第二章--數(shù)字式保護的硬件系統(tǒng)

1、1第二章第二章 數(shù)字式保護硬件系統(tǒng)數(shù)字式保護硬件系統(tǒng)一、硬件系統(tǒng)概述一、硬件系統(tǒng)概述二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源2三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)電子計算機的組成電子計算機的組成微處理器微處理器4 數(shù)字式保護裝置硬件的核心是微處理器。數(shù)字式保護裝置硬件的核心是微處理器。微處理器的選擇遵循以下原則：微處理器的選擇遵循以下原則：1. 速度速度2. 功能功能3. 通用性通用性4. 工作環(huán)境的適應性工作環(huán)境的適應性51. 1. 往功能強的方向發(fā)展往功能

2、強的方向發(fā)展2. 2. 往功能全的方向發(fā)展往功能全的方向發(fā)展 在同樣的集成度下，不集成高功在同樣的集成度下，不集成高功能的快速的微處理器，而是把許能的快速的微處理器，而是把許多其它功能如多其它功能如A AD D轉(zhuǎn)換、通信接轉(zhuǎn)換、通信接口、定時器等集成在一個芯片上口、定時器等集成在一個芯片上6 繼電保護對可靠性、安全性要求很高，繼電保護對可靠性、安全性要求很高，且保護裝置工作環(huán)境惡劣。為了便于購買且保護裝置工作環(huán)境惡劣。為了便于購買和升級換代，一定要選擇大公司的主流工和升級換代，一定要選擇大公司的主流工業(yè)級芯片。目前，國內(nèi)外數(shù)字式保護裝置業(yè)級芯片。目前，國內(nèi)外數(shù)字式保護裝置所用的微處理器有兩大類

3、：所用的微處理器有兩大類：一類是單片機一類是單片機一類是數(shù)據(jù)處理芯片一類是數(shù)據(jù)處理芯片7單片機單片機CPU定時器計數(shù)器定時器計數(shù)器IO接口電路接口電路ROM或或EPROMRAM串行通訊接口串行通訊接口8單片機的發(fā)展階段單片機的發(fā)展階段第一階段（第一階段（1971-19741971-1974年）：年）：INTELINTEL公公司設(shè)計成集成度為每片上有司設(shè)計成集成度為每片上有20002000只晶體管只晶體管的的4 4位微處理器位微處理器 Intel 4004 Intel 4004。19721972年又研年又研制成了功能較強的制成了功能較強的 8 8位微處理器位微處理器Intel Intel 800

4、88008。9單片機的發(fā)展階段單片機的發(fā)展階段第二階段（第二階段（1974-19781974-1978年）：初級單片年）：初級單片機階段。以機階段。以INTELINTEL公司的公司的MCSMCS4848為代表：為代表：8 8位位CPUCPU、并行、并行I IO O口、口、8 8位定時器計數(shù)器，位定時器計數(shù)器，尋址范圍不大于尋址范圍不大于4K4K，且無串行口。，且無串行口。10第三階段（第三階段（1978-19831978-1983年）：高性能年）：高性能單片機階段。串行口，多級中斷處理系統(tǒng)、單片機階段。串行口，多級中斷處理系統(tǒng)、1616位定時器計數(shù)器、片內(nèi)位定時器計數(shù)器、片內(nèi)RAMRAM、RO

5、MROM容量容量大，且尋址范圍可達大，且尋址范圍可達64K64K字節(jié)，典型芯片有字節(jié)，典型芯片有MCS-51MCS-51。單片機的發(fā)展階段單片機的發(fā)展階段11單片機的發(fā)展階段單片機的發(fā)展階段第四階段（第四階段（19831983年以后）：年以后）：8 8位單片位單片機鞏固發(fā)展及機鞏固發(fā)展及1616位單片機推出階段。此階位單片機推出階段。此階段主要特征是一方面發(fā)展段主要特征是一方面發(fā)展1616位單片機及專位單片機及專用單片機；另一方面不斷完善高檔用單片機；另一方面不斷完善高檔8 8位單片位單片機，改善其結(jié)構(gòu)，典型芯片有機，改善其結(jié)構(gòu)，典型芯片有MCS-96MCS-96。12單片機的應用單片機的應用

6、單機應用單機應用在一個應用系統(tǒng)中，只使用在一個應用系統(tǒng)中，只使用一片單片機，這是目前應用一片單片機，這是目前應用最多的方式。最多的方式。多機應用系統(tǒng)可分為功能集多機應用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行多機處理及局散系統(tǒng)、并行多機處理及局部網(wǎng)絡系統(tǒng)。部網(wǎng)絡系統(tǒng)。多機應用多機應用13單機單機應用應用l l）測控系統(tǒng)：用單片機可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、）測控系統(tǒng)：用單片機可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。自適應控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。2 2）智能儀表。單片機能促進儀表向數(shù)字化、智能化、）智能儀表。單片機能促進儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化發(fā)展。通過采用單片機軟件編程技術(shù)，使測量

