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微機保護的硬件平臺一般由以下多個功能模塊組成：(1)CPU與存儲器接口；(2)定時計數(shù)器；(3)中斷邏輯；(4)串并行通信接口；(5)實時時鐘；(6)看門狗電路；(7)顯示控制電路；(8)數(shù)據(jù)存儲器；(9)固態(tài)盤或存儲器A(程序)；(10)固態(tài)盤或存儲器B(報告)；(11)固態(tài)盤或存儲器C(整定值)；(12)開關(guān)量光隔輸入；(13)開關(guān)量光隔功放輸出；(14)工業(yè)局域網(wǎng)接口三相繼電保護測試儀
隨著集成電路和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以及嵌入式應(yīng)用的日益廣泛，許多器件廠家將功能模塊1～7集成到一個芯片中，而工控機廠家在此基礎(chǔ)上，將模塊8～9甚至14進一步集成到STD、PC/104、VME武漢智能星電氣有限公司等總線工控機的主板或單板工控機上，基本上實現(xiàn)了“總線不出板”，大幅度提高了系統(tǒng)的性能和抗干擾能力，為微機保護裝置整機性能和可靠性的增強奠定了良好基礎(chǔ)。
本文就處理器、開發(fā)方式及存儲空間、數(shù)據(jù)采集、通信方式的現(xiàn)狀及今后的發(fā)展趨勢做簡短的分析和比較。
1. 處理器
目前主要有3類處理器可供高性能微機保護裝置選用，即DSP、RISC和X86 3類器件。
DSP器件的突出特點是計算能力強、精度高、總線速度快、I/O吞吐量大，尤其是采用專用硬件實現(xiàn)定點或浮點的乘加(矩陣)運算，極大地縮短了數(shù)字濾波、濾序和傅氏算法的計算時間，有助于保護動作速度的提高。目前，針對嵌入式應(yīng)用的需求，DSP器件廠家在提高器件集成度、簡化系統(tǒng)設(shè)計的同時大幅度降低了價格，以期替代單片機(MCU)占領(lǐng)嵌入式應(yīng)用市場，這為繼電保護廠家提高保護裝置性能，進行產(chǎn)品更新?lián)Q代提供了一個非常好的物質(zhì)手段。就上述2種方案而言，較為理想的DSP器件有TI公司的TMS 320C30/31/32和AD公司的ADSP 210C60/62 2類32位浮點器件，其中TMS320C30有系統(tǒng)和外設(shè)2條總線，使運算和I/O可同時進行、互不影響。
RISC器件一般具有較高的主頻和很強的運算能力，由于其集成度和性能價格比的提高，不僅被應(yīng)用于要求較高的計算環(huán)境，而且廣泛出現(xiàn)在各種投資類和消費類電子產(chǎn)品中，日本的一些電氣廠商如三菱、日立、東芝等，也都利用RISC器件開發(fā)其繼電保護產(chǎn)品。在這類器件中，日立公司SH?3系列中的7718(32位)和SH?4系列中的7750(64位)、IDT公司的79R3081(32位)和79640(64位)，武漢智能星電氣有限公司以及IBM和Mrtorola的Power PC系微機繼電保護測試儀列，DEC Alpha系列中的部分產(chǎn)品，由于兼有嵌入式設(shè)計和出眾的浮點計算能力，因而能夠較好地滿足微機保護的要求。然而RISC器件由于主頻較高、系統(tǒng)設(shè)計和制造較單片機(MCU)復(fù)雜、開發(fā)工具有國內(nèi)不普及等原因，武漢智能星電氣有限公司目前還不易為繼電保護廠家所接受。隨著其在消費類電子產(chǎn)品和電信業(yè)中應(yīng)用的日益普及，特別是隨著國內(nèi)計算機和家電廠商對個人數(shù)字助理(PDA)的研制開發(fā)，RISC器件必然為更多的用戶所接受和熟悉，出現(xiàn)在微機保護裝置中將不過是時間問題。
