基于SPI總線技術(shù)的同步422接口設(shè)計(jì)

　　本文中將介紹一種新型嵌入式微處理器MCF5282以及由它設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)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(shí)時(shí)性也更完美。

　　1 MCF5282微處理器的主要特點(diǎn)

　　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(nèi)含有2 KB的高速緩沖存儲(chǔ)器Cache、64 KB的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和512KB的閃存Flash，其I/0口總數(shù)達(dá)到152個(gè)。它還采用智能DigjtalDNA技術(shù)，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(shè)備：

　　◆快速以太網(wǎng)媒體存取控制(MAC)，支持100 MbpsMII，10 Mlaps MII和10 Mbps 7線實(shí)際接口，它使以太網(wǎng)連接從板級(jí)擴(kuò)展到芯片級(jí)，這是MCF5282區(qū)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(gè)通用異步串行接口模塊UART。

　　◆I2C系統(tǒng)總線模塊。

　　◆CAN 2.0B標(biāo)準(zhǔn)接口模塊。

　　◆4個(gè)32位的DMA定時(shí)/計(jì)數(shù)器、8個(gè)16位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4個(gè)周期中斷定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

　　◆8路10位A/D轉(zhuǎn)換器模塊(QADC)。

　　◆DMA控制模塊，可對(duì)8位、16位、32位的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

　　◆2個(gè)中斷控制模塊，每個(gè)中斷控制模塊可管理7級(jí)中斷，每級(jí)又有9個(gè)中斷源，共可管理126個(gè)中斷源。

　　◆帶沖突檢測(cè)的復(fù)位控制模塊。

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

　　2 微機(jī)保護(hù)裝置的嵌入式主模板

　　2.1 微機(jī)保護(hù)裝置的工作原理

　　由待保護(hù)系統(tǒng)送來的電流電壓信號(hào)，經(jīng)電流電壓互感器變換后產(chǎn)生低電壓信號(hào)(±10 V內(nèi))送入主模板。主模板內(nèi)的MCF5282微處理器運(yùn)行片內(nèi)的保護(hù)軟件，進(jìn)行信號(hào)采樣，完成各種數(shù)值運(yùn)算、分析及處理，從而確定待保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如有故障，則由MCF5282經(jīng)輸出模板發(fā)出跳閘動(dòng)作信號(hào)，達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的;同時(shí)，由各種通信方式將保護(hù)動(dòng)作信息送入管理模板和上位機(jī)，記錄、保存數(shù)據(jù)并報(bào)警，完成微機(jī)保護(hù)裝置的工作過程。

　　2. 2 MCF5282構(gòu)成的嵌入式主模板

　　筆者在設(shè)計(jì)110 kV高電壓的微機(jī)保護(hù)裝置中，選擇以MCF5282為核心，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的硬件主模板。它主要由數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)器、開關(guān)量輸入輸出、通信以及串行時(shí)鐘和E2PROM等電路組成，如圖1所示。

　　以下將對(duì)MCF5282與各個(gè)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(yīng)盡量減少M(fèi)CF5282的外圍器件，設(shè)計(jì)MCF5282以單片方式運(yùn)行，MCF5282采用I/O端口或功能端口，與外部進(jìn)行信息交換。系統(tǒng)的復(fù)位電路采用帶電源監(jiān)視的復(fù)位電路芯片IMP706R，在裝置上電、電源電壓異常、手動(dòng)復(fù)位和程序運(yùn)行混亂或超時(shí)而產(chǎn)生“死鎖”時(shí)可使系統(tǒng)復(fù)位，其電路如圖2所示。

　　2.2.2 存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)采樣電路

　　存儲(chǔ)器選用2片F(xiàn)Ml8L08，數(shù)據(jù)采樣選用AD976A，兩種器件的數(shù)據(jù)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(hào)線。

　　FM18L08是采用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造的32 KB非易失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器FRAM，其數(shù)據(jù)掉電后可以保存10年之久。它的高速寫操作以及擦寫次數(shù)多使得它比其他非易失性存儲(chǔ)器具有更高的優(yōu)勢(shì)。FMl8L08與MCF5282的連接如圖3所示，2片F(xiàn)Ml8L08采用并聯(lián)的方式構(gòu)成32 K×16位的存儲(chǔ)器.它可以進(jìn)行8位和16位的數(shù)據(jù)操作。MCF5282片內(nèi)已有64 KB的隨機(jī)存儲(chǔ)器，足以存放嵌入式系統(tǒng)中軟件處理的各種數(shù)據(jù)，擴(kuò)展FMl8L08的主要目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄波和動(dòng)作參數(shù)的存放。

