【正文】 要求。 A/D轉(zhuǎn)換模塊 A/D轉(zhuǎn)換模塊的功能是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)數(shù)據(jù)總線能接受的數(shù)字信號。MAX1276是一款12位漸近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低功耗、高速、串行輸出的特點(diǎn)。有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口可以輕松的與C8051F120的同步串行接口相連。器件采用真差分輸入，提供更好的噪聲抑制、具有改進(jìn)的失真特性以及在單端輸入時更寬的動態(tài)范圍，能夠滿足小電流選線裝置的精度要求。 MAX1276典型工作電路圖 Fig MAX1276 typical operating circuit 初始上電后，MAX1276需要一個完整的轉(zhuǎn)換周期，以初始化內(nèi)部校準(zhǔn)電路。在完成初始化轉(zhuǎn)換之后，器件就準(zhǔn)備好了正常操作。注意：僅僅在硬件上電后需要進(jìn)行初始化。MAX1276兼容于SPI的四種工作模式，可以通過控制寄存器中CPHA和CPOL位進(jìn)行編程選擇。當(dāng)SCLK信號處于空閑的低或者高電平，CNVST下降沿啟動一次轉(zhuǎn)換時序，采樣／保持器保持輸人電平，ADC開始轉(zhuǎn)換，DOUT高阻態(tài)變?yōu)檫壿嫷碗娖?。SCLK用于驅(qū)動轉(zhuǎn)換進(jìn)程，并從DOUT引腳串行移出每個轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)位。在第4個SCLK上升沿之后，SCLK開始移出數(shù)據(jù)。在每個SCLK上升沿的（SCLK上升到DOUT轉(zhuǎn)換時間）之后，DOUT輸出才有效，并且在下一個上升沿之后，還將保持4ns的有效時間。第4個時鐘上升沿在DOUT引腳輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB位（最高有效位），并且MSB在第5個上升沿之后保持4ns有效時間。由于共有12個數(shù)據(jù)位和3個引導(dǎo)零位，故至少需要16個時鐘上升沿移出所有位。連續(xù)工作模式時需要在第14個和第16個SCLK上升沿之間將CNVST拉高。如果CNVST信號在第16個 SCLK周期的下降沿保持低電平，DOUT 會在CNVST的上升沿或者下一個 SCLK上升沿變?yōu)楦咦钁B(tài)，以使多片器件共享該串行接口。C8051F120單片機(jī)的串行外設(shè)接口（SPI0）提供訪問靈活的全雙工串行總線。SPI0可以作為主器件或從器件，有3線工作方式和4線工作方式，并支持在同一總線上連接多個主器件和從器件。從選擇信號（NSS）可以被配置為輸入以選擇從方式下的SPI0，或在多主環(huán)境中禁止主器件方式操作，以避免兩個以上主器件試圖同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生沖突。NSS還可以被配置為主方式下的片選輸出，或在3線操作時被禁止。在主方式，可以用通用端口I/O引腳選擇多個從器件。主輸出、從輸入（MOSI）信號是主器件的輸出和從器件的輸入，用于從主器件到從器件的串行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)SPI0作為主器件時，該信號是輸出；當(dāng)SPI0作為從器件時，該信號是輸入。數(shù)據(jù)傳輸時最高位在先。當(dāng)被配置為主器件時，MOSI由移位寄存器MSB驅(qū)動。主輸入、從輸出（MISO）信號是從器件的輸出和主器件的輸入，用于從從器件到主器件的串行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)SPI0作為主器件時，該信號是輸入；當(dāng)SPI0作為從器件時，該信號是輸出。數(shù)據(jù)傳輸時最高位在先。串行時鐘（SCK）信號是主器件的輸出和從器件的輸入，用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)SPI0作為主器件時產(chǎn)生該信號。當(dāng)SPI從器件工作在4線從方式但未被選中時（NSS = 1），SCK信號被忽略。從選擇（NSS）信號的功能取決于SPI0CN（SPI控制寄存器）中NSSMD1和NSSMD0位的設(shè)置。有3種可能的方式：3線主方式或3線從方式、4線從方式或多主方式 、4線主方式。當(dāng)工作在3線主或從方式時，NSS不被交叉開關(guān)分配引腳。本裝置中僅有1個器件使用SPI口，所以選擇三線方式可以節(jié)約I/O口。SPI0主方式操作模式：SPI主器件啟動SPI總線上所有的數(shù)據(jù)傳輸。