X86器件得益于Wintel體系在個人機領(lǐng)域的優(yōu)勢，為了占領(lǐng)嵌入式應(yīng)用市場，Intel、AMD、國家半導(dǎo)體(NS)和ST等器件廠家均在386或486內(nèi)核的基礎(chǔ)上，通過集成外圍器件和接口推出了一系列與PC軟硬件兼容的嵌入式處理器，如Intel 386EX、AMD386/486E、ElanSC300、SC400系列，NS486SXF以及ST486等，國家半導(dǎo)體公司更是提出了“PC on a chip”的口號。盡管這類器件在性能上較前兩者遜色(相同主頻而言)，然而由于可以利用PC豐富的開發(fā)環(huán)境、應(yīng)用軟件和電路設(shè)計技術(shù)，因而一經(jīng)推出就得到了眾多工控機廠家的歡迎，并紛紛在其基礎(chǔ)上開發(fā)出ISA、STD、PC/104、VME、Compact PCI等總線工控主板(EPSON公司的主板僅為信用卡大小)，繼電器廠家也推出了基于Intel 386EX的微機發(fā)電機組保護和錄波裝置。就微機保護對計算精度和速度的要求而言，比較合適的是集成了浮點協(xié)處理器的486DX及以上等級的微處理器及其對應(yīng)的嵌入式芯片。值得指出的是，英特爾多能奔騰、高能奔騰及奔騰兩代微處理器中除集成了浮點協(xié)處理器外，還增加了以整形數(shù)乘加運算為基礎(chǔ)的多媒體指令(MMX)，而AMD公司最近推出的K6?2 3D Now!中進一步擴展和增強了以浮點數(shù)乘加運算為基礎(chǔ)的圖形操作指令，靈活運用MMX和3D Now技術(shù)可以達到DSP器件同樣的效果。
除上述3類器件外，由于可編程控制器(PLC)體積小、可靠性高、擴展性強，前端可帶電插拔等優(yōu)點，在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中部分產(chǎn)品(如奧地利B&R公司的PCC)通過高速總線支持多個高性能CPU插件，內(nèi)嵌實時多任務(wù)操作系統(tǒng)和多種通信協(xié)議并支持C語言編程。因此，用戶無需任何外部軟件支持即可完成應(yīng)用軟件的編程、調(diào)試和固化。采用這種PLC作為機組保護裝置的硬件平臺既可簡化軟硬件開發(fā)工作，又提高了裝置的整體可靠性。其不足是價格較為昂貴，從而影響了其應(yīng)用范圍。
2. 開發(fā)方式
隨著高性能處理器在微機保護裝置中的采用，其開發(fā)方式與單片機時代相比有了很大的不同，其中最突出的一點是在操作系統(tǒng)支持下采用高級語言進行編程。對于X86器件而言，武漢智能星電氣有限公司受益于Wintel體系的規(guī)模效應(yīng)和豐富的軟件資源，用戶往往直接在MS?DOS操作系統(tǒng)支持下，采用編程、編譯、調(diào)試集成環(huán)境進行開發(fā)。這種方式最大的優(yōu)點是節(jié)省了購置專用開發(fā)裝置軟硬件的費用以及開發(fā)人員的培訓(xùn)時間，且在DOS支持下能夠生成漢化人機界面和報告，然而由于是商用機的開發(fā)技術(shù)，因而必然存在著以下不足：(1)僅支持X86器件且硬件平臺需與PC兼容；(2)DOS不支持多任務(wù)、多線程，對內(nèi)存的管理和安全機制均有局限性，要由開發(fā)人員自己考慮所有可能發(fā)生的問題并加以解決，增加了開發(fā)的難度和周期；(3)DOS環(huán)境中，用戶程序需調(diào)入內(nèi)存才能運行，不僅增加了硬件開銷，同時也推遲了保護功能的投入；(4)集成環(huán)境無法對硬件系統(tǒng)進行調(diào)試。
隨著商用微機操作系統(tǒng)由DOS向32位的Windows 95和NT過渡，一些第三方廠家(如Phar Lap)以Windows NT的內(nèi)核和Win 32API為基礎(chǔ)推出了適應(yīng)于嵌入式應(yīng)用的32位實時操作系統(tǒng)及開發(fā)工具，有效地提供了搶先式多任務(wù)和事件驅(qū)動機制并增強了內(nèi)存管理和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
