1、微机保护装置硬件的核心是微处理器。微处理器的选择遵循以下原则：一是速度，二是功能，三是通用性，四是工作环境。微处理器的速度选择以能在两个相邻采样间隔内完成必要的工作为准，并不是在任何情况下位数越高越好。随着大规模集成电路的发展，微处理器正在向两个方向发展：一方面，往功能强的方向发展；另一方面，在同样的集成度下，不集成高功能的快速的微处理器，而是把许多其它功能如AD转换、通信接口、定时器等集成在一个芯片上，往功能 全的方向发展。为了便于购买和升级换代，一定要选择大公司的主流芯片。由于继电保护对可靠性、安全性要求很高，再加上保护装置工作环境恶劣，所以，要尽可能选择工业级的嵌入式微处理器。目前，国内
2、外微机保护装置所用的微处理器有两大类：一类是单片机；另一类是数据处理芯片。下面予以分别介绍。单片微型计算机简称单片机它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU，随机存取存储器RAM、只读存储器ROM或可擦除只读存储器EPROM、IO接口电路、定时器计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器（Single Chip Microcontroller）。目前国外已开始把它称作单片微型计 算 机（Single Chip Microcomputer）。单片机出现的历史并不长，它的产生与发展和微处
3、理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段：第一阶段：（19711974年）：1971年11月美国INTEL公司首先设计成集成度为每片上有 2000只晶体管的 4位微处理器 Intel 4004，并且配有随机存取存储器 RAM、只读存储器ROM和移位寄存器等芯片，构成第一台MCS-4微型计算机。1972年4月INTEL公司又研制成了功能较强的 8位微处理器Intel 8008，在此期间 Faircnild公司也研制成F8微处理器这些微处理器虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。第二阶段（19741978年）：初级单片机阶段。以INTEL公司的MCS48为代表。这个系列的单片机内集成
4、有8位CPU、并行IO口、8位定时器计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。第三阶段（19781983年）：高性能单片机阶段。在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器计数器、片内RAM、ROM容量加大，且寻址范围可达64K字节，有的片内还带有AD转换器。这类单片机有 INTEL公司的MCS51，Motorola公司的6801等。由于这类单片机的应用领域极其广泛，各公司正在大力改进其结构与性能。第四阶段（1983年以后）：8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不
5、同的用户需要。一单片机的应用单片机问世以来，应用日趋广泛，性能不断地改善和提高，在许多应用场合取代了现有的微型计算机系统，但其性能价格比却更为优越，体积也大为减小。单片机的潜在能力愈来愈为人们所注意。按照单片机的特点，它的应用可分为单机和多机应用两种。（1）单机应用 在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式，单片机应用的主要领域 l）测控系统。用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。例如，温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统、车辆检测系统、机器人轴处理器等 2）智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向
6、数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表及智能电度表等。通过采用单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。 3）机电一体化产品。单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机、电一体化产品。例如，在电传打字机的设计中由于采用了单片机，取代了近千个机械部件；在数控机床的简易控制机中，采用单片机可提高可靠性及增强功能，降低控制机成本。 4）智能接口。在计算机系统，特别是较大型的工业测、控系统中，如果用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机并行工作，可以大大提高系统的运行速度。例如，在大
7、型数据采集系统中，用单片机对模数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处理，如数字滤波、线性化处理、误差修正等。（2）多机应用单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。 1）功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。例如，一个加工中心的计算机系统除完成机床加工运行控制外，还要控制对刀系统、坐标指示、刀库管理、状态监视、伺服驱动等机构。 2）并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题，以便构成大型实时工程应用系统典型的有快速并行数据采集、处理系统、实时图像处理系统。 3）局部网络系统。单片机网络