7、多功能化發(fā)展。通過采用單片機軟件編程技術(shù)，使測量儀表中的誤差修正、線性化處理等難題迎刃而解。儀表中的誤差修正、線性化處理等難題迎刃而解。3 3）機電一體化產(chǎn)品。單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品結(jié)合，）機電一體化產(chǎn)品。單片機與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品結(jié)合，使傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制智能化。使傳統(tǒng)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制智能化。4 4）智能接口。大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中用單片機對模數(shù)）智能接口。大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中用單片機對模數(shù)轉(zhuǎn)換接口進行控制不僅可提高采集速度，還可對數(shù)據(jù)進轉(zhuǎn)換接口進行控制不僅可提高采集速度，還可對數(shù)據(jù)進行預處理，如數(shù)字濾波、線性化處理、誤差修正等。行預處理，如數(shù)字濾波、線性化處理、誤差修正等。14多機多機

8、應用應用1 1）多功能集散系統(tǒng)。多功能集散系統(tǒng)是為了）多功能集散系統(tǒng)。多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能要求而設(shè)置的多機滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能要求而設(shè)置的多機系統(tǒng)。系統(tǒng)。2 2）并行多機控制系統(tǒng)。并行數(shù)據(jù)采集、處理）并行多機控制系統(tǒng)。并行數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)、實時圖像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)、實時圖像處理系統(tǒng)。3 3）局部網(wǎng)絡系統(tǒng)。分布式測、控系統(tǒng)。）局部網(wǎng)絡系統(tǒng)。分布式測、控系統(tǒng)。15舉例舉例 隨著應用領(lǐng)域的擴展，隨著應用領(lǐng)域的擴展，MCSMCS5151以及以及MCSMCS9696系列仍然是單片機中應用的主流產(chǎn)品。系列仍然是單片機中應用的主流產(chǎn)品。但但8 8位單片機在很多場合下已經(jīng)不能滿足工

9、業(yè)位單片機在很多場合下已經(jīng)不能滿足工業(yè)控制的需要?？刂频男枰CS-96MCS-96系列的系列的1616位單片機是功位單片機是功能較強，性能優(yōu)良的單片機能較強，性能優(yōu)良的單片機, ,它在一個芯片上它在一個芯片上集成了集成了1313萬個晶體管，功能較強。尤其是該萬個晶體管，功能較強。尤其是該系列系列MCS-80C196MCS-80C196性能更好。國內(nèi)很多繼電保性能更好。國內(nèi)很多繼電保護裝置都采用此類單片機。護裝置都采用此類單片機。16(1)16(1)16位的位的 CPU CPU（中央處理器）（中央處理器）該該CPUCPU在結(jié)構(gòu)上最大特點是：沒有采用老的在結(jié)構(gòu)上最大特點是：沒有采用老的累加器結(jié)

10、構(gòu)，改用累加器結(jié)構(gòu)，改用“寄存器寄存器寄存器寄存器”結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。消除了一般結(jié)構(gòu)中存在的累加器的瓶頸問題，消除了一般結(jié)構(gòu)中存在的累加器的瓶頸問題，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。1616位位CPUCPU支持位、字節(jié)和字操作，在部分指支持位、字節(jié)和字操作，在部分指令中還支持令中還支持3232位雙字操作位雙字操作，如，如3232位除以位除以1616位。位。單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點17(2)(2)高效的指令系統(tǒng)高效的指令系統(tǒng)典型指令有典型指令有1616位乘位乘1616位和位和3232位除以位除以1616位的乘除指令位的

11、乘除指令，有有數(shù)據(jù)規(guī)格化指令數(shù)據(jù)規(guī)格化指令（有利于浮點計算），很多指令既（有利于浮點計算），很多指令既可用可用雙操作數(shù)，也可用雙操作數(shù)，也可用3 3操作數(shù)操作數(shù)。后者包括。后者包括2 2個源操作數(shù)和個源操作數(shù)和 1 1個個目的操作數(shù)，這樣就大大提高了編程的效率。目的操作數(shù)，這樣就大大提高了編程的效率。單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點 當采用當采用 12MHz 12MHz外接晶振時，外接晶振時，一條指令的最短執(zhí)行一條指令的最短執(zhí)行時間為時間為 1s 1s，1616位乘位乘1616位乘法指令和位乘法指令和3232位除以位除以1616位除位除法指令的

