基于DSP和DS12CR887时钟芯片实现微机保护装置的接口设计

    引 言

　　微机继电保护技术不断发展，使用的算法也日趋复杂，与网络的通信和前沿的监测都希望由保护装置实现，这对继电保护硬件的速度和处理能力提出了更高的要求。DSP技术的不断发展使其在电力系统中逐渐得到了广泛的运用，为开发处理能力强大的微机保护系统奠定了基础。

　　虽然在算法处理上功能强大，但其控制功能较弱。而CPLD的强项在于时序和逻辑控制。

　　在微机继电保护系统中，需配备时钟芯片，以使系统的保护动作、事件变位、告警信息的时间得到记录和上传，便于以后进行事故分析和处理。而目前较常用的时钟芯片一般以Intel总线时序工作，硬件上存在地址和数据线复用的特点，在保护装置中如果采用DSP作控制器，会出现DSP地址和数据线无法与时钟芯片直接配合的情况，这时通过CPLD的可编程逻辑控制模拟时钟芯片的工作时序。系统中其他外围电路的控制方法和原理与时钟芯片完全类似，以此方法可以搭建一个通用性强、性能稳定的硬件平台，再通过各种具体的保护应用软件，从而实现各种具体功能的微机保护装置。

　   装置的硬件设计

　　微机保护装置总体结构

　　微机保护装置总体结构如图1所示，主要由数据处理单元（DSP）、数据采集单元（A／D转换器）、人机接口单元（MMI模块）以及开入开出单元等组成。其中，DSP选用TI公司的TMS320VC33，CPLD采用Altera公司的EPM3256A，A／D转换器采用AnalogDevice公司的AD676，时钟芯片采用Dallas公司的DS12CR887。

　　与TMS320VC33的硬件接口

　　时钟芯片的接口原理图如图2所示，为使系统硬件结构简单，软件易于实现，由CPLD产生时钟芯片所需的时序信号，以控制时钟芯片的读写。DSP数据总线直接引人DS12CR887地址数据总线，部分地址总线及控制线PAGE3、时钟输出H1等经CPLD输出到DS12CR887所需的控制线引脚。

　　 DS12CR887的特性和功能

　　性能特点

　　实时时钟芯片功能丰富，其正常工作电压为3.3 V，工作电压范围为2.97 V～3.63 V，是应用在DSP硬件电路中的理想时钟芯片。DSl2CR887的具体的特性如下：

　　（1） 具有10字节RAM用来存储时间信息。能够自动产生年、月、日、时、分、秒、星期等时间信息，并且有时、分、秒的闹铃功能，温度25℃时每个月的时间误差在±1分钟以内。

　　（2） 内部自带电池，外部掉电时，温度25℃时其内部时间信息能够保持5年之久。

　　（3） 对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午。

　　（4） 时间有二进制数和BCD码两种表示方法。

　　（5） 内置128字节RAM，其中10字节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储控制信息，称为控制寄存器，114字节的通用RAM可供用户使用。

　　（6） 用户还可对DS12C887进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。

　　内部RAM及寄存器功能

　　片内地址空间为00H～7FH，其中00H为秒单元，01H为闹秒单元，02H为分钟单元，03H为闹分单元，04H为时单元，05H为闹时单元，06H为星期单元，07H为日单元，08H为月单元，09H为年单元，0AH～0DH单元分别为控制寄存器A、B、C、D。0EH～7FH为用户RAM区，可用来在系统掉电时保存数据。通过访问A、B、C、D四个寄存器，可随时设置和了解DS12CR887的工作方式。

　　引脚功能

　　的引脚排列如图2所示。各引脚的功能说明如下：

　　、VCC：工作电源。其中VCC接+3.3 V输入，GND接地，当VCC的输入小于+2.97 V时DS12CR887会自动将电源切换到内部自带的锂电池上，以保证内部时钟电路能正常工作，但此时不能读写数据。

　　：模式选择引脚。DA12CR887有两种工作模式，即Motorola模式和Intel模式，MOT接VCC选用Motorola模式；MOT接GND时，选用Intel模式。本文主要讨论Intel模式。

　　：方波输出引脚。用户可以通过对控制寄存器编程获得13种方波信号输出。

　　～AD7：复用地址数据总线。该总线采用时分复用技术，在总线周期的前半部分，出现在AD0～AD7上的是地址信息，用于选通DS12CR887的RAM，而在总线周期的后半部分，出现在AD0～AD7上的是数据信息。

　　：地址选通输入引脚。在进行读写操作时，AS的下降沿将AD0～AD7的地址信息锁存至DS12CR887。

　　：数据选择或读输入引脚。该引脚有两种工作模式，选用Intel工作模式时，该引脚是读使能输入引脚，即Read Enable。

　　／W：读／写输入引脚。该引脚也有两种工作模式，选用Intel模式时，该引脚可作为写使能输入，即Write Enable。

　　：片选输入引脚。低电平有效。

　　：中断请求输出引脚。低电平有效。

　　：复位输入引脚。低电平有效，该引脚有效对DS12CR887的时钟、日历和RAM中的内容无影响，仅对内部控制寄存器有影响，在典型应用中，RESET可以直接接至VCC，这样可以保证在DS12CR887掉电时，其内部控制寄存器不受影响。

　　、时序分析及软件功能的实现

　　有两种接口总线时序工作方式，此系统中DSl2CR887工作在Intel总线时序方式，其写命令时序如图3所示，读命令时序如图4所示。

　　从DS12CR887的时序图可以看出，在一次读或写操作中，地址／数据复用总线上先出现地址，后出现数据。写操作时，当片选信号CS有效时，地址锁存信号AS的下降沿将AD0～AD7上的数据锁存作为地址（AS高电平的宽度PWASH不小于45 ns时，锁存地址有效）；随后读写信号R／W为低电平（低电平宽度PWEH不小于90 ns），在R／W的上升沿将AD0～AD7上的数据写入DSl2CR887，在R／W的上升沿要求AD0～AD7的数据稳定时间不为小于70ns（即tdsw》70 ns），通过上述时序，才完成一次写操作。读操作同样首先将数据线（AD0～AD7）上的信号锁存为DS12CR887需要的地址，然后DS12CR887才能在AD0～AD7上输出有效数据。

　　在一次操作中，数据线输出数据，地址线输出地址。从这个特点出发，设想用TMS320VC33的两次操作产生的时序来完成DS12CR887的一次操作。具体思路如下：首先在TMS320VC33的数据线D0～D7上输出DS12CR887需要的地址：如果是写操作，经过一定延迟后在数据线D0～D7上输出需要写入到DS12CR887的数据：如果是读操作，则经过一定延迟后通过数据线D0～D7读人数据。

　　下面给出CPLD中的源程序，采用Verilog HDL语言编写。其中Address［5：0］分别对应A21、A20、A3、A2、A1、A0；在DSP的程序中设置总线控制寄存器为软件等待2个H1时钟周期。

　　源程序采用C语言编写，读写时钟芯片所分配地址如下：

　　 结束语

　　由于DS12CR887是地址／数据复用总线时序，与DSP的读写时序不同，所以在接口设计时对DSP、时钟芯片的时序分析就非常重要。与时钟的控制类似，此系统可以方便地控制人机接口、A／D采样、开关量等外围接口电路。DSP+CPLD系统可以搭建简单、稳定、灵活的微机保护系统硬件平台。在此硬件平台上已成功开发出微机保护系统软件．取得了良好的效果。