【正文】 96KC 和各種外設(shè)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、顯示和通訊，接著討論了 CAN 總線，并分析了通過(guò) SJA1000CAN 控制器實(shí)現(xiàn) CAN 通訊的原理、方式和過(guò)程。在文章的最后給出了在具體設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題。2 變壓器監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)概述 變壓器監(jiān)測(cè)終端的技術(shù)指標(biāo)隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，供電質(zhì)量和供電可靠性越來(lái)越受到重視，電壓、電流、諧波、負(fù)荷電流水平和功率因數(shù)等參數(shù)是衡量電能質(zhì)量的重要參數(shù)。變壓器監(jiān)測(cè)終端通過(guò)采集這些參數(shù)，計(jì)算并且判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣，同時(shí)與監(jiān)測(cè)主站進(jìn)行通訊，接收主站下達(dá)的各種命令，傳送主站所需的各種參數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。變壓器監(jiān)測(cè)終端的最主要功能是采集、存貯及通訊。根據(jù)變壓器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程要求，本次設(shè)計(jì)的要求如下：(1)采集三相交流輸入電壓、電流量，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率的測(cè)量。其中電壓的輸入范圍是 0～260V，電流的輸入范圍是 0～5A，電壓及電流的采樣精度是177。％，有功、無(wú)功功率的采樣精度是177。％，要求能耐浪涌電壓 1200V。采集電能表脈沖或多功能電能表信息，實(shí)現(xiàn)有功電能量、無(wú)功電能量的測(cè)量。有功電量的精度是177。％。采集 2 路數(shù)字輸入量，控制 8 路輸出量，事件順序記錄的分辨率≤2ms。監(jiān)視變壓器油溫，記錄并上報(bào)異常信息。(2)接收上一級(jí)的校對(duì)命令，時(shí)鐘日走時(shí)誤差≤1s，終端自身時(shí)鐘的日走時(shí)誤差≤5s。當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)方設(shè)置整定值（電壓超時(shí)值，電流量警告值） ，設(shè)置 PT，CT 倍率和時(shí)段等參數(shù)。(3)當(dāng)電壓、電流連續(xù)超整定值時(shí)，記錄并上報(bào)其極限值、發(fā)生的起始時(shí)間和終止時(shí)間（時(shí)間記錄精確到分） ，至少記錄最近 5 次。統(tǒng)計(jì)電壓合格率，統(tǒng)計(jì)失電時(shí)間，記錄及上報(bào)失電的起始和終止時(shí)間（時(shí)間記錄精確到分） 。當(dāng)終端電源失電時(shí)，儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)不能丟失。生成電流曲線和典型日的負(fù)荷曲線。可以按日、月統(tǒng)計(jì)并保存數(shù)據(jù)，月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可連續(xù)保存 2 個(gè)月。按設(shè)定時(shí)段累積計(jì)算分時(shí)電能量，記錄月、年最大需要量及其出現(xiàn)時(shí)間。(4)能與上級(jí)站或主站控制終端通信，將采集和處理的信息向上發(fā)送并接受上級(jí)站或主站控制終端的命令。按 IEC6087C5101 的通訊規(guī)約進(jìn)行通訊。接受并執(zhí)行遙控指令及控制繼電器的開(kāi)、合動(dòng)作，并具有越限報(bào)警、過(guò)壓壓、欠、缺相、缺零、諧波越限、保護(hù)閉鎖及當(dāng)?shù)乜刂乒δ堋?5)終端有當(dāng)?shù)刈哉{(diào)試功能。具有自診斷功能，發(fā)現(xiàn)終端的內(nèi)存、時(shí)鐘、I/O 口等工作異常時(shí)應(yīng)記錄及保存。應(yīng)有上電及軟件自恢復(fù)功能。能防止負(fù)荷引起的瞬時(shí)電流過(guò)大和電壓過(guò)低、電容器投切時(shí)的瞬時(shí)浪涌電壓或電流且能防止將異常數(shù)據(jù)作為運(yùn)行參數(shù)的最高值和最低值存入記錄。 變壓器監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)概述隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，供電質(zhì)量和供電可靠性越來(lái)越受到重視，電壓、電流、諧波、負(fù)荷電流水平和功率因數(shù)等參數(shù)是衡量電能質(zhì)量的重要參數(shù)。變壓器監(jiān)測(cè)終端通過(guò)采集這些參數(shù)，計(jì)算并判斷電能質(zhì)量的優(yōu)劣，同時(shí)與監(jiān)測(cè)主站進(jìn)行通訊，接收主站下達(dá)的各種命令，傳送主站所需的各種參數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。變壓器監(jiān)測(cè)終端由兩大核心部分組成，一是高速數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320F206，另一是 INTEL 的工業(yè)級(jí) CPU 芯片 80C196KC。