12、執(zhí)行時間只有法指令的執(zhí)行時間只有6 625s25s。18(3)10(3)10位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 在在 96 96系列部分產(chǎn)品中，有一個系列部分產(chǎn)品中，有一個8 8通通道或道或4 4通道的通道的1010位位A AD D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，使得這些，使得這些型號產(chǎn)品特別適用于多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、型號產(chǎn)品特別適用于多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能儀器等應用領(lǐng)域。智能儀器等應用領(lǐng)域。A/DA/D轉(zhuǎn)換周期為轉(zhuǎn)換周期為22s22s。單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點19(4)(4)脈寬調(diào)制輸出脈寬調(diào)制輸出 作為作為 D/A D/A轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換器輸出，分辨率為，分辨

13、率為8 8位。位。9696單片機可以直接提供脈寬調(diào)制信號，某單片機可以直接提供脈寬調(diào)制信號，某些電機可以用它直接驅(qū)動。脈寬調(diào)制輸出些電機可以用它直接驅(qū)動。脈寬調(diào)制輸出信號經(jīng)過積分就可以獲得直流輸出。信號經(jīng)過積分就可以獲得直流輸出。單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點20(5)(5)全雙工串行口全雙工串行口 96 96系列單片機具有與系列單片機具有與MCS-5lMCS-5l兼容的兼容的全雙工串行口全雙工串行口。這個串行口可方便地用。這個串行口可方便地用于于I/OI/O擴展、與擴展、與CRTCRT終端等設(shè)備進行通信終端等設(shè)備進行通信以及以及多處理機通信

14、多處理機通信。(6)5(6)5個個8 8位標準輸入位標準輸入/ /輸出口輸出口 96 96系列單片機還有系列單片機還有5 5個個8 8位位I/OI/O口。口。單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點21(7)(7)高速輸入高速輸入/ /輸出器輸出器高速輸入器可以相對于內(nèi)部定時器產(chǎn)生高速輸入器可以相對于內(nèi)部定時器產(chǎn)生的實時時鐘，記下某個外部事件發(fā)生的時間，的實時時鐘，記下某個外部事件發(fā)生的時間，共可記下共可記下8 8個事件；而高速輸出器可以按規(guī)定個事件；而高速輸出器可以按規(guī)定的時刻去觸發(fā)某一事件，任何時候都可以存的時刻去觸發(fā)某一事件，任何時候都可以存儲起

15、儲起8 8個事件。個事件?！案咚俑咚佟币馕吨@些功能是意味著這些功能是自動地自動地（相（相對于定時器）實現(xiàn)的，無需對于定時器）實現(xiàn)的，無需CPUCPU的干預。的干預。 單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點22(8)8(8)8個中斷源個中斷源8 8個中斷源個中斷源對應有對應有8 8個中斷矢量，個中斷矢量，而有些中斷矢量又對應著多個中斷事而有些中斷矢量又對應著多個中斷事件，件，共對應共對應2020種中斷事件。種中斷事件。(9)(9)看門狗看門狗 軟硬件發(fā)生故障時，監(jiān)視定時器軟硬件發(fā)生故障時，監(jiān)視定時器（Watchdog timerWatchdog ti

16、mer）將系統(tǒng)復位，）將系統(tǒng)復位，提供了一種軟硬件故障的自恢復能力提供了一種軟硬件故障的自恢復能力。單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點23(10)(10)可動態(tài)配置的總線可動態(tài)配置的總線在運行過程中，在運行過程中，9696系列單片機的總線系列單片機的總線可以動態(tài)地配置成可以動態(tài)地配置成8 8位的或位的或1616位位的，以便適的，以便適應對外部寄存器進行字節(jié)操作或字操作的不應對外部寄存器進行字節(jié)操作或字操作的不同需求。同需求。單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點24(11)8K/16K(11)8K/16

17、K字節(jié)的內(nèi)部字節(jié)的內(nèi)部ROMROM9696系列單片機寄存器的空間為系列單片機寄存器的空間為64K64K字節(jié)，字節(jié)，在在帶內(nèi)部帶內(nèi)部ROMROM的芯片中，內(nèi)部的芯片中，內(nèi)部ROMROM的容量為的容量為8K8K字節(jié)或字節(jié)或16K16K字節(jié)。內(nèi)部字節(jié)。內(nèi)部ROM/EPROMROM/EPROM可以加密，可以加密，并并可在運行中對可在運行中對EPROMEPROM編程。編程。 單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點25單片機單片機(MCS-96(MCS-96系列系列) )的主要性能特點的主要性能特點2627CPU擴展并口EPROMRAM譯碼器EEPROM28DS