8、系统的出现，使单片机应用进入了一个新的水平。目前单片机构成的网络系统主要是分布式测、控系统单片机主要用于系统中的通信控制，以及构成各种测、控用子级系统。随着应用的进一步深入，8位单片机已不能满足需要。例如，MCS-51系列单片机（8位单片机）只能用于速率为300波特的马达控制，对速率为2400波特新型马达的控制就显得无能为力了。又如，每秒100200个字符的打印机，可用MCS-51系列单片机加以控制，但每秒200400个字符的打印机控制则需要性能更强的16位单片机，如 MCS-96系列单片机。MCS-96系列的16位单片机是功能较强，性能优良的单片机。目前国内很多继电保护装置都采用此类单片机。
9、二单片机（MCS-96系列）的主要性能特点： (1)16位的 CPU（中央处理器）该CPU在结构上最大特点是：没有采用习惯的累加器结构，改用寄存器寄存器结构，CPU的操作直接面向256字节的寄存器空间，消除了一般结构中存在的累加器的瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。16位CPU支持位、字节和字操作，在部分指令中还支持32位双字操作，如：32位除以16位。 (2)高效的指令系统该指令系统可以对不带符号数进行操作，有16位乘16位和32位除以16位的乘除指令，有符号扩展指令，还有数据规格化指令（有利于浮点计算）等等，这些是它优于MCS5l指令系统之处。MCS96的很多指令既可用双操作数，也可
10、用3操作数。后者包括2个源操作数和 1个目的操作数，指令执行后2个源操作数的值不变这样就大大提高了编程的效率。当采用 12MHz外接晶体时，一条指令的最短执行时间为 1s，16位乘16位乘法指令和32位除以16位除法指令的执行时间只有625s。 (3)10位A/D转换器在 96系列部分产品中，有一个8通道或4通道的10位AD转换器，使得这些型号产品特别适用于多路数据采集系统、智能仪器、控制系统等应用领域。A/D转换周期为22s (4)脉宽调制输出作为 D/A转换器输出，96系列单片机可以直接提供脉宽调制信号，某些电机可以用它直接驱动。脉宽调制输出信号经过积分就可以获得直流输出。D/A转换器的分
11、辨率为8位。脉冲周期为64s（12MHz）。 (5)全双工串行口96系列单片机具有与MCS5l兼容的全双工串行口。这个串行口有4种操作模式，使它方便地用于I/O扩展、与CRT终端等设备进行通信以及多处理机通信。串行口可利用内部的专门的波特率发生器。 (6)高速输入/输出器高速输入器可以相对于内部定时器产生的实时时钟，记下某个外部事件发生的时间，共可记下8个事件；而高速输出器可以按规定的时刻去触发某一事件，任何时候都可以悬挂起8个事件。“高速”意味着这些功能是自动地（相对于定时器）实现的，无需CPU的干预。 (7)5个8位标准输入/输出口除了上述高速输入/输出器之外，96系列单片机还有5个8位I
12、/O口。其中某些口是多用途的。 (8)8个中断源8个中断源对应有8个中断矢量，而有些中断矢量又对应着多个中断事件，共对应20种中断事件。 (9)16位监视定时器软 硬 件 发 生 故 障 时 ， 监 视 定 时 器（Watchdog timer）将使系统复位，提供了一种软硬件故障的恢复能力。 (10)可动态配置的总线在运行过程中，96系列单片机的总线可以动态地配置成8位的或16位的，以便适应对外部寄存器进行字节操作或字操作的不同需求。 (11)8K/16K字节的内部ROM96系列单片机寄存器的空间为64K字节，在带内部ROM的芯片中，内部ROM的容量为8K字节或16K字节。内部ROM/EPRO
13、M可以加密，并可在运行中对EPROM编程。 (12)256字节的寄存器阵列和专用寄存器其中232字节为内部寄存器阵列，它兼有一般微处理机中通用寄存器和高速RAM的功能。另外24字节为专用寄存器。 (13)2个16位定时器其中定时器1在系统中作实时时钟用，系统运行时，不停地循环计数。定时器2根据外部引脚的触发信号而计数，实际上是一个外部事件计数器。 (14)4个软件定时器4个软件定时器受高速输出器控制，到达预定时间时，设置相应的软件定时器标志，可以激活软件定时器中断。DSP是英文Digital Signal Processor的缩写，即数字信号微处理器的意思。DSP芯片专门用于完成各种实时数字信
14、息处理。它首先是建立在数字信号处理（Digital Signal Processing）的各种理论和算法的基础上的。在60年代和70年代是数字信号处理技术的理论研究阶段，在此阶段的最具代表性的著作是美国A.V.Oppenheim（A.V.澳本海姆）和R.W.Schafer（R.W.沙佛）写的Digital Signal Processing，这是数字信号处理的经典著作。80年代初，随着微电子技术的发展而出现了DSP器件，这些器件的出现使得各种数字信号处理的算法得以实时实现。实际上，DSP器件不仅使数字信号处理从理论研究发展到实际应用，还从信号处理领域拓宽到系统控制领域，从而诞生了一大批新型的电