DSP 負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理，而80C196KC 負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存貯處理及通訊。兩部分通過(guò)雙口 RAM 進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和通訊。參見(jiàn)圖 1。圖 1 TTU 系統(tǒng)框圖變壓器監(jiān)測(cè)終端前端首先把經(jīng)過(guò) CT、PT 三相電壓、電流，轉(zhuǎn)換為標(biāo)稱(chēng)值為 100V和 5A 的電壓、電流，再把該信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為跟隨式的標(biāo)稱(chēng)值為 5V 的電壓信號(hào)（此處采用西南自動(dòng)化研究所的 WB 系列傳感器） 。信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器生成頻率相同的方波，以利于測(cè)頻和實(shí)現(xiàn)缺相檢測(cè)。同時(shí)六路信號(hào)通過(guò)四階巴特渥斯低通濾波器和采樣保持器濾波采樣，由 DSP 控制多路切換開(kāi)關(guān)來(lái)選擇六路信號(hào)分別進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器SRAMEPROMDS1287遙 控 輸入 CAN雙 口RAMDSPA/D采樣遙 信 輸入 串 行 口 遙 測(cè) 輸入POWERLCD、鍵 盤(pán)MAX120。DSP 同時(shí)控制 A/D 的采集，且把采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行公式計(jì)算和 FFT 運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參數(shù)的檢測(cè)，并把頻率、電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率和諧波存入雙口RAM 并置位標(biāo)志位。變壓器監(jiān)測(cè)終端后端發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位后，從雙口 RAM 中讀出數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種判斷，并將需要的數(shù)據(jù)存貯于掉電保護(hù)的 SRAM 中，而程序存貯于 32K 的 EPROM 中。一旦上電，80C196KC 單片機(jī)將自動(dòng)的從 EPROM 中讀取程序，進(jìn)行操作。系統(tǒng)時(shí)鐘由可編程萬(wàn)年歷時(shí)鐘芯片 DS12887 提供，同時(shí)由控制中心精確對(duì)時(shí)。它的各項(xiàng)控制由可編程邏輯器件CPLD(XC95108)完成。如果判斷讀出的數(shù)據(jù)值越限，單片機(jī)就控制相應(yīng)的輸出繼電器動(dòng)作，進(jìn)行外部電容器的投切及報(bào)警信息的發(fā)送。如果值沒(méi)有越限，繼續(xù)定時(shí)發(fā)出信號(hào)，控制 DSP 部分開(kāi)始采集及進(jìn)行校驗(yàn)。終端與主站通過(guò) RS23RS485 和 CAN 總線傳送信息，RS232 主要做為當(dāng)?shù)卣{(diào)試接口，RS485 和 CAN 用于遠(yuǎn)程通訊，它們都采用IEC6087C5101 通訊規(guī)約。終端響應(yīng)主站以 101 通訊規(guī)約發(fā)送的控制命令及各項(xiàng)設(shè)置命令，并按照一定的格式把主站需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給主站。系統(tǒng)配有鍵盤(pán)輸入和 LCD 顯示，調(diào)試人員可以在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)鍵盤(pán)輸入命令，直接進(jìn)行控制并從 LCD 讀出所需數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的電源部分采用開(kāi)關(guān)電源模塊，使裝置能在較寬的電壓范圍內(nèi)正常工作。3 硬件實(shí)現(xiàn) 80C196KC 的體系結(jié)構(gòu)和硬件描述由于變壓器監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)存貯、處理及通訊都是由 80C196KC 來(lái)完成的，這里，首先來(lái)了解 80C196KC 的原理。繼 8051，8096BH 之后，Intel 公司又推出了一系列高性能的 CHMOS16 位單片機(jī)——8X196XX.。CHMOS 芯片耗電少，除正常工作外還可工作于 2 種節(jié)電方式：待機(jī)方式和掉電方式，進(jìn)一步減少了芯片的功耗。MCS－96 家族中的全部成員共享一套指令系統(tǒng)，有一個(gè)共同的 CPU 組織結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，在單片機(jī)的內(nèi)部“嵌入”了以往被認(rèn)為是“外部范圍”的各種電路，于是形成了各種不同型號(hào)的單片機(jī) [2]。