在 SVG(静止无功发生器)装置中涉及到大量的复杂计算(如滤波计算、瞬时无功计算)和先进的控制手段(如矢量控制)以及诸多信号的采集和发送,使得单个 CPU 很难满足系统要求。因此采用高集成度的嵌入式处理器与 DSP 芯片组成双 CPU 系统来实现对整个系统的控制。


1 系统设计

1.1 系统的组成及原理

CPU 系统的原理图框图如图 1 所示。系统采用 80C196KC 和 ADMC401 两个芯片作为核心处理器。ADI 公司的 ADMC401 芯片是基于 DSP 的控制器,非常适于工业应用领域中的高性能控制。该芯片集成了一个高速的 DSP 内核,且其内核具有一套完备的外围控制接口,以便在高度集成的环境中快速实现控制。Intel 公司的 80C196(KB/KC)是一款高性能且价格低廉的 16 位单片机,同样适用于高速控制和需要多个外设的场合。两个 CPU 在运行时独立执行存放在不同器件中的程序,同时保持相互之间的协调工作。考虑到系统本身的复杂性,如果使用传统的 RAM、ROM 和逻辑译码器件分离的系统接线方式,必定会使得整个控制电路过于庞杂,给调试带来很大困难,同时也降低了系统的稳定性。因此,该系统用到了可编程系统外围接口器件 PSD 产品中的 PSD4235 和 PSD311。它们分别作为两个 CPU 的外部扩展器件,并和 CPU 组成一个双 CPU-PSD 系统(简称双 CPU 系统),如图 1 所示。两个 CPU 间的相互通信采用了双口 RAM(IDT7132),通过它可以顺利实现两个 CPU 之间的数据传输。键盘管理部分用 82C79 接口芯片。输出显示部分用以 SED1520 为驱动芯片的 MGLS-12032A 液晶模块(LCD)。系统中专门增加了额外的串行 E2PROM,主要用于掉电时数据的保护以及记录部分操作参数。此外,组成系统的还有 WATCHDOG 电路、UART 电路等。它们在系统中的资源分配、功能实现都是通过对控制器的软件编程来完成。下面将详细介绍各部分的接口电路设计以及相应的工作原理。

 

1.2 80C196KC 部分设计

 

 

16 位的 80C196KC 芯片是 Intel 公司 MCS-96 系列单片机中重要的新成员,也是目前该系列单片机中性能最强的产品之一,在各类自动控制系统、数据采集系统和高级智能仪器中都有广泛的应用。80C196KC 芯片的特点如下:振荡信号频率达 16MHz,指令的运算速度更快,16 位乘法 1.75μs,32 位除法 3.0μs;8 个 A/D 通道,可以方便地实现被控对象多点电压和电流采样;通过 CPU 的串行口可实现与上位 PC 机之间的通信;新增 100H~1FFH 内部 RAM,在垂直窗下具有更灵活的运用;具有三路脉宽调制(PWM)输出;在 80C196KB 的基础上又增加了 5 条(KB 已经增加了 6 条),使程序编制更加方便;16 位多路复用地址数据 / 地址线可以与 PSD 直接接口,同时通过锁存器后,可将地址和数据分别接至双口 RAM,实现多个 CPU 之间的数据传输等。详细的性能参数和特点请参见文献[1~2]。在双 CPU 系统中,80C196 主要完成的功能有键盘控制、显示输出、数据保存、信号传送等。由于涉及的内容复杂,而且还需要与很多外围接口,所以用到了大容量、多端口的 PSD4000 系列芯片与它配合,图 2 所示即为 80C196KC 部分的电路图。

 

 

系统中外部扩展了串行的 E2PROM 电路,用来存放系统的一些固定参数等,使用的芯片是 Atmel 公司的 AT24C02。它只需通过 80C196KC 的高速输入、输出通道(HIS 和 HSO)产生连续的高低电平序列,便可实现与 CPU 之间的数据传输。从硬件的角度来看,该芯片不占用任何数据总线,连接简单且节约大量系统资源。

 

1.3 ADMC401 部分设计

ADMC401 芯片是一个基于单片 DSP 的控制器,适合工业应用领域中高性能控制。该芯片集成了一个 26MIPS(13MHz 晶振)定点内核 ADSP-2171,单条指令执行时间为 38.5ns,其编码与 ADSP-21xxDSP 系列完全兼容。内核具有一套完备的外围控制接口,以便在高度集成环境中快速实现对元器件的控制;它还包含三个计算单元、两个数据地址发生器和一个程序定序器。其中计算单元包含一个算术逻辑单元 ALU、一个乘法 / 累加器(MAC)和一个桶式移位器。内核还增加了位操作、平方、四舍五入和全局中断屏蔽等指令。除此之外,ADMC401 芯片包括两个灵活的双缓冲器、双向的同步串行口。图 3 为 ADMC401 的功能框图。ADMC401 芯片提供 2K×24 位的内部程序存储器 RAM、2K×24 位的内部程序存储器 ROM、1K×16 位的内部数据存储器 RAM、1 个高性能 8 通道 12 位模数转换 ADC 系统(它能经过 4 对输入实现双通道同时采样)、1 个三相 16 位中心对称的 PWM 发生器(能以最小开销产生高精度的 PWM 信号)、1 个灵活的增量编码器接口单元、2 个可调频的辅助 PWM 输出、12 条 I/O 数字信号线、1 个双通道事件捕获系统、1 个 16 位看门狗定时器、2 个 16 位内部定时器等。

