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摘要：介绍了断路器在线监测数据采集系统的功能特点及硬件构成，分析了采用大规模可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）实现系统的功能扩展和逻辑控制的优势，详细论述了如何利用CPLD实现CPU外围器件片选、I/O和通信功能扩展、大容量存储器的扩展。逻辑仿真及硬件调试结果表明，CPLD能很好地实现系统的逻辑功能，采集系统逻辑设计合理可行，该器件的应用既简化了电路的设计，又提高了系统的可靠性。基于CPLD＋CPU模式的系统结构必将在电力设备在线监测领域获得广泛的应用。关键词：大规模可编程逻辑器件；数据采集；断路器；在线监测本文介绍了基于大规模可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）为CPU协处理器的断路器在线监测数据采集系统，简化了系统的硬件设计，提高了系统的稳定性，并使系统维护方便，有效地实现数据采集与存储上传的并行通信，具有功能集成度高、编程方便的优点。1断路器在线监测数据采集系统基本功能1.1系统监测基本参量［1］a.监测断路器开断电流，送主CPU进行断路器触头电寿命预测计算。b.监测故障线路母线电压。c.监测断路器合5分闸线圈电流，监测电磁铁及所控制的锁闩或阀门及连锁触头等在操作过程中的工作情况。d.监测断路器合5分闸线圈电压，监测控制回路与电压是否正常e.监测断路器分5合闸时间及合5分位置。f.监测断路器动作次数统计。g.监测液压或气压机构启动次数，根据记录的启动次数，估计出机构的漏油或漏气情况。1.2采集系统实现的功能数据采集系统可实现存储、开出告警、遥信、系统自维护、网络通信及可扩充功能。2系统硬件工作原理及结构框图数据采集系统结构框图如图1所示。系统基于TI公司的数字信号处理DSP（DigitalSignalProcessing）芯片TMS320F206为CPU进行设计。该芯片采用改进的哈佛结构，四级流水线操作，具有6条总线，极大地提高了数据处理能力。通过程序、数据空间分离，可同时进行程序指令的存取，提供高度并行性。以CPLD器件作为DSP的协处理器，完成DSP外围器件扩展和逻辑控制操作。DSP采用外部32MHz晶振。2.1外围器件扩展a.存储器扩展。外部全局数据存储器（CY7C1021）32kB，占用数据空间8000H～FFFFH。局部数据存储器64kB，数据存储空间范围为0000H～FFFFH。通过DSP的/DS和/BR引脚经CPLD编码输出确定访问外部全局或局部数据存储器。扩展程序存储器32kB用于存储程序，占用程序空间0000H～8000H。扩展非易失性存储器DS1270YA/B为大容量存储器。b.多路转换和A/D。A/D转换芯片MAX125为高速、多通道数据采集系统芯片，自带采样保持。具有14bit转换精度，最高采样速率可达250kbit/s，单通道转换时间3μs，能满足在线监测每周期100点采样的要求。多路转换开关选用Dallas公司的双4选2多路转换开关DG409。c.扩展时钟芯片$936!HHE作为时钟，记录系统工作时间，并定时和主处理板校准时钟。d.看门狗电路。采用=LME?N芯片完成系统故障复位功能。e.串行EEPROM扩展芯片采用AT25640芯片存储定值，并可进行定值在线调整。f.先进先出FIFP（FirstInFirstOut）。采集系统和主处理系统采用并行通信方式，选用IDT7202A芯片，它基于先进先出，内部带双口SRAM，并带有内部读/写计数器。读/写相互独立操作，且可进行同步和异步通信。它利用空和满标志位防止数据的下溢和溢出，其容量为1024×9bit。g.通信接口部分包括CAN网和主处理板的通信，留RS-485和RS-232为通信备用接口。2.2采集系统工作原理每个数据采集系统对应-路模拟量和32路开关量输入的数据采集处理，同时带有64路开关量输出。当系统正常工作时，模拟电量数据采用每周期采样36点，故障状态下采用100点采样。在系统初始化、自检完成后，DSP内部定时器定时通过CPLD始能4片多路转换开关，同时给地址，选通多路转换开关，8路模拟量选通。然后，DSP通过CPLD给出A/D片选转换信号，开始A/D转换。MAX125完成32路模拟量A/D转换共需要96μs。每个采样间隔200μs，这样CPU用余下的104μs完成数据的处理。系统通过主CPU和其他采集系统发来的故障启动同步信号SY和本系统采集数据及串行EEPROM中定值比较产生故障处理中断，开始100点采样。通过主CPU发的同步采集信号实现数据采集同步。采样数据通过FIFO及时上传给主处理板CPU进行数据处理。