基于單片機和CPLD的數字繼電保護裝置系統設計

0 引言

ATMEL公司的ATMEGAl28，有豐富的片內資源：它帶有8路10位的AD轉換器，128K的FLAsH程序存儲空間，4K的RAM數據存儲空間，4K的EEPROM掉電保持數據存儲空間，可通過SPI實現系統內編程，高級語言編程采用功能強大且高效率的GCC編譯器和GDB調試器，ATMEGAl28單片機是目前為止GCC所支持的唯一一種8位處理器。ATMEGAl28采用了Harvard結構，具有獨立的數據和程序總線，從而使得處理器指令和數據并行，大大提高了處理效率。程序存儲器的指令通過一級流水線運行。CPU在執行一條指令的同時讀取下一條指令(而傳統的51系列的單片機一般沒有帶內置的AD轉換器，沒有FLASH程序存儲空間，只有128KB的數據存儲空間，沒有EEPROM掉電保持數據存儲空間。

CPLD由完全可編程的與／或門陣列以及宏單元構成。與／或陣列是可重新編程的，可以實現多種邏輯功能。宏單元則是可實現組合或時序邏輯的功能模塊，同時還提供了真值或補碼輸出和以不同的路徑反饋等額外的靈活性。xilinx設計的CPLD采用了一種創新的全數字內核，能夠以極低的功耗達到同樣的性能水平。這使得我們在高性能和低功耗設計中使用同一種CPLD結構。CPLD有可重新編程、簡單易用、低成本、非易失和高保密等特點。選用Xinlin公司的X9572利用VHDL語言可以實現245、573、GAL等等多種外圍芯片的設置。

在微機保護產品中采用ATMEGAl28處理器取代傳統的8位或16位單片機，可以在硬件資源、開發平臺等方面取得很多優越性，并通過與CPLD的配合，完成一些復雜的算法，所以基于ATMEGAl28和X9572這種CPLD平臺電動機微機保護裝置除完成電動機綜合保護功能外，還能夠完成電動機的轉子籠條斷條故障診斷等一些比較復雜的功能，從而大大提高保護裝置的性能。

1 硬件設計

數字繼電保護裝置原理是：AD采樣模擬量電流電壓，CPU把原始數據讀出存放在RAMt辛，再對原始數據進行FFT計算，然后與參考值進行比較計算，如果達到設置動作值就發出出口信息。然后把這條信息保存在EEPROM中，以便調出分析。

硬件系統由AD轉換器、數據存儲器、EEPROM、I／0接口、人機對話窗口和程序存儲器等功能模塊構成。ATEMEL的ATMEGA128自帶10位AD、128KFLASH、4KRAM、4KEEPROM，能滿足模數轉換及數據存儲和程序存儲功能。I／O接口通過CPLD擴展，人機對話窗口通過一塊128*64液晶顯示模塊、鍵盤和指示燈來實現。CPU的數據驅動與擴展I／O的鎖存及地址譯碼分配都由CPLDX9572來完成。

數據總線驅動匹配由245芯片完成，讀取開入量8路需要一片245，讀取鍵盤6個鍵需要一片245。由于液晶是慢速器件，高速的CPU來操作可能存在時序比配問題，操作液晶一般不用總線方式而采用I／O讀寫，液晶的8位數據就用一片573來鎖存，還有液晶的控制線也要用一片573鎖存。數字開出部分7路也用一片573鎖存，信號指示等6個用一片573鎖存。這些芯片的讀寫對CPU來說都是獨立的存儲單元，所以就要有各自的地址范圍。以前的系統一般是通過138或GAL來實現地址譯碼。本系統都是由CPLD通過硬件描述語言VHDL來這些組織一些虛擬芯片實驗他們的硬件功能。

2 硬件系統結構

3 CPLD和VHDL設計與實現

3．1 CPLD設計

本系統中用X9572通過VHDL語言實現了3片245IC和4片573IC和一片i6V8DIC。

跟傳統設計比較簡化了電路，優化了結構，特別是提高抗EMC的能力。