MCF5282在電力系統監控中的應用

摘 要：詳細介紹Motorola公司的嵌入式微處理器MCF5282的結構特點，同時設計一種基于MCF5282的嵌入式系統方案。該方案涉及以太網通信、CAN、RS一485、RS一232等多種通信方式，使得它具有智能化、高可靠性、易維護、運行和操作方便等眾多優點，可以作為線路保護、母線保護、變壓器保護和發電機保護等多種保護類型的微機保護裝置，其保護電壓等級可以達到110 kV。

關鍵詞：微機保護 MCF5282 電力系統監控 以太網

　

目前，在作為微機保護心臟的微處理器中，一般采用高性能單片機(如InteI公司的87(：196CB，87C196NT)、數字信號處理器DSP(如TI公司的TMS320F2812)和可編程邏輯器件PLD(如Xilink公司的XC9572)等來提高繼電保護的處理速度。但是，隨著繼電保護向著多功能、智能化、可視化的方向發展，上述幾種單一的芯片已經不能完全滿足這些要求，如使用多種通信方式去實現組網調度。在本文中將介紹一種新型嵌入式微處理器MCF5282以及由它設計出的嵌人式主模板，能夠滿足多種通信方式的要求，而且其處理速度和實現多通道交直流采樣的精度比起上述三類芯片都要高得多，其實時性也更完美。

　

1 MCF5282微處理器的主要特點

MCF5282微處理器是迄今為止Motorola推出的最高集成度的ColdFire系列32位微處理器，內含有2 KB的高速緩沖存儲器Cache、64 KB的隨機存儲器RAM和512KB的閃存Flash，其I／0口總數達到152個。它還采用智能DigjtalDNA技術，在66 MHz下工作速度為59Dhrystone2．1 MIPS。此外，MCF5282微處理器還具有新型設備：

◆快速以太網媒體存取控制(MAC)，支持100 MbpsMII，10 Mlaps MII和10 Mbps 7線實際接口，它使以太網連接從板級擴展到芯片級，這是MCF5282區別于其他類型處理器的特色之一。

◆QSPI模塊，提供帶有序列傳輸性能的串行外圍接口。

◆3個通用異步串行接口模塊UART。

◆I2C系統總線模塊。

◆CAN 2．0B標準接口模塊。

◆4個32位的DMA定時／計數器、8個16位通用定時／計數器、4個周期中斷定時／計數器。

◆8路10位A／D轉換器模塊(QADC)。

◆DMA控制模塊，可對8位、16位、32位的數據進行操作。

◆2個中斷控制模塊，每個中斷控制模塊可管理7級中斷，每級又有9個中斷源，共可管理126個中斷源。

◆帶沖突檢測的復位控制模塊。

◆電源管理模塊(PWW)共有四種運行模式：Run．Wait，Doze-和Stop。

　

2 微機保護裝置的嵌入式主模板

2．1 微機保護裝置的工作原理

由待保護系統送來的電流電壓信號，經電流電壓互感器變換后產生低電壓信號(±10 V內)送入主模板。主模板內的MCF5282微處理器運行片內的保護軟件，進行信號采樣，完成各種數值運算、分析及處理，從而確定待保護系統的運行狀態。如有故障，則由MCF5282經輸出模板發出跳閘動作信號，達到保護系統的目的；同時，由各種通信方式將保護動作信息送入管理模板和上位機，記錄、保存數據并報警，完成微機保護裝置的工作過程。

2. 2 MCF5282構成的嵌入式主模板

筆者在設計110 kV高電壓的微機保護裝置中，選擇以MCF5282為核心，構成嵌入式系統的硬件主模板。它主要由數據采樣、存儲器、開關量輸入輸出、通信以及串行時鐘和E2PROM等電路組成，如圖1所示。

以下將對MCF5282與各個部分的連接及工作原理加以敘述。

2.2.1 MCF5282電路

為提高主模板的可靠性，應盡量減少MCF5282的外圍器件，設計MCF5282以單片方式運行，MCF5282采用I／O端口或功能端口，與外部進行信息交換。系統的復位電路采用帶電源監視的復位電路芯片IMP706R，在裝置上電、電源電壓異常、手動復位和程序運行混亂或超時而產生“死鎖”時可使系統復位，其電路如圖2所示。

