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基于单片机和CPLD的数字继电保护装置系统设计

时间:04-10 来源:互联网 点击:

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。

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