15、子产品。数字信号处理只有50年的历史，主要发展历程是：5060年代：在通用计算机上进行算法的研究和处理系统的模拟与仿真。受速度、成本和体积的限制，实时数字信号处理系统还只是美好的愿望。信号处理基本上都是模拟的方法。70年代：经典的DSP。69年提出的快速付氏变换FFT、数字滤波、频谱分析，可采用通用计算机实现。80年代：现代DSP。采用哈佛结构，即将程序指令与数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线。90年代：先进的流水线、并行指令、超大规模集成电路VLSI的实现。一DSP的应用随着DSP技术的迅速普及，应用DSP器件的电子产品除了为今天的信息高速公路奠定基础外，也迅速地应用到其它领域。下
16、面是DSP的一些典型应用。 (1)通用数字信号处理。 数字滤波 、卷积算法、相关算法、卡尔曼滤波、FFT、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数、波形生成。 (2)通信。高速调制解调器、编/解码器、自适应均衡器、传真、蜂房网移动电话、数字留言机、语音信箱、回音消除、电视会议、扩频通信。 (3)声音/语音信号处理。 语音信箱、语言识别、语音鉴别、语音合成、文字变声音、语音矢量编码等。 (4)图形/图象信号处理。 三维图形变换处理、机器人视觉、模式识别、图象增强、动画、电子地图、桌面出版系统。 (5)控制。 磁盘/光盘伺服控制、激光打印机伺服控制、机器人控制、发动机控制、电机调速、无刷直流电机。 (6)
17、仪器。 谱分析、函数发生、波形发生、数据采集、暂态分析、模态分析、石油/地质勘探、飞行器风洞试验等。面对DSP的巨大的市场和广阔发展前景，世界上最大的几个半导体公司都在DSP上开展竞争。如美国TI公司（Texas Instruments美国德州仪器公司）、ADI（Analog Devices Inc.美国模拟器件公司）、Lucent Technologies Microelectronics、Siemens Semiconductor等公司都在全力开发和生产DSP器件。 与模拟信号处理相比，数字信号处理有如下特点： 1）可程控：可以只设计一个硬件配置，然后设计各种软件来执行多样的信号处理任务。
18、如一个数字滤波器，可以通过重新编程来完成低通、高通、带通和带阻等不同的滤波任务； 2）稳定性好：没有时漂、温漂的问题； 3）可重复性好：无论多少台计算机计算同一序列的和，都会提供一模一样的结果。而模拟电路则不可能； 4）易于实现自适应算法； 5）大规模集成：DSP就是基于大规模的集成电路。二DSP的性能特点 随着微电子技术的迅速发展，目前的DSP器件的性能已比第一代产品提高了几个数量级，最新的DSP具有如下的特点： 1） 在单个指令周期内完成乘法/累加运算； 2） 速度达到101103MIPS(每秒百万指令million instruction per second)的定点运算； 3） 指令中
19、有循环寻址、位倒序等指令； 4） 数据交换达到每秒数百兆字节的传输速率，主要是受片外存储器速度的限制； 5） 并行性：TI公司的TMS 320C6X带有8个功能单元，使用超长指令字(VLIW，Very Long Instruction Word)，这种32bit定点运算DSP在每个周期内可以完成8个操作，运算速度可达2000 MIPS，如果片外存储器能够支持，其DMA的数据传输能力可以达到800 Mbyte。 6） 多处理器结构：TMS320C40设置6个8 bit 的通信口，既可以作级联，也可以作并行连接，每个口都有DMA能力； 7）DSP在片上设置仿真模块或仿真调试接口。Motorola的
20、DSP设置OnCE(On-Chip Emulation)功能块，用特定的电路和引脚，使用户可以检查片内的寄存器、存储器及外设，用单步运行设置断点、跟踪等方式，控制与调试程序。TI则在其TMS320系列芯片上设置了符合IEEE 1149标准的JTAG(Joint Test Action Group)标准测试接口及相应的控制器，不但能控制和观察多微处理器中每一个处理器的运行，测试每一块芯片，还可以用这个接口来装入程序。在PC机上插入一块调试插板，接通JTAG接口，就可以在PC上运行一个软件去控制它。目前国内已出现以32位DSP为核心芯片的微机保护装置。下面以TMS320C54X系列DSP为例说明其
21、主要硬件特点。 (1)CPU芯片 先进的多总线结构。有一个程序总线，三个数据总线，四个地址总线。40位的算术逻辑单元（ALU），包括一个40bit的桶形移位器和两个独立的40-bit的累加器（ACC）。 (2)存储器192k16bit可寻址存贮器空间（64k的程序，64k的数据，64k的I/O口空间）。C548可扩展到8M字程序存贮器空间。 (3)指令集有单指令循环和块循环操作；有块存储器搬移指令，更便于程序和数据管理；32-bit长操作数指令；同时读取2操作数和3操作数指令； (4)有四种类型的串行口。即标准同步串行口，缓冲串行口和时分多路串行口。 (5)16个中断源。 (6)有四种节电模式。这几种模式可以使CPU暂时处于休眠状态。这时的功耗比正常模式要低，但能保持CPU的内容，在恢复正常供电后CPU能继续正常工作。 (7)仿真有IEEE1149.1标准边界扫描逻辑与片内扫描逻辑接口。该接口可在不占用任何用户资源的情况下，通过主机查询器件内部的状态，方便用户调试。 (8)速度单周期为25/20/15/12.5/10ns执行时间，定点指令为40/50/66/80MIPS。
