第二章--数字式保护的硬件系统

1第二章数字式保护硬件系统一、硬件系统概述二、数据采集系统三、数据处理系统四、开关量输入输出系统五、通信模块与电源2数字式保护硬件示意框图三、数据处理系统31.微处理器简介三、数据处理系统输入设备输出设备外存储器外部设备接口存储器运算器控制器程序/数据电子计算机的组成微处理器4数字式保护装置硬件的核心是微处理器。微处理器的选择遵循以下原则：1.速度速度选择以能在两个相邻采样间隔内完成必要的工作为准。2.功能3.通用性4.工作环境的适应性1.微处理器简介51.往功能强的方向发展2.往功能全的方向发展在同样的集成度下，不集成高功能的快速的微处理器，而是把许多其它功能如A／D转换、通信接口、定时器等集成在一个芯片上微处理器的发展方向1.微处理器简介6继电保护对可靠性、安全性要求很高，且保护装置工作环境恶劣。为了便于购买和升级换代，一定要选择大公司的主流工业级芯片。目前，国内外数字式保护装置所用的微处理器有两大类：一类是单片机一类是数据处理芯片1.微处理器简介7单片机CPU定时器／计数器I／O接口电路ROM或EPROMRAM串行通讯接口结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故称单片微控制器，又称单片微型计算机。SingleChipMicrocontrollerSingleChipMicrocomputer2.单片机8单片机的发展阶段第一阶段（1971-1974年）：INTEL公司设计成集成度为每片上有2000只晶体管的4位微处理器Intel4004。1972年又研制成了功能较强的8位微处理器Intel8008。2.单片机9单片机的发展阶段第二阶段（1974-1978年）：初级单片机阶段。以INTEL公司的MCS－48为代表：8位CPU、并行I／O口、8位定时器／计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。2.单片机10第三阶段（1978-1983年）：高性能单片机阶段。串行口，多级中断处理系统、16位定时器／计数器、片内RAM、ROM容量大，且寻址范围可达64K字节，典型芯片有MCS-51。单片机的发展阶段2.单片机11单片机的发展阶段第四阶段（1983年以后）：8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，典型芯片有MCS-96。2.单片机122.单片机单片机的应用单机应用在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式。多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。多机应用132.单片机单机应用l）测控系统：用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。2）智能仪表。单片机能促进仪表向数字化、智能化、多功能化发展。通过采用单片机软件编程技术，使测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。3）机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化。4）智能接口。大型数据采集系统中用单片机对模／数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。142.单片机多机应用1）多功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。2）并行多机控制系统。并行数据采集、处理系统、实时图像处理系统。3）局部网络系统。分布式测、控系统。15举例随着应用领域的扩展，MCS－51以及MCS－96系列仍然是单片机中应用的主流产品。但8位单片机在很多场合下已经不能满足工业控制的需要。MCS-96系列的16位单片机是功能较强，性能优良的单片机,它在一个芯片上集成了13万个晶体管，功能较强。尤其是该系列MCS-80C196性能更好。国内很多继电保护装置都采用此类单片机。16(1)16位的CPU（中央处理器）该CPU在结构上最大特点是：没有采用老的累加器结构，改用“寄存器——寄存器”结构。消除了一般结构中存在的累加器的瓶颈问题，提高了操作速度和数据吞吐能力。16位CPU支持位、字节和字操作，在部分指令中还支持32位双字操作，如32位除以16位。单片机(MCS-96系列)的主要性能特点17(2)高效的指令系统典型指令有16位乘16位和32位除以16位的乘除指令，有数据规格化指令（有利于浮点计算），很多指令既可用双操作数，也可用3操作数。后者包括2个源操作数和1个目的操作数，这样就大大提高了编程的效率。单片机(MCS-96系列)的主要性能特点当采用12MHz外接晶振时，一条指令的最短执行时间为1μs，16位乘16位乘法指令和32位除以16位除法指令的执行时间只有6．25μs。18(3)10位A/D转换器在96系列部分产品中，有一个8通道或4通道的10位A／D转换器，使得这些型号产品特别适用于多路数据采集系统、智能仪器等应用领域。A/D转换周期为22μs。单片机(MCS-96系列)的主要性能特点19(4)脉宽调制输出作为D/A转换器输出，分辨率为8位。96单片机可以直接提供脉宽调制信号，某些电机可以用它直接驱动。脉宽调制输出信号经过积分就可以获得直流输出。单片机(MCS-96系列)的主要性能特点20(5)全双工串行口96系列单片机具有与MCS-5l兼容的全双工串行口。这个串行口可方便地用于I/O扩展、与CRT终端等设备进行通信以及多处理机通信。(6)5个8位标准输入/输出口96系列单片机还有5个8位I/O口。单片机(MCS-96系列)的主要性能特点21(7)高速输入/输出器高速输入器可以相对于内部定时器产生的实时时钟，记下某个外部事件发生的时间，共可记下8个事件；而高速输出器可以按规定的时刻去触发某一事件，任何时候都可以存储起8个事件。“高速”意味着这些功能是‘自动地’（相对于定时器）实现的，无需CPU的干预。