基于单片机和CPLD的数字继电保护装置系统设计

0 引言

ATMEL公司的ATMEGAl28，有丰富的片内资源：它带有8路10位的AD转换器，128K的FLAsH程序存储空间，4K的RAM数据存储空间，4K的EEPROM掉电保持数据存储空间，可通过SPI实现系统内编程，高级语言编程采用功能强大且高效率的GCC编译器和GDB调试器，ATMEGAl28单片机是目前为止GCC所支持的唯一一种8位处理器。ATMEGAl28采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线，从而使得处理器指令和数据并行，大大提高了处理效率。程序存储器的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令(而传统的51系列的单片机一般没有带内置的AD转换器，没有FLASH程序存储空间，只有128KB的数据存储空间，没有EEPROM掉电保持数据存储空间。

CPLD由完全可编程的与／或门阵列以及宏单元构成。与／或阵列是可重新编程的，可以实现多种逻辑功能。宏单元则是可实现组合或时序逻辑的功能模块，同时还提供了真值或补码输出和以不同的路径反馈等额外的灵活性。xilinx设计的CPLD采用了一种创新的全数字内核，能够以极低的功耗达到同样的性能水平。这使得我们在高性能和低功耗设计中使用同一种CPLD结构。CPLD有可重新编程、简单易用、低成本、非易失和高保密等特点。选用Xinlin公司的X9572利用VHDL语言可以实现245、573、GAL等等多种外围芯片的设置。

在微机保护产品中采用ATMEGAl28处理器取代传统的8位或16位单片机，可以在硬件资源、开发平台等方面取得很多优越性，并通过与CPLD的配合，完成一些复杂的算法，所以基于ATMEGAl28和X9572这种CPLD平台电动机微机保护装置除完成电动机综合保护功能外，还能够完成电动机的转子笼条断条故障诊断等一些比较复杂的功能，从而大大提高保护装置的性能。

1 硬件设计

数字继电保护装置原理是：AD采样模拟量电流电压，CPU把原始数据读出存放在RAMt辛，再对原始数据进行FFT计算，然后与参考值进行比较计算，如果达到设置动作值就发出出口信息。然后把这条信息保存在EEPROM中，以便调出分析。

硬件系统由AD转换器、数据存储器、EEPROM、I／0接口、人机对话窗口和程序存储器等功能模块构成。ATEMEL的ATMEGA128自带10位AD、128KFLASH、4KRAM、4KEEPROM，能满足模数转换及数据存储和程序存储功能。I／O接口通过CPLD扩展，人机对话窗口通过一块128*64液晶显示模块、键盘和指示灯来实现。CPU的数据驱动与扩展I／O的锁存及地址译码分配都由CPLDX9572来完成。

数据总线驱动匹配由245芯片完成，读取开入量8路需要一片245，读取键盘6个键需要一片245。由于液晶是慢速器件，高速的CPU来操作可能存在时序比配问题，操作液晶一般不用总线方式而采用I／O读写，液晶的8位数据就用一片573来锁存，还有液晶的控制线也要用一片573锁存。数字开出部分7路也用一片573锁存，信号指示等6个用一片573锁存。这些芯片的读写对CPU来说都是独立的存储单元，所以就要有各自的地址范围。以前的系统一般是通过138或GAL来实现地址译码。本系统都是由CPLD通过硬件描述语言VHDL来这些组织一些虚拟芯片实验他们的硬件功能。

2 硬件系统结构

3 CPLD和VHDL设计与实现

3．1 CPLD设计

本系统中用X9572通过VHDL语言实现了3片245IC和4片573IC和一片i6V8DIC。

跟传统设计比较简化了电路，优化了结构，特别是提高抗EMC的能力。

3．2 VDHL语言设计

(1)用VHDL语言定义245：

4 结束语

在模块化设计的基础上，开发的ATMEGAl28处理器为硬件核心的微机继电保护装置，是一个通用的硬件平台，能够满足电动机保护可靠性、选择性、速动性以及灵敏性的要求。在此平台上不仅可以实现对高压电动机的保护，通过对软件的适当修改还可以实现变压器保护、电容器保护等其它功能。X9572这种CPLD运用于单片机系统中大大简化了硬件电路，提高系统性能。