串行時(shí)鐘PCF8583在微機(jī)保護(hù)裝置中的應(yīng)用

引言
微機(jī)保護(hù)裝置配備的高性能實(shí)時(shí)時(shí)鐘，用來(lái)記錄微機(jī)保護(hù)動(dòng)作、開(kāi)關(guān)變位、事故與預(yù)告等事件的時(shí)間信息，從而形成完整的事件順序記錄，對(duì)分析繼電保護(hù)的動(dòng)作行為、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性具有重要意義。與先前的時(shí)鐘器件(如DS12C887)相比，PCF8583是串行總線擴(kuò)展方式的實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件，只需通過(guò)DSP的I2C時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可完成其參數(shù)設(shè)置、讀取日期和時(shí)間等操作，同時(shí)PCF8583接口簡(jiǎn)單，占用DSP資源少和可靠性高，且掉電時(shí)仍能夠進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)。dsPIC33F系列微處理器是將單片機(jī)與DSP技術(shù)相結(jié)合的高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器，將該控制器與串行時(shí)鐘PCF8583同時(shí)應(yīng)用于微機(jī)保護(hù)裝置，可進(jìn)一步提高微機(jī)保護(hù)裝置的整體性能。因此，這里提出一種基于PCF8583和dsPIC33F系列微處理器的微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)方案。

2 PCF8583簡(jiǎn)介
2．1 PCF8583的結(jié)構(gòu)與功能
PCF8583是帶有256x8 bit RAM的8引腳日歷／時(shí)鐘器件。內(nèi)置完整的振蕩、分頻、上電復(fù)位電路，具有4年日歷時(shí)鐘，12或24 b格式，帶可編程的鬧鐘、定時(shí)和中斷功能，并具有體積小、硬件連線少、帶有256字節(jié)的靜態(tài)RAM等特點(diǎn)。它采用I2C兩線串行總線接口傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)，在每次讀寫數(shù)據(jù)字節(jié)后，內(nèi)部字地址寄存器自動(dòng)遞增；地址引腳A0用于編程設(shè)置硬件地址，這樣可在不增加硬件的情況下使總線上允許掛接兩個(gè)器件；內(nèi)置32．768 kHz振蕩器RAM區(qū)的前8個(gè)字節(jié)用于時(shí)鐘／日歷和計(jì)數(shù)器功能，接下來(lái)的8個(gè)字節(jié)作為報(bào)警寄存器或RAM使用，剩下的240個(gè)字節(jié)RAM則由用戶自由分配。其中00H為控制狀態(tài)寄存器，01H為1／100 s寄存器，02H為秒寄存器，03H為分寄存器，04H為時(shí)寄存器，05H為年／日寄存器，06H為星期／月寄存器，07H為定時(shí)寄存器，08~0F單元可設(shè)置為空閑單元或鬧鐘寄存器，在日歷時(shí)鐘方式中，百分之一秒、秒、分、時(shí)、日、月、年和星期都是以BCD碼存放。I2C總線的主器件可通過(guò)對(duì)其控制／狀態(tài)寄存器進(jìn)行讀，寫操作。
2．2 PCF8583的PC總線及其讀寫操作
I2C總線是Philips推出的串行傳輸總線，以兩根連線實(shí)現(xiàn)完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳輸，可構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外圍器件擴(kuò)展系統(tǒng)。I2C總線采用器件地址的硬件設(shè)置方法，通過(guò)軟件尋址，完全避免器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單靈活的擴(kuò)展方法。由于I2C總線是同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線。其內(nèi)部為雙向傳輸電路，端口為漏極開(kāi)路輸出，故總線上必須掛接上拉電阻，該上拉電阻阻值通常可取5-10kΩ。系統(tǒng)中的所有外圍器件及模塊都是總線上的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)I2C工作時(shí)，任何一個(gè)主器件節(jié)點(diǎn)都能控制總線，當(dāng)某個(gè)主器件節(jié)點(diǎn)控制總線，則成為主控制器。系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)采用器件地址或引腳地址的編址方法。I2C總線規(guī)定起始信號(hào)后的第一個(gè)字節(jié)為尋址字節(jié)，用于尋址被控器件，并規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸方向。I2C總線在數(shù)據(jù)傳輸中共有開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)3種類型。其中，開(kāi)始信號(hào)是當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變；結(jié)束信號(hào)是當(dāng)SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變。結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸；而應(yīng)答信號(hào)則是接收數(shù)據(jù)的器件在接收到8位數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的器件發(fā)出待定的低電平脈沖，表示已接收數(shù)據(jù)。
主器件節(jié)點(diǎn)讀寫從節(jié)點(diǎn)(這里將PCF8583設(shè)為從節(jié)點(diǎn))數(shù)據(jù)的示意圖如圖1所示。發(fā)送到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須為8位，每次可發(fā)送的字節(jié)數(shù)不限，但每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。首先傳輸最高數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)全部傳輸完后，主控制器發(fā)送停止信號(hào)。

3 PCF8583與微機(jī)保護(hù)裝置的接口設(shè)計(jì)
3．1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用dsPIC33F系列dsPIC33FJ256GP7 10型系列微處理器，其內(nèi)部集成了RAM，F(xiàn)lash及各種外設(shè)模塊，包括2個(gè)A／D轉(zhuǎn)換模塊、2個(gè)SPI接口模塊、2個(gè)I2C模塊、2路CAN和UART通信模塊等，因而外嗣擴(kuò)展電路少，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。
基于dsPIC33FJ256GP710的保護(hù)測(cè)控裝置分為CPU模塊單元、交流插件、數(shù)字量I／O單元、通信單元、人機(jī)接口單元和電源單元等，通信接口直接與上位機(jī)或通信管理機(jī)連接，人機(jī)接口采用128×~64點(diǎn)陣式液晶顯示器和專用鍵盤，顯示信息量大，操作方便。
圖2為CPU模塊原理框圖。該微機(jī)保護(hù)裝置具有16路開(kāi)關(guān)輸入量，16路開(kāi)關(guān)輸出量，15路模擬量。由于dsPIC33F強(qiáng)大的計(jì)算能力和完善的控制功能，可單獨(dú)完成計(jì)算、控制、通信、人機(jī)接口等功能，減少了元件數(shù)，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。又因dsPIC33F微處理器內(nèi)部集成有RAM，F(xiàn)lash、A／D轉(zhuǎn)換等，使得外圍擴(kuò)展電路很少，大大簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大提高了保護(hù)裝置的抗干擾性和可靠性。

圖3為PCF8583與dsPIC33FJ256GP710的接口電路。dsPIC33FJ256GP710的I2C數(shù)據(jù)信號(hào)SDA1和時(shí)鐘信號(hào)SCK1分別與PCF8583的SDA和SCL連接，I／O端口RG0與INT請(qǐng)求信號(hào)連接；R1，R2為上拉電阻，G為時(shí)鐘晶振，在通常情況下該電路由VDD供電。保護(hù)裝置掉電時(shí)則南電池BT1供電保證時(shí)鐘持續(xù)運(yùn)行，二極管VD1和VD2用于隔離內(nèi)部電池和VDD。擴(kuò)展的串行時(shí)鐘PCF8583用于記錄系統(tǒng)工作時(shí)間，其內(nèi)含一個(gè)鋰電池，斷電情況下可運(yùn)行十年以上而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。與同類并行時(shí)鐘(如DS12C887)相比，PCF8583結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。