18、PDSP（Digital Signal ProcessorDigital Signal Processor）數(shù)字信）數(shù)字信號微處理器。號微處理器。DSPDSP芯片專門用于完成各種實時數(shù)字芯片專門用于完成各種實時數(shù)字信息處理。信息處理。 它建立在數(shù)字信號處理的各種理論和算法的它建立在數(shù)字信號處理的各種理論和算法的基礎(chǔ)上?；A(chǔ)上。 DSPDSP器件不僅使數(shù)字信號處理從理論研究發(fā)展器件不僅使數(shù)字信號處理從理論研究發(fā)展到實際應用，還從信號處理領(lǐng)域拓寬到系統(tǒng)控制領(lǐng)到實際應用，還從信號處理領(lǐng)域拓寬到系統(tǒng)控制領(lǐng)域，從而誕生了一大批新型的電子產(chǎn)品。域，從而誕生了一大批新型的電子產(chǎn)品。29DSPDSP的發(fā)展階段

19、的發(fā)展階段50506060年代：在通用計算機上進行算法的年代：在通用計算機上進行算法的研究和處理系統(tǒng)的模擬與仿真。研究和處理系統(tǒng)的模擬與仿真。7070年代：快速傅氏變換年代：快速傅氏變換FFTFFT、數(shù)字濾波、數(shù)字濾波、頻譜分析，可采用通用計算機實現(xiàn)。頻譜分析，可采用通用計算機實現(xiàn)。30DSPDSP的發(fā)展階段的發(fā)展階段8080年代：現(xiàn)代年代：現(xiàn)代DSPDSP采用哈佛結(jié)構(gòu)，即將采用哈佛結(jié)構(gòu)，即將程序指令與數(shù)據(jù)的存儲空間分開，各有程序指令與數(shù)據(jù)的存儲空間分開，各有自己的地址與數(shù)據(jù)總線。自己的地址與數(shù)據(jù)總線。9090年代：先進的流水線、并行指令。年代：先進的流水線、并行指令。31DSPDSP應用應用

20、(1)(1)通用數(shù)字信號處理。數(shù)字濾波通用數(shù)字信號處理。數(shù)字濾波 、卷積算法、卷積算法、FFTFFT、希、希爾伯特變換、自適應濾波、窗函數(shù)、波形生成。爾伯特變換、自適應濾波、窗函數(shù)、波形生成。(2)(2)通信。高速調(diào)制解調(diào)器、編通信。高速調(diào)制解調(diào)器、編/ /解碼器、蜂房網(wǎng)移動電話、解碼器、蜂房網(wǎng)移動電話、數(shù)字留言機。數(shù)字留言機。(3)(3)聲音聲音/ /語音信號處理。語音信號處理。(4)(4)圖形圖形/ /圖象信號處理。三維圖形變換處理、模式識別、圖象信號處理。三維圖形變換處理、模式識別、圖象增強。圖象增強。(5)(5)控制。控制。 磁盤磁盤/ /光盤伺服控制、激光打印機伺服控制、光盤伺服控制

21、、激光打印機伺服控制、機器人控制、發(fā)動機控制、電機調(diào)速、無刷直流電機。機器人控制、發(fā)動機控制、電機調(diào)速、無刷直流電機。(6)(6)儀器。儀器。 譜分析、函數(shù)發(fā)生、波形發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、暫譜分析、函數(shù)發(fā)生、波形發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、暫態(tài)分析、模態(tài)分析等。態(tài)分析、模態(tài)分析等。32DSPDSP性能性能特點特點1)1)在單個指令周期內(nèi)完成乘法在單個指令周期內(nèi)完成乘法/ /累加運算；累加運算；2)2)速度達到速度達到101101103MIPS(103MIPS(每秒百萬指令每秒百萬指令million million instruction per second)instruction per second)的定點

22、運算；的定點運算；3)3)指令中有循環(huán)尋址、位倒序等指令；指令中有循環(huán)尋址、位倒序等指令；4)4)數(shù)據(jù)交換達到每秒數(shù)百兆字節(jié)的傳輸速率，主要數(shù)據(jù)交換達到每秒數(shù)百兆字節(jié)的傳輸速率，主要是受片外存儲器速度的限制；是受片外存儲器速度的限制；5)5)并行性：并行性：DSPDSP可在每個周期內(nèi)可以完成多個操作?？稍诿總€周期內(nèi)可以完成多個操作。33 DSP DSP在片上設(shè)置仿真模塊或仿真調(diào)試接口。在片上設(shè)置仿真模塊或仿真調(diào)試接口。TITI在在TMS320TMS320系列芯片上設(shè)置了符合系列芯片上設(shè)置了符合IEEE 1149IEEE 1149標標準的準的JTAGJTAG標準測試接口及相應的控制器。接通標準測

