驱动器(如图2所示)。mcp2551是can协议控制器和物理总线接口，提供不同的接收和发送功能，完全和iso118
摘 要： 介绍了m-core芯片mmc2107在微机保护中的应用。在对系统整体设计作分析的基础上，着重介绍了微机保护设备的硬件构成、结构特点和各模块的作用，特别是采用了32位mmc2107芯片，大大提高了处理数据效率和控制的速度。并采用双cpu系统模式，提高了综合保护的功能和可靠性。 关键词： 微机保护;m-core；双cpu 引言 随着我国电力系统的不断发展，电网的电压等级不断提高，结构也日趋复杂，要求保护技术向数字化和智能化的方向发展。继电保护装置对系统安全和经济运行起着非常重要的作用。伴随着通信技术和网络技术在电力系统中的不断应用，对各种微机测控保护装置都提出了新的要求，为了适应这种发展趋势，需要在微机测控保护装置内嵌入各种通信模块，以实现网络化。本文分析介绍了基于m-core平台的电力系统低压设备数字式综合保护装置。 1硬件系统 本微机保护装置的硬件系统结构采用模块化结构，主要由主控制器模块、键盘显示模块、模拟量采集模块、出口模块、电源模块和通信模块6个部分组成。12路开关量输入、8路开关量输出、14路模拟量输入、点阵式图形液晶显示界面和薄膜键盘控制，4路电度表脉冲输入和rs232、rs485、can现场总线及以太网通信接口。硬件原理框图如图1所示。 1.1主控制器模块设计 传统的单处理器微机保护结构容错能力差，任一元件损坏都可能导致系统停止工作。而且整套保护中各个保护功能由一个cpu承担，处理速度慢，另外由于实际应用中液晶控制器的读写速度较慢，降低了cpu处理整个程序模块的速度，稳定可靠性低。本文采用双cpu系统，一套为以mmc2107为核心的主cpu系统，完成保护主功能和通信功能;一套为77e58单片机从cpu系统，主要完成监控功能。使用双cpu控制，大大减少了对主cpu的负担，使主cpu有充分的时间进行保护运算和完成控制功能。 mmc2107是基于m-core m210中央处理单元系列的一种32位通用微处理控制器（mcu）。该芯片采用3.3 v工作电压，能耗低，适合在外部电源掉电的情况下采用电池供电，可以提高系统的工作可靠性。mmc2107 cpu系统外部参考频率最大为33 mhz，通过内部的pll模式参数选择，其系统时钟最大工作频率可以达到9倍于外部参考频率，快速的指令周期和特殊的指令集，极大地减少了计算的时间。在实际的微机保护和监控应用中，为了满足微机保护装置的精度要求，往往要求采用一些有良好滤波功能和精度较高的算法，像微机保护中常采用的各种傅氏算法等，但是在提高精度的同时，算法的复杂性又导致了算法计算时间的增加。高性能的m-core处理器使一些过去低速cpu无法采用的性能优、精度高，但计算量较大的微机保护算法得以实现。mmc2107内部集成了128 k flash，满足整个程序模块的大小，不用另外扩展程序存储器。程序内置片内存储器，提高了程序的读写速度,也增加了系统可靠性和抗干扰性。外部接口提供32位数据线，23位地址线，4个片选信号cs0~cs3，每个片选信号可以提供8 m的操作地址空间，可以通过片选寄存器设置外部或内部启动模式。另外，片内还集成有8 k的sram，8路10位的a/d转换模块，2个16位中断定时器，2个sci接口，1个spi接口，55个独立可编程的i/o引脚，内置watchdog定时器和7个实时外部中断，共40个中断源，32级中断等，其优越的性能满足了微机保护的可靠性、快速性和灵敏性的要求。 从cpu采用的是77e58单片机。77e58是winbond公司的一种快速8051系列兼容微处理器，其指令操作时间约是传统8051处理器的3倍，内置有32 k-eprom，不需外扩程序空间。 双cpu之间的通信采用双口ram方式，以实现数据共享。这种操作方式简单快速，两个cpu之间的工作互不影响。 双口ram采用idt71v321，该芯片具有两套独立的控制逻辑和数据存储端口，当同时操作同一存储单元时，将会发生冲突。idt71v312有仲裁和中断两种方式解决，我们采用仲裁方式，此时片内仲裁逻辑将只允许从一端口进行读写操作，而封锁另一端口。被封锁端口的busy线被置低电平，从而使连接在该端口的cpu处于指令保护状态，待busy变高后，cpu可以继续操作。由于mmc2107是3.3 v芯片,77e58是5 v芯片，二者之间的数据传输需要通过3.3～5 v电平转换。 1.2通信模块 为了尽可能实现用户的可选配置，以利于变电站自动化系统中实现不同厂家的装置开放与互连。利用m-core的2个sci和1个spi的通信接口，在常规的串行总线rs232、rs485上，新增了现场总线can、以太网通信接口，基本上满足了现场要求的各种通信方式。其中can通信模块采用microchip公司的mcp2510作为控制器，mcp2551作为can驱动器(如图2所示)。mcp2551是can协议控制器和物理总线接口，提供不同的接收和发送功能，完全和iso118
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