通過將主允許標(biāo)志置1將SPI0置于主方式。當(dāng)處于主方式時，向SPI0數(shù)據(jù)寄存器（SPI0DAT）寫入一個字節(jié)時是寫發(fā)送緩沖器。如果SPI移位寄存器為空，發(fā)送緩沖器中的數(shù)據(jù)字節(jié)被傳送到移位寄存器，數(shù)據(jù)傳輸開始。SPI0主器件立即在MOSI線上串行移出數(shù)據(jù)，同時在SCK上提供串行時鐘。在傳輸結(jié)束后 SPIF（SPI中斷位標(biāo)志）被置為邏輯1。如果中斷被允許，在SPIF標(biāo)志置位時將產(chǎn)生一個中斷請求。在全雙工操作中，當(dāng)SPI主器件在MOSI線向從器件發(fā)送數(shù)據(jù)時，被尋址的SPI從器件同時在MISO線上向主器件發(fā)送其移位寄存器中的內(nèi)容。因此，SPIF標(biāo)志既作為發(fā)送完成標(biāo)志又作為接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志。從從器件接收的數(shù)據(jù)字節(jié)以MSB在先的形式傳送到主器件的移位寄存器。當(dāng)一個數(shù)據(jù)字節(jié)被完全移入移位寄存器時，便被傳送到接收緩沖器，處理器通過讀SPI0DAT來讀該字節(jié)。使用SPI0配置寄存器（SPI0CFG）中的時鐘控制選擇位可以在串行時鐘相位和極性的4種組合中選擇其一。當(dāng)CKPOL=0，CKPHA＝0，SCK 低電平為空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)在時鐘前半周期采樣（上升沿采樣）；當(dāng)CKPOL=0，CKPHA＝1，SCK低電平為空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)在時鐘后半周期采樣（下降沿采樣）；當(dāng) CKPOL=1，CKPHA＝0，SCK高電平為空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)在時鐘前半周期采樣；當(dāng)CKPOL=1，CKPHA＝1，SCK高電平為空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)在時鐘后半周期采樣；當(dāng)SPI被配置為主器件時，最大數(shù)據(jù)傳輸率（位/秒），取兩者的較低值。在本裝置中，我們配置的系統(tǒng)時鐘頻率為49MHZ。單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線是單片機(jī)與存儲器和I/O設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)的公共通道。因此，A/D轉(zhuǎn)換器在與單片機(jī)接口時，要求其數(shù)據(jù)輸出端必須通過三態(tài)緩沖器與數(shù)據(jù)總線相連，當(dāng)未被選中時，A/D轉(zhuǎn)換器輸出呈高阻態(tài)，以避免干擾數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳輸。MAX1276在其內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出端口上集成了三態(tài)緩沖器，在輸出數(shù)據(jù)有效時，輸出采樣結(jié)果數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)換時，輸出數(shù)據(jù)端口稱高阻狀態(tài)，所以MAX1276可以與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線直接相連[11]。各母線上的零序電壓/零序電流信號分別通過電壓傳感器、電流傳感器轉(zhuǎn)換成低幅值信號，經(jīng)由低通濾波電路剔除高頻干擾，然后由模擬多路開關(guān)MAX308選擇A/D轉(zhuǎn)換的通道。此時，電壓為交流波形，而MAX1276的A/D轉(zhuǎn)換范圍為0～，所以增加了一個電壓調(diào)整電路使輸入A/D芯片的電壓轉(zhuǎn)換為MAX1276的輸入量程內(nèi)的電壓值。最后通過A/D轉(zhuǎn)換芯片把模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)數(shù)據(jù)總線能接受的數(shù)據(jù)。時序匹配是指單片機(jī)提供的控制信號的持續(xù)時間和相位關(guān)系能滿足所用A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號要求。