23、試接口及相應的控制器。接通JTAGJTAG接口，就可以在接口，就可以在PCPC上運行一個軟件去控制它，上運行一個軟件去控制它，不但能控制和觀察多微處理器中每一個處理器的不但能控制和觀察多微處理器中每一個處理器的運行，還可以用這個接口來裝入程序。運行，還可以用這個接口來裝入程序。34DSPDSP舉例舉例 目前國內(nèi)已廣泛采用目前國內(nèi)已廣泛采用DSPDSP為核心芯為核心芯片的數(shù)字式保護裝置。以片的數(shù)字式保護裝置。以TMS320F206TMS320F206為例介紹：為例介紹：3536(2)(2)存儲器存儲器192k192k1616bitbit可尋址存貯器空間（可尋址存貯器空間（64k64k的的程序，程

24、序，64k64k的數(shù)據(jù)，的數(shù)據(jù)，64k64k的的I/OI/O口空間）?？诳臻g）。(3)(3)指令集指令集有單指令循環(huán)和塊循環(huán)操作；有塊存儲器有單指令循環(huán)和塊循環(huán)操作；有塊存儲器搬移指令，更便于程序和數(shù)據(jù)管理。搬移指令，更便于程序和數(shù)據(jù)管理。(4)(4)標準串行口標準串行口(5)16(5)16個中斷源個中斷源(6)(6)速度：單周期為速度：單周期為50ns50ns執(zhí)行時間。執(zhí)行時間。37DSP單片機單片機數(shù)字式保數(shù)字式保護硬件系護硬件系統(tǒng)統(tǒng)3839404142雙口RAMDSP單片機4344數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元 當單片機用于實現(xiàn)保護功能時，首先需要就是存儲器當單片機用于實現(xiàn)保護功能時，首先需要

25、就是存儲器的擴展。單片機內(nèi)部雖然設(shè)置了一定容量的存儲器，但這的擴展。單片機內(nèi)部雖然設(shè)置了一定容量的存儲器，但這種存儲器一般容量較小，需要從外部進行擴展，配置外部種存儲器一般容量較小，需要從外部進行擴展，配置外部存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。為了滿足繼電保護定值設(shè)置的需求，還配置了電可擦為了滿足繼電保護定值設(shè)置的需求，還配置了電可擦除的可編程只讀存儲器（除的可編程只讀存儲器（EEPROMEEPROM）存儲定值等。程序常駐）存儲定值等。程序常駐于只讀存儲器（于只讀存儲器（EPROMEPROM）中，計算過程和故障數(shù)據(jù)記錄所需）中，計算過程和故障數(shù)據(jù)記錄所需要

26、的臨時存儲是由隨機讀寫存儲器（要的臨時存儲是由隨機讀寫存儲器（RAMRAM）實現(xiàn)。）實現(xiàn)。處理器通過其數(shù)據(jù)線、地址線、控制線及譯碼器來與處理器通過其數(shù)據(jù)線、地址線、控制線及譯碼器來與存儲器部件進行通訊。根據(jù)不同保護功能的要求，一般還存儲器部件進行通訊。根據(jù)不同保護功能的要求，一般還要擴展一些并行口等。要擴展一些并行口等。 45一、硬件系統(tǒng)概述一、硬件系統(tǒng)概述二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源第二章第二章 數(shù)字式保護硬件系統(tǒng)數(shù)字式保護硬件系統(tǒng)46（1 1）開關(guān)量輸入回路）開關(guān)量輸入回路

27、四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng) 數(shù)字式保護裝置的開關(guān)量輸入即接點狀態(tài)數(shù)字式保護裝置的開關(guān)量輸入即接點狀態(tài)（接通或斷開）。（接通或斷開）。 開光量輸入包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助接開光量輸入包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助接點或跳合閘位置繼電器接點，外部裝置閉鎖接點，點或跳合閘位置繼電器接點，外部裝置閉鎖接點，氣體繼電器接點。還包括某些裝置上壓板位置輸氣體繼電器接點。還包括某些裝置上壓板位置輸入等。入等。 47 當外部接點當外部接點K1K1接通時，有電流通過發(fā)光二接通時，有電流通過發(fā)光二極管回路，光敏三極管導通。因此三極管的導極管回路，光敏三極管導通。因此三極管的導通和截止反映了外部接點的

28、狀態(tài)。通和截止反映了外部接點的狀態(tài)。四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)（1 1）開關(guān)量輸入回路）開關(guān)量輸入回路48光電耦合芯片的兩個隔離光電耦合芯片的兩個隔離部分間分布電容僅是幾個部分間分布電容僅是幾個微微法，大大削弱干擾。微微法，大大削弱干擾。四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)（1 1）開關(guān)量輸入回路）開關(guān)量輸入回路由于一般光電耦合芯片發(fā)光二極管的反向擊穿電壓較低，由于一般光電耦合芯片發(fā)光二極管的反向擊穿電壓較低，為防止開關(guān)量輸入回路電源極性接反時損壞光電耦合器，為防止開關(guān)量輸入回路電源極性接反時損壞光電耦合器，圖中二極管圖中二極管V V對光隔芯片起保護作用。對光隔芯片起