隨著PDA的興起，Windows 95/NT的袖珍版Windows CE在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域也有了更高的市場占有率。相比前者，其能夠支持更多的器件種類，硬件平臺也不要求與PC兼容，因而具有更強的適應(yīng)能力。武漢智能星電氣有限公司然而對于上述(3)、(4)2點，不僅沒有改進反而進一步增加了硬件開銷和引導(dǎo)時間。
與上述借用商用操作系統(tǒng)和集成環(huán)境的開發(fā)方式相對應(yīng)，許多實時操作系統(tǒng)專業(yè)廠家為嵌入式應(yīng)用推出了多種實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)，如QNX、PSOS、Nuleus、VRTX、VxWork等，不僅代碼緊湊、對硬件資源占用少，而且與用戶程序一同固化到EPROM或閃存中就地運行，無需加載至內(nèi)存。此外，由于這類RTOS專門針對了工業(yè)(軍事)應(yīng)用的需要，而不是從商用操作系統(tǒng)改良而來，因而具有更強的任務(wù)切換和線程通信機能，實時性和穩(wěn)定性很強且支持多種微處理器及嵌入式控制器(包括DSP)，在開發(fā)或仿真系統(tǒng)支持下，可對硬件系統(tǒng)進行調(diào)試(甚至是多CPU或DSP系統(tǒng))和實時仿真。當然，這種開發(fā)方式也存在需專門購置RTOS和開發(fā)工具，以及需培訓(xùn)開發(fā)人員等不足。
針對以上兩者的不足，同時也是得益于處理器尋址空間的擴大，代碼駐留或就地運行技術(shù)(XIP)得到了越來越多工控廠家的支持。該技術(shù)仍然基于ROM?DOS和X86平臺，然而與第1種開發(fā)方式相比，電子盤位于其尋址空間的高端，并可在保護模式下直接尋址而不是通過I/O或頁面方式訪問。因此，用戶程序可用文件方式固化到閃存電子盤中，上電運行后，CPU進入保護模式并直接跳轉(zhuǎn)到用戶程序處運行，不用再將其加載到內(nèi)存空間，這種方式既利用了DOS環(huán)境豐富的資源，又節(jié)省了內(nèi)存空間。此外，由于代碼和數(shù)據(jù)分別在尋址空間的高端和低端，因而系統(tǒng)具有更好的安全性。不過，這種開發(fā)方式要求用戶程序在編譯連接時進行代碼、數(shù)據(jù)分離和代碼重新定位并以bin文件形式進行固化。
在編程語言選擇方面，由于C/C++語言效率高、靈活、可移植性好，而得到了廣泛使用，但安全性較差是其最為致命的缺點；PL/M?86/386語言盡管效率、安全性好但缺乏靈活性，又僅針對X86芯片，因而使用不如C/C++廣泛。而兼有上述優(yōu)點的Ada 95語言在安全、高效、靈活、可移植性好的基礎(chǔ)上又增加了對面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的完全支持，武漢智能星電氣有限公司并提供了更加有效的實時、分布式和并行程序的設(shè)計環(huán)境，已成為軍事嵌入式應(yīng)用的主流語言并正向工業(yè)領(lǐng)域擴展。采用Ada 95開發(fā)微機保護軟件將有助于進一步提高代碼質(zhì)量、可維護性和可移植性。
此外，利用OOP技術(shù)將各種保護算法和判據(jù)編制成“標準元件”，并根據(jù)保護方案中各判據(jù)的邏輯關(guān)系將其“組態(tài)”(如SEL公司的SEL?321?5，ABB公司的REG 216中已采用這種技術(shù))，將極大地提高微機保護裝置的開發(fā)效率和質(zhì)量。
3. 其它相關(guān)問題
3.1 存儲空間
微機保護裝置的存儲空間一般由5部分組成：
