单片机协处理器在电力系统中的应用_单片机论文
关键词：单片机协处理器 硬件略图 软件
前言
在电力测量及保护系统中，通常是由单片机构成数个乃至数十个前端处理器。它们通过串行通信与微机构成的中央处理器相连接，形成一个完整的系统，以实现对电力系统的遥测、遥信、遥调、遥控等功能。
前端处理器的核心就是单片机，从目前的情况来看，以intel公司的16位单片机80c196系列（kb、kc等）应用最广。单片机要处理的问题很多。如i/o量、a/d模数转换、键盘、通信、显示等，处理一圈所花费的时间常称之为前端处理器的运行周期。在整个系统中，前端处理器的数量较多，中央处理器对其进行巡检时会花去较多的时间。若能将前端处理器的运行周期缩短，毫无疑问能提高整个系统的运行及处理速度，使系统的性能得以改善。
被处理的各量中，以模拟量的处理较为复杂且耗时较长。模拟量的处理内容较多，如模拟量周期（即工频）的测定、模拟通道的选择（多个模拟量同一时刻选通一个）、a/d转换及存储等，有时还须采样/保持控制等。如能将模拟量交给一个协处理器去处理，势必会减轻主处理器的负担，缩短主处理器的运行周期，同时还能为增强某些功能需求创造条件。模拟量的计算通常是用傅氏算法，其精度又与模拟信号一周期内采样点的多少有关。采样点多，精度就高，但耗费的时间也多。若前端处理器采用单一的cpu，由于受到时间和模拟通道数量的限制，采样点大约在12～24点。若采用协处理器，采样点可多至30～36点，模拟通道多至16个，也同样可正常工作。由于主处理器与协处理器的软件各自独立，使得在编制软件思想清晰，容易理顺。
一、硬件
图1给出了前端处理器中采用协处理器的硬件略图（只画出有关部分）。它的主处理器仍采用了当前流行的16位单片机80c196kb（ic6），协处理器采用了w78e51单片机（ic3）。w78e51的指令及性能同89c51，只是它的工作频率可以达到40mhz。由于有两个cpu同时运行，而且它们之间还有数据交换，如何去协调它们的工作是至关重要的，这需要通过硬件和软件的设计来加强保证。
图1中，ic1是8选1的模拟通道芯片max338，若通道数量超过8，可选用max306，其通道数量可达16个。ic2为12位带采样保持功能的a/d模数变换芯片ad1674。ic4为地址锁存片74ls373，ic5为ram存储芯片6264，它们附属于ic3，作为ic3的片外数据存储器。
硬件的工作过程是：工频电压或电流经处理后（经传感器或者电压/电流互感器、放大器、滤波器等处理）变为相应的模拟信号，分别从ci1的8个输入端（in1～in8）输入，具体选通哪路则取决于a0～a2的二进制数。而a0～a2又是由ic3的p10～p12决定。被选中通道的模拟量由ic1的out输出，经跟随器后进入ic2进行a/d变换，由r/c、a0控制变换的过程，sta给出变换结束的信号，它们分别由ic3的p15～p17实施控制和测试。变换完成的数字量为12位，分两次输出，第一次为高8位（db11～db4），第二次为低8位（db3～db0，后加4个0）。这些数据经整理后依次存入数据存储器ic5中。ic3的p14是ic2的片选信号，p33是ic4、ic5的片选信号，通常为高电平，选不中。当进行a/d变换时，须先将p14置低电平，选中该片，变换完成后，再置加高电平。当向ic5存、取数据时，须通过p33进行控制，过程同上。这样，可以防止a/d变换、ic5存取数据、ic3通过p0口向ic6传送数据这三者之间的相互交叉干扰。
周期值的测量是由一模拟通道提供工频信号，经斯密特触发器至ic3的p13进行。p13相邻两次电平下降的时间隔即可周期值。