2.2.2 存儲器和數據采樣電路

存儲器選用2片FMl8L08，數據采樣選用AD976A，兩種器件的數據線、地址線共用，控制線除片選線外，其他線共用，如圖3所示。MCF5282微處理器中的軟件以I／O端口方式操作這些信號線。

　

FMl8L08是采用先進的鐵電技術制造的32 KB非易失性鐵電隨機存儲器FRAM，其數據掉電后可以保存10年之久。它的高速寫操作以及擦寫次數多使得它比其他非易失性存儲器具有更高的優勢。FMl8L08與MCF5282的連接如圖3所示，2片FMl8L08采用并聯的方式構成32 K×16位的存儲器．它可以進行8位和16位的數據操作。MCF5282片內已有64 KB的隨機存儲器，足以存放嵌入式系統中軟件處理的各種數據，擴展FMl8L08的主要目的是實現數據錄波和動作參數的存放。

MCF5282中有8路10位隊列式A／D轉換器模塊(QAE)C)，但其路數和精度均達不到要求，因此采用了2片美信公司的16選1模擬電子開關芯片MAX306與AD976A構成31路16位、信號范圍為土10 V的數據采集電路。

AD3976A是ADI公司生產的模數轉換器，其分辨率為16位，最高采樣速率可達200 ksps，它是采用電荷重分布技術的逐次逼近型模數轉換器，其結構比傳統逼近型ADC簡單，且不再需要完整的模數轉換器作為核心。由于電容網絡直接使用電荷作為轉換參量，而且這些電容已經達到了采樣電容的作用，因而不必另加采樣保持器，從而大大簡化了前置電路。在濾波電路中，交、直流信號分別采用傳統的RC和RLC濾波電路進行濾波。

2.2.3開關量輸入輸出電路

MCF5282主模板設計了34路的開關量信號輸入和17路開關量輸出信號。每一路開關量輸入均通過光隔芯片TLP521，再到達MCF5282的I／O端口。控制軟件由MCF5282的I／0口送出輸出信號，經過74LVXC3245和ULN2004兩級驅動器，控制輸出模板中的繼電器，如圖4所示。

2.2.4 通信電路

根據MCF5282微處理器的通信端口，設計了以太網、CAN、RS一232和RS—485通信的外圍電路，構成多種通信方式與上位機系統和管理模板進行信息交流。CAN、RS一232和RS一485通信的收發器分別使用PCA82C250、MAX3232和MAX485，為了提高通信質量，中間用光電隔離器件6N137進行隔離。為了滿足高端用戶的需要，設計有以太網通信，外圍驅動芯片選用VT6103芯片。

2.2.5 串行時鐘和E2PROM電路

筆者選擇1片I2C總線接口的時鐘芯片PCF8563和1片I2C總線接口存儲器芯片24LC256，它們都掛接在MCF5282微處理器的12C總線上，如圖5所示。PCF8563是Phlips公司設計生產的工業級實時時鐘芯片，具有功耗低、精度高的特點，使嵌入式系統的硬件主模板有長時期穩定的時間信號。24LC256是一個256。KB的串行E2PROM，可用電擦除，主要作用是存放嵌入式系統的軟件在運行過程中所需要的重要參數，例如保護定值等。

　

3 軟件實現

軟件程序的整體結構主要包括主程序、采樣中斷服務程序和故障處理程序。正常運行主程序，每周期(正弦波)采樣24點，每執行一次采樣中斷服務程序并判斷相電流差突變量啟動元件DIl是否動作。如果DI1不動作，采樣中斷程序執行完后，正常返回主程序；如果DI1動作，采樣中斷程序執行完后，轉入執行故障處理程序，完成相應保護功能，直到整組復歸，返回正常運行的主程序。程序流程如圖6所示。

4 小 結

本文介紹了利用微處理器MCF5282構成的嵌入式保護裝置的主模塊及其與外圍電路的連接。由于此模塊中采樣電路是多通道高速采樣，所以要合理地設計參考電壓VREF。在設計PCB板時，要注意合理布局和設置良好的靜電屏蔽，以防電磁干擾問題。另外，在開關量輸入、輸出控制以及各種控制信號線中，可根據PCB布線的遠近，靈活選擇MCF5282處理器的原因之一。將上述設計的嵌入式主模板外加其他模板可配置成具有母線保護、線路保護、發電機保護和變壓器保護功能的微機保護裝置。此保護裝置已運用于實際的電力監控中（110V），如發電機組、變電站和鐵路線上，且運行效果良好。