29、保護作用。 49（2 2）開關(guān)量輸出回路）開關(guān)量輸出回路四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng) 開關(guān)量輸出主要包括保護的跳閘出口信號開關(guān)量輸出主要包括保護的跳閘出口信號以及本地和中央信號等。一般都采用并行接口以及本地和中央信號等。一般都采用并行接口的輸出口來控制有接點繼電器（干簧或密封小的輸出口來控制有接點繼電器（干簧或密封小中間繼電器）的方法。中間繼電器）的方法。 但為提高抗干擾能力，最好也經(jīng)過一級光但為提高抗干擾能力，最好也經(jīng)過一級光電隔離。電隔離。50（2 2）開關(guān)量輸出回路）開關(guān)量輸出回路四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)軟件使并行口的軟件使并行口的PB0PB0輸出輸出

30、“0 0”，PB1PB1輸出輸出“1 1”，便可使與非門，便可使與非門輸出低電平，光敏三極管輸出低電平，光敏三極管導通。繼電器導通。繼電器K K被吸合。被吸合。設(shè)置反相器設(shè)置反相器B B及與非門及與非門H H而不是將發(fā)光二極管直接同并行口相連，一方而不是將發(fā)光二極管直接同并行口相連，一方面是因為并行口帶負載能力有限，不足以驅(qū)動發(fā)光二級管，另一方面面是因為并行口帶負載能力有限，不足以驅(qū)動發(fā)光二級管，另一方面采用與非門后要滿足兩個條件才能使采用與非門后要滿足兩個條件才能使K K動作，增加了抗干擾能力。動作，增加了抗干擾能力。51（2 2）開關(guān)量輸出回路）開關(guān)量輸出回路四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)

31、量輸入輸出系統(tǒng)圖中的圖中的PB0PB0經(jīng)一反相器，而經(jīng)一反相器，而PB1PB1卻不卻不經(jīng)反相器，這樣可防止拉合直流電經(jīng)反相器，這樣可防止拉合直流電源的過程中繼電器源的過程中繼電器K K的短時誤動。的短時誤動。在拉合直流電源過程中，當在拉合直流電源過程中，當5V5V電源處在中間某一臨界電壓值時，可能電源處在中間某一臨界電壓值時，可能由于邏輯電路的工作紊亂而造成保護誤動作，特別是保護裝置的電源由于邏輯電路的工作紊亂而造成保護誤動作，特別是保護裝置的電源往往接有大量的電容器，所以拉合直流電源時，無論是往往接有大量的電容器，所以拉合直流電源時，無論是5V5V電源還是驅(qū)電源還是驅(qū)動繼電器用的電源動繼電器

32、用的電源E E，都可能相當緩慢的上升或下降，從而完全可能，都可能相當緩慢的上升或下降，從而完全可能來得及使繼電器來得及使繼電器K K的接點短時閉合，采用圖中的接法，兩個相反的條的接點短時閉合，采用圖中的接法，兩個相反的條件的互相制約，防止繼電器的誤動作。件的互相制約，防止繼電器的誤動作。 52（3 3）打印機并行接口）打印機并行接口四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng) 打印機作為數(shù)字式保護裝置的輸出設(shè)備，打印機作為數(shù)字式保護裝置的輸出設(shè)備，在調(diào)試狀態(tài)下，輸入相應的鍵盤命令，數(shù)字式在調(diào)試狀態(tài)下，輸入相應的鍵盤命令，數(shù)字式保護裝置可將執(zhí)行結(jié)果通過打印機打印出來，保護裝置可將執(zhí)行結(jié)果通過打印

33、機打印出來，以了解裝置是否正常。在運行狀態(tài)下，系統(tǒng)發(fā)以了解裝置是否正常。在運行狀態(tài)下，系統(tǒng)發(fā)生故障后，可將有關(guān)故障信息，保護動作行為生故障后，可將有關(guān)故障信息，保護動作行為及采樣報告打印出來，為分析事故提供依據(jù)。及采樣報告打印出來，為分析事故提供依據(jù)。53（3 3）打印機并行接口）打印機并行接口四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng) 由于繼電保護對可靠性要求特別高，而它由于繼電保護對可靠性要求特別高，而它的工作環(huán)境電磁干擾比較嚴重，打印機引線可的工作環(huán)境電磁干擾比較嚴重，打印機引線可引入干擾，因此，數(shù)字式保護裝置與打印機數(shù)引入干擾，因此，數(shù)字式保護裝置與打印機數(shù)據(jù)線連接均經(jīng)光電隔離。據(jù)線

