单片机协处理器在电力系统中的应用

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摘要：单片机协处理器能分担主处理器的部分工作，使电力测控系统在运行速度、功能需求等性能上有明显的改善。

    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。
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    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。
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    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；javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>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。