微处理器dsPIC33F在微机保护装置中的应用

1 引言
随着电网供电负荷的日趋加重，电力系统对微机保护装置提出更高要求，一般低档单片机已很难满足设计要求。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，使得DSP器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户所接受 Microchip公司推出的数字信号处理器dsPIC33F集A/D转换、通讯、看门狗、保护和数据存储于一体，同时还支持SPI模式和I2C模式数据传输，便于扩展容量。因此，开发基于dsPIC33F的微机保护装置，不仅提升保护系统的整体性能和硬件平台的通用性，而且还能缩短开发时间，降低开发及硬件成本，对提高电力系统的稳定运行水平具有一定意义。

2 数字信号控制器dsPIC33F系列简介
dsPIC33F系列是高性能16位数字信号控制器，具有扩展的数字信号处理器(DSP)功能和高性能16位微控制器 (MCU)的架构。它是一种16位改进型哈佛结构RISC器件，融合了高性能16位单片机的控制优势和数字信号处理器的高速运算能力，是一款高性能的数字信号控制器(DSC)。dsPIC33F系列器件具有以下性能特点：
(1)DSP内核和指令系统dsPIC33F的DSP引擎具有1个高速的17位×17位的乘法器，1个40位的ALU，2个40位的饱和累加器以及1个 40位的双向移位器，其运算速度可达40 MI／s，指令字为24位，指令系统包含MCU指令集和DSP指令集。此外，这些指令对C语言编译器做了专门优化，采用C语言编写的程序代码效率很高。 dsPIC33F允许工作电压±10％的偏差，即工作电压为3．0～3．6 V。
(2)直接存储器访问(DMA)和中断能力dsPIC33F内部集成了8通道直接存储器访问模块，允许CPU执行代码期间在RAM和外设间传输数据，不额外占用周期。2 KB双端口DMA缓冲区(DMA RAM)，用于存储通过DMA传输的数据。可通过软件对DMA中断源进行设定，从而达到设计要求。dsPIC33F含有最多由118个区分优先级的中断向量组成的异常处理结构，中断优先级分为7级。最多67个中断源，5个外部中断和5个处理器异常。
(3)存储空间和外围器件程序计数器为23位宽，可寻址4 Mx24位的程序存储空间。对于DSP指令分别对2个数据区进行寻址；而MCU指令，数据空间可以整体作为64Kx8位进行寻址。dsPIC33F内部集成SRAM和Flash等必需的存储器件，提供10 bit和12 bit A／D转换模块(可选)，8 bit看门狗，以及UART、SPI、I2C、CAN等通信模块。
(4)开发工具Microchip高性能开发系统支持dsPIC33F系列控制器。该开发系统包括MPLAB集成开发环境(IDE)、MPLAB C30 C编译器、MPIAB SIM 30软件仿真器、MPIABICD 2在线调试器及MPLAB ICE 4000在线仿真器。dsPIC33F系列数字信号控制器还配备一系列的应用库。

3 dsPIC33F在微机保护硬件系统中的应用
该装置按功能分为CPU模块、交流插件、数字量I／O微机保护、通信、人机接口单元和电源单元。通信接口直接与上位机或通信管理机连接，人机接口采用 128x64点阵式液晶显示器和专用键盘，显示信息量大，操作方便，硬件设计框图如图1所示。该微机保护装置具有16路开入量，16路开出量，15路模拟量，CPU模块原理框图如图2所示。由于dsPIC33F具有强大的汁算能力和完善的控制功能，可单独完成计算、控制、通信、人机接口等功能，减少了器件数量，简化硬件结构。又因dsPIC33F内部集成RAM、Flash、A／D转换器等，使得外同扩展电路很少，进一步简化硬件结构，基本实现了总线不出芯片没计，极大提高保护装置的抗干扰性和可靠性。