34、連接均經(jīng)光電隔離。 對顯示器和鍵盤的控制，為調(diào)試、整定對顯示器和鍵盤的控制，為調(diào)試、整定與運行提供簡易的人機對話功能。與運行提供簡易的人機對話功能。54一、硬件系統(tǒng)概述一、硬件系統(tǒng)概述二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)四、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源第二章第二章 數(shù)字式保護硬件系統(tǒng)數(shù)字式保護硬件系統(tǒng)55在微型計算機系統(tǒng)中，在微型計算機系統(tǒng)中，CPUCPU與外部的與外部的基本通信方式有兩種：基本通信方式有兩種：l并行通信并行通信數(shù)據(jù)各位同時傳送數(shù)據(jù)各位同時傳送l串行通信一數(shù)據(jù)一位一位順序傳送串行通信一數(shù)據(jù)一位一位順序

35、傳送 五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源1. 1. 通信接口通信接口56五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源57 在并行通信中，數(shù)據(jù)有多少位就需要多少根數(shù)據(jù)在并行通信中，數(shù)據(jù)有多少位就需要多少根數(shù)據(jù)傳送線。串行通信只需要一對數(shù)據(jù)傳送線，故串行傳送線。串行通信只需要一對數(shù)據(jù)傳送線，故串行通信能節(jié)省傳送線，尤其是當數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠距通信能節(jié)省傳送線，尤其是當數(shù)據(jù)位數(shù)很多和遠距離數(shù)據(jù)傳送時，這離數(shù)據(jù)傳送時，這一一優(yōu)點更突出。串行通信的主要優(yōu)點更突出。串行通信的主要缺點是傳送速度比并行通信要慢。缺點是傳送速度比并行通信要慢。 并行通信的硬件連接及數(shù)據(jù)傳送比較簡單。并行通信的硬件連接及數(shù)據(jù)傳送比較簡單

36、?；诖型ㄐ诺奶攸c，它常用于保護與上位機之基于串行通信的特點，它常用于保護與上位機之間的數(shù)據(jù)傳送。間的數(shù)據(jù)傳送。五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源58在串行通信中，有二種基本的通信方式：在串行通信中，有二種基本的通信方式：1 1）異步通信）異步通信異步串行通信規(guī)定了字符數(shù)據(jù)的傳送格式，即異步串行通信規(guī)定了字符數(shù)據(jù)的傳送格式，即每個數(shù)據(jù)以相同的幀格式傳送。每一幀信息由起始每個數(shù)據(jù)以相同的幀格式傳送。每一幀信息由起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位組成。位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位組成。五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源59la. a. 起始位：在通信線上沒有數(shù)據(jù)傳送時處于邏輯起始位：在通信

37、線上沒有數(shù)據(jù)傳送時處于邏輯“ l l”狀狀態(tài)。當發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個字符數(shù)據(jù)時，首先發(fā)出一個態(tài)。當發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個字符數(shù)據(jù)時，首先發(fā)出一個邏輯邏輯“0 0”信號，這個邏輯低電平就是起始位。起始位所起信號，這個邏輯低電平就是起始位。起始位所起的作用就是表示字符傳送開始。的作用就是表示字符傳送開始。lb. b. 數(shù)據(jù)位：當接收設(shè)備收到起始位后，緊接著就會收到數(shù)據(jù)位：當接收設(shè)備收到起始位后，緊接著就會收到數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是5 5、6 6、7 7或或8 8位的數(shù)據(jù)。在位的數(shù)據(jù)。在字符數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)位從最小有效位（最低位）字符數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)位從最小有效位（最

38、低位）開始傳送。開始傳送。lc. c. 奇偶校驗位：數(shù)據(jù)位發(fā)送完之后，可以發(fā)送奇偶校驗奇偶校驗位：數(shù)據(jù)位發(fā)送完之后，可以發(fā)送奇偶校驗位。位。ld. d. 停止位：在奇偶位或數(shù)據(jù)位（當無奇偶校驗時）之后停止位：在奇偶位或數(shù)據(jù)位（當無奇偶校驗時）之后發(fā)送的是停止位。可以是發(fā)送的是停止位?？梢允? 1位或位或2 2位。停止位是一個字符位。停止位是一個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標志。數(shù)據(jù)的結(jié)束標志。五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源602) 2) 同步通信同步通信 在異步通信中，每一個字符要用起始位和停止位作為字符在異步通信中，每一個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結(jié)束的標志，以致占用了時間。所以在數(shù)據(jù)塊傳