由于單片機(jī)輸出的控制信號的寬度與其所用的時鐘頻率有關(guān)，所以通過控制C8051F120的SPI0CKR（時鐘控制寄存器）可以控制輸出時鐘頻率，以滿足MAX1276的需要。 硬件連接圖Fig Hardware connection diagram用多路開關(guān)MAX308和轉(zhuǎn)換芯片MAX1276構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換電路的有關(guān)參數(shù)如下：MAX308輸入?yún)?shù)Vin開關(guān)閉合后的輸出建立時間Ttrans（從開關(guān)閉合控制邏輯上升至標(biāo)準(zhǔn)高電平的50%起，到Vout達(dá)到90%Vin止）最大值為450ns，典型值為115 ns；取決于輸入時鐘SCLK的頻率。，現(xiàn)取C8051F120的最大輸出頻率100 MHz的四分之一，即25 MHz，則SCLK=25 MHz，周期Ts=40ns；MAX1276在接到經(jīng)過MAX308送來的模擬輸入Vin后，對Vin的采樣（即對保持電容充電）時間為104 ns；MAX1276被啟動后即進(jìn)入保持（即與Vin斷開）階段和開始A/D轉(zhuǎn)換：用3個脈沖完成A/D轉(zhuǎn)換，再用13個SCLK 通過SPI總線向上位機(jī)傳送出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。 轉(zhuǎn)換和傳輸所用的全部時間為 40*（3+13） =640ns。以MAX308和轉(zhuǎn)換芯片MAX1276構(gòu)成的子系統(tǒng)完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間共計(jì)為115 ns +104 ns +640 ns=859 ns?？紤]到雖然還有一些其他的延時，但一般不會超過100 ns。因此可以認(rèn)定：MAX308和轉(zhuǎn)換芯片MAX1276構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速率不小于1MSPS。 存儲空間擴(kuò)展模塊 存儲器就是用來存儲信息的部件。正是有了存儲器，單片機(jī)才有了對信息的記憶功能。程序、數(shù)據(jù)以及運(yùn)算結(jié)果都存放在存儲器中。程序和數(shù)據(jù)在CPU的控制下首先通過輸入設(shè)備輸入到存儲器，然后CPU再從存儲器中取出程序指令和要處理的數(shù)據(jù)，并按程序指令的要求進(jìn)行運(yùn)算處理，最后處理的結(jié)果仍送回存儲器中或通過輸出設(shè)備顯示出來?；贑8051F120的小電流接地故障選線裝置集成了多種算法，需要采集的零序電壓、零序電流信號等需要150K以上的空間，并且其故障故障錄波模需要記錄故障發(fā)生時的各種信息，大約需要12MB左右的空間，單片機(jī)內(nèi)部的存儲空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其要求。因此在本系統(tǒng)中，我們擴(kuò)展了一片慢速非易失性128MB 的FLASH芯片K9K1G08U0M和一片快速靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器（SRAM），從而滿足了選線裝置對選線算法及數(shù)據(jù)存儲的要求。 SRAM的擴(kuò)展 在本裝置中，采集的零序電壓、零序電流信號共有48路，每一路數(shù)據(jù)采集6個周波，一個周波采集50個點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用浮點(diǎn)數(shù)表示方式，長度為4字節(jié)，這就要求486504=。考慮到交互數(shù)據(jù)的需要，至少要求3個這樣大小的存儲區(qū)域即為57 .6K3=，而C8051F120的內(nèi)存空間僅為8KB左右，所以我們采用了靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM技術(shù)來擴(kuò)展內(nèi)存空間。 所謂靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM是靠用雙極型電路或MOS電路構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來記憶信息的，只要有電源正供電，觸發(fā)器就能穩(wěn)定地存儲數(shù)據(jù)，因此稱為靜態(tài)存儲器。SRAM的特點(diǎn)是速度快，不需要刷新，外圍電路比較簡單，但集成度低（存儲容量小），功耗大。目前，SRAM的存取速度在5ns以下，單片容量約為256K左右。SRAM被廣泛地用作高速緩沖存儲器Cache，存儲代碼和大量的采樣數(shù)據(jù)供CPU在需要的時候調(diào)用。 