CPU经CPLD发开关量选通信号到开关量输入板，选通每组16路开关量输入，64路开关量输入分4次经CPLD送数据总线，经采集板DSP处理后由FIFO送主处理板进行数据处理。CPU发出的开关量输出经CPLD发送给开关量输出板。主CPU和采集系统通过9/:网定时校准系统时钟。采集系统可独立和人机接口通过RS-485，RS-232通信。3CPLD在数据采集系统中的应用本数据采集系统，为了对多种参量的数据采集监测并能及时可靠地进行开关量输出，必须具备快速的数据采集处理和大容量的数据存储及完备的通信功能。应用CPLD［2］设计本系统的硬件有以下几点优势。a.CPLD逻辑功能强大，可方便地实现地址译码、复杂状态机、定时/计数器、存储控制器、DMA控制器等I/O密集型应用，且具有方便地配置外部ROM、时延可预测等特性。b.编程方式简便、先进。可方便地通过软件编程实现各种逻辑器件的功能。c.高速CPLD的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，特别适合在线监测领域的应用。d.高可靠性，几乎可将整个系统下载于同一芯片中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。在本系统中CPLD器件集接口芯片和译码电路的功能于一身，极大地减轻了CPU的工作负担，降低了系统硬件设计的复杂性，提高了系统的可维护性，使采集系统逻辑控制简单合理，装置结构紧凑，更利于安装调试。3.1应用CPLD的设计思想应用CPLD的设计思想是用软件设计替代硬件设计，设计和调试的方式为自顶向下（Top-down）。它的最底层设计工具是硬件描述语言VHDL/AHDL，同时可在高层利用CPLD的软件开发工具中包含的元件库进行电路图形设计。在设计次序上，先进行系统层次上的设计，待仿真调试通过后，再将系统按功能进行划分，然后分别进行设计和调试。3.2CPLD实现片选和大容量存储器扩展功能系统中CPU扩展了多种外围设备，传统的3-8译码器提供的片选线只有8根，要实现较多的外围器件的片选功能则必须增加3-8译码器的数量，这无疑会增加板子上器件的数量，影响元件布局的合理性。7192E提供的最大可用I/O端口数为124个，因而可方便地实现各个器件的片选功能。同时本系统扩展了大容量的数据存储器芯片。以扩展CPU芯片为例，由DSP可寻址外部全局数据存储空间为32k个字，每2片DS1270Y/AB芯片构成一组2M字空间，每组可划分为64个32k字的空间。DS1270Y/AB芯片的地址线为21根，可用低15根低位地址线访问每个小块32k字内部的数据空间，用高6位地址线和CPLD的I/O相连实现64个小存储块的块选择。3.3CPLD实现CPU的I/O扩展功能针对64路开关量输入，通过7192E芯片的16个I/O口接收16路开关量输入，由另外4个I/O口发选通信号，选通开关量输入板上的三态缓冲器SN74LS244，每个信号选通一组16路开关量输入。3.4CPLD实现通信控制功能本系统通信接口扩展了CAN网通信，还保留RS-485和RS-232作为备用通信接口。RS-485和RS-232标准在传送数据时是串行传送，而CPU处理的数据是并行数据，所以必须把数据进行串并转换，这就要求CPU扩展可编程串行接口芯片8251。而CPLD器件可方便地通过软件编程实现8251的功能。4CPLD的软件实现本系统的CPLD软件采用硬件描述语言VHDL［3］，从系统的整体功能出发，自上至下（Top-Down）的逐步将设计内容细化实现各种器件的逻辑控制功能。使用的软件为Altera公司出品的Maxplus2。整个程序包括，Use定义，包含了一些标准定义库文件。Entity定义，定义了用到的端口的名称，输入/输出状态和数据类型名字。Architecture定义区，具体指明了CPLD的行为，即定义了它应该完成的具体功能。5结束语高压断路器在线监测系统要求监测大量的电流、电压等模拟量和非电量，同时包括开关量输入及开关量输出的控制处理。所以数据采集部分是工作的核心部分，采集系统本身要求能完成数据采集、存储、通信、系统自我维护等完备的功能。本文设计的基于CPLD为DSP协处理器的断路器在线监测数据采集系统既简化了系统软硬件设计，提高电路的稳定性和可靠性，又可保证数据采集的快速实时，提高了采集系统的性能。基于CPLD+DSP的系统结构必将在电力设备在线监测领域获得更为广泛的应用。参考文献：［1］苑舜.高压开关设备状态监测与诊断技术［M］.北京：机械工业出版社，2001［2］潘松，王国锋.基于EDA技术的CPLD/FPGA应用前景［I］.电子与自动化，1999，（3）：3-6.［3］候伯亨，顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2001.(中国开关电器网)