微处理器dsPIC33F在微机保护装置中的应用

PCF8583是串行总线扩展方式，通过DSP的I2C时钟线SCL和数据线SDA完成对PCF8583的参数设置、日期和时间读取等操作，同时 PCF8583具有接口简单、占用DSP资源少和可靠性高等优点，并在掉电时仍能进行时间计数。扩展的时钟器件用来记录系统的工作时间。除此之外，为避免装置频繁读写EEPROM，对于保护装置频繁读写的信号如事故、预告、脉冲量、重启次数、装置故障信号及出口标志都存放在RAM寄存器，时钟器件在读取当前时间的同时也调用这些内容，在装置断电又重新上电时能够获得这些信息。

3．2 基于DMA的A／D转换

DSPIC33FJ256GP710集成32路12 bit高精度的A／D转换模块，其转换速度可达1 Ms／s，可灵活设定采样通道。采样模式可选用手动和自动两种，通道停止采样并开始转换的方式也有多种，如手动清除SAMP开始采样、内部计数器计数触发采样、定时器Timer3溢出触发采样、中断引脚INTO触发等。其中定时器Timer3溢出触发采样适合保护装置的定点采样。A／D转换采用直接存储器访问(DMA)方式。采样结束后直接将数据存放于DMA RAM(有2 KB空间)，不占用CPU周期。A／D转换结束并且数据已经存储于DMA RAM后会产生DMA中断，寄存器AD1CON2可用于选择多路采样结束后将产生中断。

本装置共采集15路模拟量，采用自动采样和Timer3触发转换的模式，在每个采样周期内触发转换一次，全部15路采样结束后产生中断并一次从DMA RAM区读取所有15路数据。在这种工作模式下，CPU只需启动一次A/D转换，在不占用CPU指令周期的情况下，通过DMA方式将采样数据从外设转存于 RAM中，采样处理效率大大提高。给CPU空出了足够的时间来计算和故障判断。

3．3 以太网接口的扩展

以太网接口扩展电路如图4所示。本装置采用I／O口模拟SPI实现主控制器和 ENC28J60的连接，ENC28J60收满一帧后，通过INT引脚发中断信号通知dsPIC33F。SO为主机读命令引脚，SI为主机写命令引脚。 Microchip公司提供了一组专门针对dsPIC33F系列数字信号控制器的嵌入式TCP／IP协议栈CMX-MicroNet，该协议栈针对 dsPIC33F系列器件的Flash和RAM资源进行优化，为以太网功能的实现提供软件支持。该协议栈既可以单独运行也可以嵌入实时操作系统 (RTOS)中使用。Microchip CMX-MicroNet协议栈采用分层结构，用户可以在不十分熟悉TCP／IP的情况下实现网络应用。


在主程序中，对dsPIC33F自带看门狗时间初始化，即需设置：2个8位的计数器WDT Prescaler A、WDT Prescaler B，溢出时间可在2 ms～16 s之间调整。在对dsPIC33F的定时器初始化中，需考虑dsPIC33FJ256GP710具有9个16位定时器。本装置软件使用3个定时器：T1、 T3和T5。其中定时器T1的中断时间为1 ms，完成时钟的读写、开入量采集、开出量输出、开关变位事件记录等功能。

定时器T3中断完成A／D转换的启动。在不占用CPU周期的情况下，通过DMA方式将采样数据存入DMA RAM中，避免CPU和外设之间数据交换而占用宝贵的CPU时间，使程序的运行速度提高，采样数据的读取在DMAO中断中进行。T5中断完成保护的计算和判断。

在收发两个通信中断函数中，主要完成微机保护装置上传开关量、保护定值、事件记录和遥测量(电流、电压、有功功率、无功功率和功率因数等)等，下传修改保护定值、时间信息和遥控操作等。本装置通讯采用IEC60870-5-103传输规约和Mdbus规约(可选)，以便达到标准化通讯接口要求。


5 基于dsPIC33F的保护装置抗干扰设计

在微机保护装置的工作环境中，电磁干扰(如雷击)相当严重，系统故障、系统设备误操作以及控制、过电流和浪涌干扰等都可能侵入保护装置。在微机保护装置内部，由于辅助继电器的动作或直流转换器转换过程中的高频信号，也会产生干扰。这些干扰的特点是频率高、幅值大，而且持续时间短，能通过各种途径侵入微机保护装置中的电子电路，干扰微机保护的正常工作。dsPIC33F内部集成的WDT模块，由内部振荡电路提供专门时钟信号。如果没有清除脉冲，它将产生一个固定频率的输出脉冲，使整个CPU系统复位重启。启动看门狗只需在MPLAB ICD 2集成开发环境中，将看门狗Timer设置为使能即可。为增强抗干扰性能，软件还增设4个非屏蔽中断错误处理函数来处理晶振、地址、堆栈和算术出错在硬件的抗干扰措施上采取接地、隔离、屏蔽等措施，有效确保装置的电磁兼容性能。


6 结束语

研究了一种新型的基于dsPIC33F微处理器的微机继电保护硬件平台，给出详细的系统硬件设计方案和软件流程。该方案结构简单，性价比及可靠性高和开发周期短，在该软硬件平台上开发的发电厂及变电站成套微机保护装置，已通过国家继电器检测中心的型式试验，并已投入现场运行，各项技术指标符合有关行业标准和现场要求。

编辑：博子