微處理器dsPIC33F在微機(jī)保護(hù)裝置中的應(yīng)用

1 引言
隨著電網(wǎng)供電負(fù)荷的日趨加重，電力系統(tǒng)對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置提出更高要求，一般低檔單片機(jī)已很難滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。近年來(lái)，各種集成化的單片DSP的性能得到很大改善，軟件和開(kāi)發(fā)工具也越來(lái)越多，使得DSP器件及技術(shù)更容易使用，價(jià)格也能夠?yàn)閺V大用戶(hù)所接受 Microchip公司推出的數(shù)字信號(hào)處理器dsPIC33F集A/D轉(zhuǎn)換、通訊、看門(mén)狗、保護(hù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于一體，同時(shí)還支持SPI模式和I2C模式數(shù)據(jù)傳輸，便于擴(kuò)展容量。因此，開(kāi)發(fā)基于dsPIC33F的微機(jī)保護(hù)裝置，不僅提升保護(hù)系統(tǒng)的整體性能和硬件平臺(tái)的通用性，而且還能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)及硬件成本，對(duì)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行水平具有一定意義。

2 數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC33F系列簡(jiǎn)介
dsPIC33F系列是高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器，具有擴(kuò)展的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)功能和高性能16位微控制器 (MCU)的架構(gòu)。它是一種16位改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)RISC器件，融合了高性能16位單片機(jī)的控制優(yōu)勢(shì)和數(shù)字信號(hào)處理器的高速運(yùn)算能力，是一款高性能的數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)。dsPIC33F系列器件具有以下性能特點(diǎn)：
(1)DSP內(nèi)核和指令系統(tǒng)dsPIC33F的DSP引擎具有1個(gè)高速的17位×17位的乘法器，1個(gè)40位的ALU，2個(gè)40位的飽和累加器以及1個(gè) 40位的雙向移位器，其運(yùn)算速度可達(dá)40 MI／s，指令字為24位，指令系統(tǒng)包含MCU指令集和DSP指令集。此外，這些指令對(duì)C語(yǔ)言編譯器做了專(zhuān)門(mén)優(yōu)化，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序代碼效率很高。 dsPIC33F允許工作電壓±10％的偏差，即工作電壓為3．0～3．6 V。
(2)直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)(DMA)和中斷能力dsPIC33F內(nèi)部集成了8通道直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)模塊，允許CPU執(zhí)行代碼期間在RAM和外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)，不額外占用周期。2 KB雙端口DMA緩沖區(qū)(DMA RAM)，用于存儲(chǔ)通過(guò)DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。可通過(guò)軟件對(duì)DMA中斷源進(jìn)行設(shè)定，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。dsPIC33F含有最多由118個(gè)區(qū)分優(yōu)先級(jí)的中斷向量組成的異常處理結(jié)構(gòu)，中斷優(yōu)先級(jí)分為7級(jí)。最多67個(gè)中斷源，5個(gè)外部中斷和5個(gè)處理器異常。
(3)存儲(chǔ)空間和外圍器件程序計(jì)數(shù)器為23位寬，可尋址4 Mx24位的程序存儲(chǔ)空間。對(duì)于DSP指令分別對(duì)2個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行尋址；而MCU指令，數(shù)據(jù)空間可以整體作為64Kx8位進(jìn)行尋址。dsPIC33F內(nèi)部集成SRAM和Flash等必需的存儲(chǔ)器件，提供10 bit和12 bit A／D轉(zhuǎn)換模塊(可選)，8 bit看門(mén)狗，以及UART、SPI、I2C、CAN等通信模塊。
(4)開(kāi)發(fā)工具M(jìn)icrochip高性能開(kāi)發(fā)系統(tǒng)支持dsPIC33F系列控制器。該開(kāi)發(fā)系統(tǒng)包括MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)、MPLAB C30 C編譯器、MPIAB SIM 30軟件仿真器、MPIABICD 2在線(xiàn)調(diào)試器及MPLAB ICE 4000在線(xiàn)仿真器。dsPIC33F系列數(shù)字信號(hào)控制器還配備一系列的應(yīng)用庫(kù)。

3 dsPIC33F在微機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)中的應(yīng)用
該裝置按功能分為CPU模塊、交流插件、數(shù)字量I／O微機(jī)保護(hù)、通信、人機(jī)接口單元和電源單元。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 128x64點(diǎn)陣式液晶顯示器和專(zhuān)用鍵盤(pán)，顯示信息量大，操作方便，硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該微機(jī)保護(hù)裝置具有16路開(kāi)入量，16路開(kāi)出量，15路模擬量，CPU模塊原理框圖如圖2所示。由于dsPIC33F具有強(qiáng)大的汁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，減少了器件數(shù)量，簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。又因dsPIC33F內(nèi)部集成RAM、Flash、A／D轉(zhuǎn)換器等，使得外同擴(kuò)展電路很少，進(jìn)一步簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，基本實(shí)現(xiàn)了總線(xiàn)不出芯片沒(méi)計(jì)，極大提高保護(hù)裝置的抗干擾性和可靠性。