(1)操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序的駐留(固化)空間。對于ROM?DOS支持下的X86平臺而言，該部分空間多以電子盤的形式存在，而用戶程序亦以DOS文件方式固化在高速EPROM或閃存中，只是逐漸采用XIP就地運行方式取代了加載至內(nèi)存運行。這部分存儲空間必需直接位于CPU的尋址范圍內(nèi)(對高檔X86芯片而言，是在保護模式下的高端尋址空間)。
(2)暫存系統(tǒng)參數(shù)、運算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的內(nèi)存空間。當采用XIP技術(shù)后，這部分空間可大為減小。如果裝置直接采用PC內(nèi)存條，那么最好支持ECC功能以進一步提高系統(tǒng)的容錯能力。
(3)整定值的存儲空間。由于整定值在微機保護中占有特別重要的地位，因而對這部分存儲空間有著特殊的要求：①由于整定值的重要性，因此必須保存在本質(zhì)性的非易失性存儲介質(zhì)中，而單獨的NVSRAM不能滿足上述要求；武漢智能星電氣有限公司②由于每一整定項都要求可單獨訪問，而目前的閃存芯片必需以頁或扇區(qū)方式訪問，因此E2PROM較閃存更適合整定值的保存；③由于E2PROM的寫入速度很慢，因此不支持DOS環(huán)境下數(shù)據(jù)文件中的浮點數(shù)分字節(jié)快速連續(xù)寫入，因而整定值不應(yīng)以DOS文件方式保存在E2PROM中。此外，SRAM與E2PROM組合型器件的出現(xiàn)使整定值可以數(shù)據(jù)文件方式保存在電子盤中，但必須在對盤進行寫操作后將整個數(shù)據(jù)文件從器件的SRAM區(qū)寫回E2PROM中保存，對閃存電子盤而言，也至少須將對應(yīng)扇區(qū)重寫；④E2PROM有串行和并行兩種，并行E2PROM訪問方便，但占用一定的地址空間且被誤操作的可能性亦多些；串行E2PROM通過串行通信總線或I/O口線訪問，不占用地址空間且安全性亦較并行E2PROM要好，但訪問不如后者便利；⑤為了提高E2PROM中數(shù)據(jù)的安全性，可設(shè)置寫保護或?qū)⑵浒才旁赬86器件保護模式尋址空間的中端，與高端程序代碼和低端的數(shù)據(jù)空間有足夠的間隔。
此外，還可在不同的地址空間或同一E2PROM中的不同區(qū)域設(shè)置多個鏡像的整定值塊，并定期進行整定值自檢。
(4)各類報告的存儲空間。為了便于長期保存和閱讀，武漢智能星電氣有限公司可將報告制成DOS文本文件格式，保存在基于NVSRAM器件的電子盤中，該盤以I/O方式訪問即可。
(5)其它用途的存儲空間，如與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的雙口RAM等。這部分存儲空間應(yīng)安排在常規(guī)內(nèi)存的高端以免與低端的數(shù)據(jù)空間發(fā)生沖突。 3.2 數(shù)據(jù)采集
微機保護裝置中數(shù)據(jù)采集的速度、精度以及動態(tài)范圍對其性能有著十分重要的影響。近年來，以ANN為代表的人工智能技術(shù)和小波分析等理論，以及瞬態(tài)保護概念等逐步引入繼電保護領(lǐng)域，這對采樣率提出了更高的要求。
由于采樣率的提高導(dǎo)致了采樣間隙的縮短，為了給CPU留出更多的時間進行數(shù)據(jù)預(yù)處理、起動計算和主保護計算，有必要大幅度壓縮數(shù)據(jù)采集本身的時間開銷。一種措施是增設(shè)專門的處理器，控制數(shù)據(jù)采集過程并進行預(yù)處理，然后將數(shù)據(jù)通過雙口RAM、FIFO等方式傳遞給主CPU進行保護計算［2］。這種方式雖節(jié)省了主CPU的數(shù)據(jù)采集時間，但由于增設(shè)了采集處理器和相應(yīng)的外圍電路與器件，使系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試更為復(fù)雜。另一種方法是，采用高速轉(zhuǎn)換器件并減少CPU干預(yù)，以減少其數(shù)據(jù)采集時間［3］。該方案中，一輪數(shù)據(jù)采集的總時間可由下式來描述：