单片机(MCS-96系列)的主要性能特点22(8)8个中断源8个中断源对应有8个中断矢量，而有些中断矢量又对应着多个中断事件，共对应20种中断事件。(9)看门狗软硬件发生故障时，监视定时器（Watchdogtimer）将系统复位，提供了一种软硬件故障的自恢复能力。单片机(MCS-96系列)的主要性能特点23(10)可动态配置的总线在运行过程中，96系列单片机的总线可以动态地配置成8位的或16位的，以便适应对外部寄存器进行字节操作或字操作的不同需求。单片机(MCS-96系列)的主要性能特点24(11)8K/16K字节的内部ROM96系列单片机寄存器的空间为64K字节，在带内部ROM的芯片中，内部ROM的容量为8K字节或16K字节。内部ROM/EPROM可以加密，并可在运行中对EPROM编程。(12)256字节的寄存器阵列和专用寄存器单片机(MCS-96系列)的主要性能特点25(14)4个软件定时器下面举一个以80c196KB为CPU的保护系统加以说明。(13)2个16位定时器定时器1在系统中作实时时钟用，定时器2根据外部引脚的触发信号而计数.单片机(MCS-96系列)的主要性能特点26应用80C196的保户CPU板工作原理说明总线驱动器EEPROMEPROMCPU译码器RAM并行接口74LS24574LS286474LS27256MCS80C19674LS13974LS6223574LS825527附图1微机保护装置故障处理插件原理图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeCDate:21-Feb-2006SheetofFile:E:\F\工程\CPU.ddbDrawnBy:12345R9SIPR+5+5SBC0SA1+5P0.7Z10+5D2B2CPC21C22CRY+5P1.0P1.1P1.2RDWR12456D22MCT27712456D21MCT277R62R72R73GJHHP1.2P1.1P1.0+5456D14B74LS00123D14A74LS008910D14C74LS00R61R1R0R3R2R63HL1HL2V72V62V61V71D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11D274LS373A7A6A5A4A3A2A1A0DT7DT6DT5DT4DT3DT2DT1DT0DT0DT1DT2DT3DT4DT5DT6DT7A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122A1326A1427CE20OE22VPP1D011D112D213D315D416D517D618D719D327256+5DT7DT6DT5DT4DT3DT2DT1DT0A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0A15RDA8A9A10A11A12A13A14A15DATABUSADDRESSBUS123D15A74LS32A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122A1326A141CE20OE22WE27D011D112D213D315D416D517D618D719D462256SA2+5R5WR62256.CSRDDT7DT6DT5DT4DT3DT2DT1DT0A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0WRA010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122N.C26RDY1CE20OE22WE27D011D112D213D315D416D517D618D719D52864RD2864.CSDT7DT6DT5DT4DT3DT2DT1DT0A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0A14B13E15Y012Y111Y210Y39D9B74LS139A2B3E1Y04Y15Y26Y37D9A74LS139A14A15A12A132864.CS62256.CS123D10A74LS08DRAM.CS12456D23MCT27712456D16MCT27712456D17MCT27712456D18MCT27712456D19MCT27712456D20MCT277C00C1-18+5V53V52V43V42V33V32V23V22V13V128910D13C74LS00456D13B74LS00123D13A74LS00111213D13D74LS00111213D12D74LS008910D12C74LS00456D12B74LS00123D12A74LS00D034D133D232D331D430D529D628D727PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710RD5WR36A09A18RESET35CS6D118255+5V11V21V31V41V51R6R7R8R12R13R21R22R23R31R32R33R41R42R43R51R52R53JSZHRTTZQDDT7DT6DT5DT4DT3DT2DT1DT0d-b12d-b10P0.724VGND8255CSA1A0WRRD+5GNDR11A0A2A3A4A5A6A7AA1AA2AA3AA4AA5AA6AA7A1AA0A8A10A11A12RDWRDRAM.CSAA9AA10AA11AA12RRDDWWRRCCSSA9AA8G19DIR1A12B118A23B217A34B316A45B415A56B514A67B613A78B712A89B811D874LS245RDDT0DT1DT2DT3DT4DT5DT6DT7DD0DD1DD2DD3DD4DD5DD6DD7D2B2Z2D4B4Z4D6B6Z6D8B8Z8+5+5Z10GNDGNDZ12D14B14Z14D16B16Z16Z32B32D32Z30B30D30Z28B28D28Z26B26D26Z24B24