 

 

PSD3XX 芯片内部同样提供了许多应用系统需要的全部元件和外围。对于 8051、80196 和 68HC11 等微控制器来说与 PSD 相配合是极为有用的。ADMC401 与它结合同样非常有效。考虑到 ADMC401 内部程序的长度以及接口并不象 80196 控制器那么多(80196 需要完成人机界面实现、信号传送、外围器件接口等),所以采用 PSD311(现有价格最低的 3 系列产品)。ADMC401 芯片的引导程序装载可以通过两个引脚 MMAP 和 BMODE 的各种不同状态产生。如果引脚 MMAP 和 BMODE 电位都为 0,那么 ADMC401 芯片工作在所谓的 EPROM 引导程序模式,其中被称为“引导存储器”的专用外部存储空间将允许芯片和字节宽度的 EPROM 相连,并在上电时通过存储器接口从外部装载程序;如果引脚 MMAP 和 BMODE 设置为其它电位将会产生不同的引导模式;另外,401 芯片有一个专门的低电平有效信号 -- 引导存储器选择 BMS(Boot Memory Select)简化了引导存储器的接口。以上这些功能极大地方便了 ADMC401 与 PSD 接口。

 

图 4 为 ADMC401 与 PSD311 的接口电路图(图中还包括了一些其它外围)。ADMC401 与 PSD311 的连接几乎和它与标准的 EPROM 连接一样简单。由于总线的通路布在 ADMC401 内部,PSD311 的 8 根数据线并不与 ADMC401 的 D7~D0 相连,而是与 D15~D8C 相连。还要注意,地址的最高位由 ADMC401 的 D22 线提供(在 ADMC401 中没有 A14 地址线)。BMS 信号充当 EPROM 的片选并与 PSD311 的 A19 输入相连接。A19 在 PSD 的程序里将被定义为芯片使能信号。ADMC401 生成低有效读和写选通脉冲,它们与 PSD311 的 RD 和 WR 输入相连。这些选通脉冲在传输中用来选通 PSD311 的 EPROM 和 RAM。ADMC401 有 2K×24 位的内部程序存储空间。在采用 EPROM 引导程序模式时(MMAP=0,BMODE=0),外部程序通过 ADMC401 内部的定序器按照 24 位命令格式一次性全部下载到其内部程序存储空间。当然应用程序可能大于 ADMC401 内部程序存储空间,不过程序如果执行到后面的代码,ADMC401 会自动重新引导。引导程序存储器由八页组成,每页 8K 字节长。

 

一页中除了第一个字节外每隔三个字节是一个空字节,第一个字节是该页的长度,在两个相邻空字节中每组三个字节包含一个要装入 DSP 内部程序存储器的 24 位指令。也就是说 2K×24 位的内部程序存储空间需要 8K×8 位的外部存储空间。在 ADMC401 的开发工具中有一个程序存储器 PROM 分配器实用程?quot;SPL21.exe“。它为用户程序计算正确的页长度,并且根据适当的协议为用户程序的字节排序,极大地方便了程序代码的生成。这些生成的代码可以直接写入 PSD311。

 

 

2 80C196KC-ADMC401 两片系统在 SVG 装置中的应用

SVG(Static Var Generator)-- 静止无功发生器也被称为 STATCOM(Static Synchronous Compensator),是灵活交流输电系统 FACTS(Flexible AC Transmission System)技术中一个重要的基础部件。虽然 SVG 装置的成本要高一些,但其灵活的动态调节特性、优越的补偿效果以及更小的设备体积都是其他无功补偿装置不能比拟的。很多文献资料对 SVG 装置的原理和研制都有介绍。图 5 为两片系统的 SVG 装置结构图。

 

 

系统共分为三个主要部分。第一部分是由 80C196KC-ADMC401 两片系统构成的检测控制部分。80196 主要负责人机界面的完成以及向上位机发送信号等功能。ADMC401 的高速流水线式的 8 路 A/D 采样端口也为电压电流的快速采集提供了保证,同时 ADMC401 还要完成数字滤波计算、无功计算、PWM 控制信号的产生发送等功能。第二部分是由 IGBT 模块构成的逆变电路。SVG 装置的关键部件就是它的逆变桥路部分,而 ADMC401 集成的专用 6 路 PWM 波发生器正好提供了灵活的控制方法。此外,逆变电路部分采用富士电机最新推出的 R 系列 IGBT-IPM 模块 7MBP100RA-120。

 

它将过去的 IGBT 单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块中,极大地提高了实际应用系统的稳定性,简化了设计的难度,缩小了装置的体积。第三部分是由电力二极管构成的全波整流电路。整流电路采用日本富士公司的三相全波整流模块 6RI100G-160。主要将三相线路上的交流电压变为直流输出,从而维持直流电容两端电压的稳定,为逆变电路提供一个直流电。这样避免了要轻微改变逆变器的触发工作角来达到提高和稳定电容上电压的情况。电流的检测是利用 KT100-P 型电流传感器完成,电压的检测是利用 CHV-50P 电压传感器完成。输出显示部分是用以 SED1520 为驱动芯片的 MGLS-12032A 液晶模块。以上各部件功能都是通过对 ADMC401 数字信号处理芯片和 80C196KC 软件编程实现。 80C196KC 和 ADMC401 组成的两片系统,应用范围相当广泛,非常适合计算量大、多外设、高速度的场合。