　　MCF5282中有8路10位隊(duì)列式A/D轉(zhuǎn)換器模塊(QAE)C)，但其路數(shù)和精度均達(dá)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(guān)芯片MAX306與AD976A構(gòu)成31路16位、信號(hào)范圍為土10 V的數(shù)據(jù)采集電路。

　　AD3976A是ADI公司生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其分辨率為16位，最高采樣速率可達(dá)200 ksps，它是采用電荷重分布技術(shù)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)逼近型ADC簡(jiǎn)單，且不再需要完整的模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為核心。由于電容網(wǎng)絡(luò)直接使用電荷作為轉(zhuǎn)換參量，而且這些電容已經(jīng)達(dá)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(jiǎn)化了前置電路。在濾波電路中，交、直流信號(hào)分別采用傳統(tǒng)的RC和RLC濾波電路進(jìn)行濾波。

　　2.2.3開關(guān)量輸入輸出電路

　　MCF5282主模板設(shè)計(jì)了34路的開關(guān)量信號(hào)輸入和17路開關(guān)量輸出信號(hào)。每一路開關(guān)量輸入均通過光隔芯片TLP521，再到達(dá)MCF5282的I/O端口?？刂栖浖蒑CF5282的I/0口送出輸出信號(hào)，經(jīng)過74LVXC3245和ULN2004兩級(jí)驅(qū)動(dòng)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(jù)MCF5282微處理器的通信端口，設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)、CAN、RS一232和RS—485通信的外圍電路，構(gòu)成多種通信方式與上位機(jī)系統(tǒng)和管理模板進(jìn)行信息交流。CAN、RS一232和RS一485通信的收發(fā)器分別使用PCA82C250、MAX3232和MAX485，為了提高通信質(zhì)量，中間用光電隔離器件6N137進(jìn)行隔離。為了滿足高端用戶的需要，設(shè)計(jì)有以太網(wǎng)通信，外圍驅(qū)動(dòng)芯片選用VT6103芯片。

　　2.2.5 串行時(shí)鐘和E2PROM電路

　　筆者選擇1片I2C總線接口的時(shí)鐘芯片PCF8563和1片I2C總線接口存儲(chǔ)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(shè)計(jì)生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有功耗低、精度高的特點(diǎn)，使嵌入式系統(tǒng)的硬件主模板有長(zhǎng)時(shí)期穩(wěn)定的時(shí)間信號(hào)。24LC256是一個(gè)256。KB的串行E2PROM，可用電擦除，主要作用是存放嵌入式系統(tǒng)的軟件在運(yùn)行過程中所需要的重要參數(shù)，例如保護(hù)定值等。

　　3 軟件實(shí)現(xiàn)

　　軟件程序的整體結(jié)構(gòu)主要包括主程序、采樣中斷服務(wù)程序和故障處理程序。正常運(yùn)行主程序，每周期(正弦波)采樣24點(diǎn)，每執(zhí)行一次采樣中斷服務(wù)程序并判斷相電流差突變量啟動(dòng)元件DIl是否動(dòng)作。如果DI1不動(dòng)作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，正常返回主程序;如果DI1動(dòng)作，采樣中斷程序執(zhí)行完后，轉(zhuǎn)入執(zhí)行故障處理程序，完成相應(yīng)保護(hù)功能，直到整組復(fù)歸，返回正常運(yùn)行的主程序。程序流程如圖6所示。

　　4 小 結(jié)

　　本文介紹了利用微處理器MCF5282構(gòu)成的嵌入式保護(hù)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(shè)計(jì)參考電壓VREF。在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，要注意合理布局和設(shè)置良好的靜電屏蔽，以防電磁干擾問題。另外，在開關(guān)量輸入、輸出控制以及各種控制信號(hào)線中，可根據(jù)PCB布線的遠(yuǎn)近，靈活選擇MCF5282處理器的原因之一。將上述設(shè)計(jì)的嵌入式主模板外加其他模板可配置成具有母線保護(hù)、線路保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)和變壓器保護(hù)功能的微機(jī)保護(hù)裝置。此保護(hù)裝置已運(yùn)用于實(shí)際的電力監(jiān)控中(110V)，如發(fā)電機(jī)組、變電站和鐵路線上，且運(yùn)行效果良好。