Intel 的 CHMOS 16 位單片機(jī)有很多型號(hào)，集成在單片內(nèi)的“外圍設(shè)備”花樣繁多，80C196KC 就嵌入了時(shí)鐘發(fā)生器，I/O 口，A/D 轉(zhuǎn)換器，PWM，串行口，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，監(jiān)視定時(shí)器，高速輸入/輸出器、還有外設(shè)事務(wù)服務(wù)器 PTS 等外設(shè)，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖 2。 16 位中央處理器 CPU 及系統(tǒng)總線MCS—96CPU 由寄存器算術(shù)邏輯單元 RALU 和寄存器陣列組成。該 CPU 在結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是：RALU 沒(méi)有采用習(xí)慣的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器－寄存器結(jié)構(gòu)，CPU 的操作直接面向 256 字節(jié)的寄存器空間（由 232 字節(jié)的寄存器陣列和 24 字節(jié)的專(zhuān)用寄存器構(gòu)成），消除了一般結(jié)構(gòu)中存在的累加器的“瓶頸”效應(yīng)，提高了操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。同時(shí)，由于可通過(guò)專(zhuān)用的寄存器來(lái)直接控制 I/O 口，也就加速了輸入/輸出過(guò)程。在執(zhí)行過(guò)程中，MCS96 單片機(jī)的總線可以動(dòng)態(tài)地改變，配置成標(biāo)準(zhǔn)的 16 位分時(shí)切換的地址/數(shù)據(jù)總線，或配置成最小方式型的 16 位地址/8 位數(shù)據(jù)總線，以便適應(yīng)對(duì)外部寄存器進(jìn)行字節(jié)操作或字操作的不同需求 [3]。而 MCS51 只有 8 位系統(tǒng)總線，不能直接進(jìn)行字操作。這些都由芯片配置寄存器 CCR (CHIP CONFIGURATION REGISTER)完成?？偩€寬度受 和引腳 BUSWIDTH 的控制 [4]。 圖 2 80C196KC 的基本方框圖80C196KC 能提供幾種類(lèi)型總線信號(hào)。3 根雙功能控制線是：/BHE(/WRH),/WR/(/WRL)以及 ALE(/ADV)。這 3 根控制線所實(shí)現(xiàn)的功能由 和 決定。它提供 4 種總線控制方式：標(biāo)準(zhǔn)總線控制方式，寫(xiě)選通方式，地址有效選通方式，地址有效且寫(xiě)選通方式。器件內(nèi)部提供了 4 種就緒控制方式，這些方式取決于 和 的值，內(nèi)部就緒控制邏輯用來(lái)限制等待的狀態(tài)周期數(shù)，采用慢速器件時(shí)，可以把等待狀態(tài)插入到總線周期內(nèi)。當(dāng) READY 腳被拉低時(shí)，就開(kāi)始把等待狀態(tài)插進(jìn)去，一直到 READY 變高，或者等待狀態(tài)已經(jīng)等于由 CCR 所規(guī)定的狀態(tài)數(shù)時(shí)為止，此時(shí)要看哪種情況發(fā)生在先。 和 決定采取哪種方式上鎖，提供對(duì)內(nèi)部 ROM/EPROM 的保護(hù)。 中斷系統(tǒng)80C196KC提供了28個(gè)中斷源，18個(gè)中斷向量。其中非屏蔽中斷NMI、軟件陷阱TRAP和非法操作碼中斷是3種特殊的中斷源，各用了1個(gè)專(zhuān)門(mén)的中斷向量，其余25個(gè)中斷源分享另外15個(gè)中斷向量。除了硬件中斷優(yōu)先級(jí)邏輯外，80C196KC也可以靠軟件來(lái)確定中斷的優(yōu)先級(jí)。 定時(shí)器80C196KC有2個(gè)16位定時(shí)器和4個(gè)軟件定時(shí)器，其中定時(shí)器1在系統(tǒng)中作實(shí)時(shí)時(shí)鐘用，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不停地循環(huán)計(jì)數(shù)。定時(shí)器2根據(jù)外部引腳的觸發(fā)信號(hào)而計(jì)數(shù)，實(shí)際上是一個(gè)外部事件計(jì)數(shù)器。4個(gè)軟件定時(shí)器受高速輸出器控制，到達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的軟件定時(shí)器標(biāo)志，可以激活軟件定時(shí)器中斷。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生軟硬件故障，監(jiān)視定時(shí)器（俗稱(chēng)看門(mén)狗）將使系統(tǒng)復(fù)位，監(jiān)視定時(shí)器WDT(WATCH DOG)是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，當(dāng)它啟動(dòng)后，若在64K個(gè)狀態(tài)周期內(nèi)沒(méi)有指令清除它，則產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，將系統(tǒng)復(fù)位，重新初始化。這樣WDT就提供了一種使系統(tǒng)從瞬時(shí)故障中自動(dòng)恢復(fù)的能力。 存貯器80C196KC具有一個(gè)邏輯上完全統(tǒng)一的寄存器空間，可尋址范圍為64KB，其中0000H～01FFH單元和1FFFH～2080H單元是有專(zhuān)門(mén)用途的，所有其他單元可用于放置程序、數(shù)據(jù)或由按存貯器映射的外部設(shè)備占用。復(fù)位時(shí)，程序?qū)?080H單元開(kāi)始執(zhí)行。見(jiàn)表1。表1 80C196KC存