39、送時，開始和結(jié)束的標志，以致占用了時間。所以在數(shù)據(jù)塊傳送時，為了提高通信速度，常去掉這些標志，而采用同步傳送。同為了提高通信速度，常去掉這些標志，而采用同步傳送。同步通信不像異步通信那樣，靠起始位在每個字符數(shù)據(jù)開始時步通信不像異步通信那樣，靠起始位在每個字符數(shù)據(jù)開始時使發(fā)送和接收同步，而是通過同步字符在每個數(shù)據(jù)塊傳送開使發(fā)送和接收同步，而是通過同步字符在每個數(shù)據(jù)塊傳送開始時使收發(fā)雙方同步。始時使收發(fā)雙方同步。 五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源61同步通信的特點是：同步通信的特點是：l a a以同步字符作為傳送的開始，從而以同步字符作為傳送的開始，從而使收發(fā)雙方取得同步；使收發(fā)雙方取得同步；

40、l b b每位占用的時間都相等；每位占用的時間都相等；l c c字符數(shù)據(jù)之間不允許有空隙，當線字符數(shù)據(jù)之間不允許有空隙，當線路空閑或沒有字符可發(fā)時，發(fā)送同步字符。路空閑或沒有字符可發(fā)時，發(fā)送同步字符。五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源62 同步字符可由用戶選擇一個或二個特殊同步字符可由用戶選擇一個或二個特殊的的8 8位二進制碼作為同步字符。與異步通信位二進制碼作為同步字符。與異步通信收收/ /發(fā)雙方必須使用相同的字符格式一樣，發(fā)雙方必須使用相同的字符格式一樣，同步通信的收發(fā)雙方必須使用相同的同步同步通信的收發(fā)雙方必須使用相同的同步字符。字符。 異步通信常用于傳輸信息量不太大、傳異步通信常用于

41、傳輸信息量不太大、傳輸速度比較低的場合。在信息量很大，傳輸輸速度比較低的場合。在信息量很大，傳輸速度要求較高的場合，常采用同步通信。速度要求較高的場合，常采用同步通信。五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源63 波特率（波特率（Baud rateBaud rate）通信線上的字符數(shù)據(jù)是按位傳送的，每一位通信線上的字符數(shù)據(jù)是按位傳送的，每一位寬度（位信號持續(xù)時間）由數(shù)據(jù)傳送速率確定。寬度（位信號持續(xù)時間）由數(shù)據(jù)傳送速率確定。波特率即是對數(shù)據(jù)傳送速率的規(guī)定：單位時間內(nèi)波特率即是對數(shù)據(jù)傳送速率的規(guī)定：單位時間內(nèi)傳送的信息量，以每秒傳送的位（傳送的信息量，以每秒傳送的位（BitBit）表示，）表示，單位

42、為波特。單位為波特。 l l波特波特=1=1位秒（位秒（1bps1bps） 例如：電傳打字機最快傳送速率為例如：電傳打字機最快傳送速率為1010字符秒，字符秒，每個字符每個字符1111位，則波特率為：位，則波特率為： 11 11位位1010字符秒字符秒=110=110位秒位秒=110=110波特波特五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源64在異步串行通信中，接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備在異步串行通信中，接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備保持相同的傳送波特率，并使每個字符數(shù)據(jù)保持相同的傳送波特率，并使每個字符數(shù)據(jù)的起始位與發(fā)送設(shè)備保持同步。起始位、數(shù)的起始位與發(fā)送設(shè)備保持同步。起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶位和停止位的約定，在同一次

43、傳據(jù)位、奇偶位和停止位的約定，在同一次傳送過程中必須保持一致，這樣才能成功地傳送過程中必須保持一致，這樣才能成功地傳送數(shù)據(jù)。送數(shù)據(jù)。 實現(xiàn)串行通信方式的硬件電路稱為串行通實現(xiàn)串行通信方式的硬件電路稱為串行通信接口電路芯片。串行通訊接口電路至少包信接口電路芯片。串行通訊接口電路至少包括一個接收器和一個發(fā)送器。括一個接收器和一個發(fā)送器。五、通信模塊與電源五、通信模塊與電源65從本質(zhì)上講，所有的串行接口電路都是以并從本質(zhì)上講，所有的串行接口電路都是以并行數(shù)據(jù)形式與行數(shù)據(jù)形式與CPUCPU接口，而以串行數(shù)據(jù)形式與外部接口，而以串行數(shù)據(jù)形式與外部邏輯接口，它們的基本功能是從外部設(shè)備接收串邏輯接口，它們的基本功能是從外部設(shè)備接收串行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后傳送給行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)后傳送給CPUCPU，或者從，或者從CPUCPU接收并行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變成串行數(shù)據(jù)后輸出給外部接收并行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變成串行數(shù)據(jù)后輸出給外部設(shè)備。過程為：數(shù)據(jù)的設(shè)備。過程為：數(shù)據(jù)的CPU CPU 輸