式交流耐壓試驗中N——總的模擬通道數(shù)；M——并行設(shè)置的A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)；t0——外部采樣時間；t1——通道切換與信號建立時間；t2——模數(shù)轉(zhuǎn)換時間；t3——采集數(shù)據(jù)讀取時間。
由此可見，要縮短ts，必須采用高速S/H、MUX、BUF和ADC，以分別縮短t0～t1；通過提高處理器的I/O速度或采用DMA來縮短t3；此外，增加ADC的數(shù)量也可減小ts(由于機組保護所需的模擬信號較多，武漢智能星電氣有限公司因此通過增加M來減小ts是一個非常有效的方法)。
為了進一步簡化電路設(shè)計和調(diào)試，一些半導(dǎo)體元件廠家將完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成到一塊芯片中，其能夠自動完成所有輸入通道的數(shù)據(jù)采集工作而無需CPU干預(yù)。這類器件以美國MAXIM公司的MAX125/6和AD公司的AD7874為代表，其中MAX125集成了兩組各4路輸入通道(4個采樣保持器)，具有14位分辨率和3 μs的模數(shù)轉(zhuǎn)換時間；4×14位雙口RAM以及與多數(shù)DSP及16/32　位微處理器兼容的并行接口，因此采用多片MAX125或AD7874并行工作，將會極大地提高微機保護裝置的數(shù)據(jù)采集能力，同時簡化了電路設(shè)計與調(diào)試。
3.3 通信方式
為了減輕微機保護裝置中微處理器的負擔(dān)，一般不由它單獨承擔(dān)人 機交互和文檔管理任務(wù)，而是通過通信接口與上層管理機或調(diào)試用微機交換，諸如整定值、采樣值報告、故障報告、硬件測試命令與結(jié)果，以及一些實時測量參數(shù)等信息。目前常用的通信接口有RS-232(需光隔)、RS-422/485以及Bitbus、Arcnet、Lonworks、CAN、GPIB等工業(yè)局域網(wǎng)。武漢智能星電氣有限公司由于后幾者利用硬件自動實現(xiàn)檢錯、糾錯、重發(fā)等差錯控制功能，因而在具有較高傳輸速率的同時也有效地降低了誤碼率。此外、通過提供用戶編程接口，極大地簡化了通信軟件的開發(fā)工作。在幾種工業(yè)局域網(wǎng)中，CAN的實現(xiàn)方式最為簡單，成本最低且作為無主網(wǎng)絡(luò)，增減結(jié)點也非常方便，因而非常適合在機組保護裝置中應(yīng)用。
隨著計算機技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的長足發(fā)展，USB和IEEE 1394高速總線已逐步成為上述領(lǐng)域的標準配置并受到越來越多的軟硬件廠家支持，因而亦有可能在不久的將來作為X86硬件平臺的一部分出現(xiàn)在微機保護裝置中，以統(tǒng)一現(xiàn)有的各種通信方式直流電阻測試儀
此外，部分嵌入式器件或工控主板上集成有顯示器接口，保護裝置可以利用其將調(diào)試信息(如采樣值、I/O狀態(tài)等)和部分實時測量參數(shù)(如差流、繞組對地阻抗、機端視在阻抗、有功和無功功率等)以及簡單故障信息進行就地顯示，既減輕了網(wǎng)絡(luò)負荷，又提供了遠比面板上的LED指示更為豐富的信息，并且還方便了開發(fā)調(diào)試過程。
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