ic3的p30、p31与ic6的p10、p11构成握手信号，将存放ic5中的各量依次取出，由ic3的p0口传至ic6的p0口，并存入指定的区间，再进行傅氏运算、处理和控制。ic5中存储的数据个数是1周期内各采样点的、各通道测得的数据个数的总和。设采样点为rn，通道数为rm，再加上前述的周期值（各量均为2字节），总的字节数c=2rnrm+2。当rn=32，rm=8，则c=2×32×8+2=514字节。当少于200字节时，也即采样点、通道数较少时，如rn=16，rm=6，ic3可用w78e52代替。w78e52可以利用片内的256个ram来存储数据而省去片外的数据存储器，在硬件上更为简洁。
二、软件
图2是协处理器主程序软件框图。首先对有关的量进行说明：t0和t1是w78e51片内的两个定时器。t、ta和tb均为2字节寄存器，t用来存储测量出的周期值；ta存储两相邻采样点的时间间隔，因本例中采样点为32，将t右移5位即得ta值；tb是ta对应的溢出值，用来产生t0中断。注意：以上诸量都须机器周期来表示，本例中采用24mhz晶振，一个机器周期的时间为0.5μs。rm是模拟通道数，范围是1～8。rn是采样点数，范围是1～32。
工作过程简述如下：当p13电位下跌时，周期测试开始，到第二次p13下跌时，周期测试结束（区间为aa～ad）。两次下跌的时间间隔即为工频的周期，具有准确的跟踪特性。在周期测试开始后4μs，t0溢出产生中断，执行中断子程序，总共32次。中断子程序都是在ad～ac间执行的，也即在第一周期内所有需要测量的量都已测出。从ad往后便是第二周期，主要用来计算ta、tb的值，并将ic5内的数据传送出去。由此可见，协处理器的运行为2个周期，约40ms。应说明的是：在上电的第一个周期内，因周期值还未测出，故须对tb值先行设置。图3是中断子程序软件框图。
8个通道的a/d转换数据是先存入片内的ram。这样来得快，以减少通道之间的相差（邻近通道之间的相差约为0.4°），之后，再一次性地由片内ram转存于片外ram。执行一次t0中断子程序的时间约为256μs。当采样点为32时，时间间隔为625μs，绰绰有余。若将采样点增至36，通道增至16个，则采样点间隔约为555μs，执行中断子程序的时间约为445μs，仍有足够的余量。
软件可以用汇编语言asm51编写，也可以用对应的高级语言pl/m51或c51编写，但前者代码率高一些。
结束语
以上是协处理器的一般用法，在此基础上是否能进一步缩短运行周期和提高测量精度，是一个值得研究的课题。提高主处理器ic6和协处理器ic3的工作频率（如ic6采用16mhz，ic3采用36mhz）可以提高cpu的运行速度，以达到缩短运行周期的目的。但有两点需要注意：一是cpu的外围芯片的速度必须跟得上；二是频率提高后，辐射增强，交叉干扰变得明显。因面，在印刷电路板的设计上须谨慎处理。
提高测量精度可以从3个方面着手。一是提高a/d转换精度，采用14位a/d变换芯片。不过，位数越多，变换所需的时间也越长。这在单一cpu中因时间限制，效果不好，而在协处理器中却容易实现。这里还有一个附带的问题，目前大都采用开关式稳压电源，耗电量省，但工作频率高，噪波大，通常有5～10mv,这无疑限制了精度的提高。因而，必须有一套优良的电源滤波系统，将噪波滤到1mv以下。有时这部分的电源干扰采用串联式稳压电源，其噪波可以做到0.5mv以下。
二是采用同时式采样保持电路。在前述电路中，8个模拟通道的采样并不是同时进行而是按序进行的，后面的通道对前面的通道而言有一个时间上的滞后，这会给测量带来某些误差。常用的方法是将各模拟量的位置进行调整，将关系密切的量逐个紧排，以减少滞后带来的影响。当然，提高协处理器的速度和采用高速a/d变换器也有助于滞后的减小（可做到0.2°以内）。然而，最终解决这个问题的办法是采用同时式采样保持电路，也即在图1的ic1前加入8片采样保持芯片，并由ic3实施控制。
三是各模拟量输入通道（包括传感器或电压/电流互感器、放大器、滤波电路等）均会形成一定的附加相移。若各通道的附加相移相等，则对测量的精度不会有影响。输入工频三相电a，b，c，各相相差应为120°，由于附加相移不相等，显然会给测量带来影响，尤以测功率时明显。因而，应对各模拟通道的附加相移进行测量调整，使其尽可能相等。