眾所周知，普通SRAM在電源掉電后，其中的數(shù)據(jù)隨即消失，再次加電后存貯器中的數(shù)據(jù)為隨機(jī)數(shù)。這對于需要保存大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)及各種系統(tǒng)參數(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)來說無疑是不允許的。雖然FLASH存儲器的數(shù)據(jù)不會因掉電而丟失，但是其寫入速度對于相對于ns級的SRAM來說太慢，無法存放計(jì)算產(chǎn)生的中間結(jié)果，無法高速隨機(jī)地大量寫入數(shù)據(jù)，而且FLASH存儲器寫入次數(shù)有限(10萬次左右)，而SRAM可以無限次寫入，在采樣數(shù)據(jù)大、對實(shí)時性要求高的本裝置中，F(xiàn)LASH存儲器無法替代SRAM。為了解決SRAM的數(shù)據(jù)保存問題，國內(nèi)外很多著名半導(dǎo)體公司推出了可以完全替代SRAM的NVSRAM系列產(chǎn)品。NVSRAM是一種非易失性的靜態(tài)存儲器。它既能快速存取，斷電時又不丟失數(shù)據(jù)，所以兼具RAM和ROM的特性。實(shí)際上，它就是把SRAM的讀寫功能與EPROM的非易失能力結(jié)合在一起的產(chǎn)品。 綜合對保護(hù)數(shù)據(jù)的可靠性、訪問速度、溫度范圍、適用壽命、價(jià)格等各方面因素的考慮，在本裝置中我們選用了MAXIM公司的DS2045W[12]。 DS2045W容量為1MB，工作在工業(yè)級溫度范圍(40℃至+85℃)，由一個可回流焊的非易失(NV) SRAM，和一個內(nèi)部可充電錳鋰(ML)電池構(gòu)成。這些元件封裝在表貼模塊中，所有模塊均具有相同尺寸和256焊球BGA封裝，因而無需重新設(shè)計(jì)PCB即可在設(shè)計(jì)中按需增加RAM容量。 DS2045W的智能電路持續(xù)監(jiān)視主電源電壓是否處于允許范圍內(nèi)。當(dāng)主電源超出容限時，寫保護(hù)和數(shù)據(jù)保留功能被無條件使能以防止數(shù)據(jù)丟失；上電后，ML電池開始充電，SRAM由外部電源供電，SRAM內(nèi)容可修改。斷電或超出容限時，控制器對SRAM的內(nèi)容進(jìn)行寫保護(hù)，并由電池對SRAM供電。DS2045W還具有一個電源監(jiān)控輸出，/RST指示，可以用來作微處理器的CPU監(jiān)視器。DS2045W對執(zhí)行寫周期的次數(shù)沒有限制，而且與微處理器接口無需額外的支持電路。： Fig DS2045W connection with the microprocessor存儲器操作真值表如表 所示：X表示0、1任意狀態(tài)。當(dāng)（寫操作信號）置高，（片選信號）為低時DS2045W執(zhí)行讀周期。步驟：通過地址總線把要讀取的地址傳送到相應(yīng)的讀取地址引腳，激活選擇SRAM芯片；激活（輸出使能）引腳讓SRAM知道是讀取操作，要讀取的數(shù)據(jù)就會從引腳傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線。當(dāng)（寫操作信號）置低，（片選信號）為低時，DS2045W執(zhí)行讀周期。步驟：通過地址總線確定要寫入信息的位置(確定引腳沒有被激活）；激活選擇SRAM芯片；激活引腳讓SRAM 知道是要進(jìn)入寫操作。 表 存儲器操作真值表Table Memory operation truth table模式輸出100讀活動活動101讀活動高阻00X寫活動高阻X1X備用備用高阻 FLASH 芯片的擴(kuò)展 故障發(fā)生后，需要采集各種故障錄波數(shù)據(jù)，主要包括中性點(diǎn)電壓變化情況、各條電路的零序電流變化、故障發(fā)生時的裝置設(shè)置情況以及裝置對于故障給出的各種結(jié)論等。這些數(shù)據(jù)將被存儲到FLASH存儲器中，以利于以后對選線結(jié)果的分析。其功能就像是電腦的硬盤，數(shù)據(jù)保存到硬盤里就不會丟失了，需要的時候就可以讀出來，可以實(shí)現(xiàn)對重要數(shù)據(jù)的備份保護(hù)，保證不會因?yàn)閿嚯姷犬惓?dǎo)致系統(tǒng)的崩潰，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。6504=，故障錄波保存200次故障數(shù)據(jù)就需要57 .6K200=，C8051F120內(nèi)部FLASH只有128KB，因此本裝置采用K9K1G08U0M擴(kuò)展了FLASH存儲器。 K9K1G08U0M是韓國三星(Samsung)公司采用NAND技術(shù)生產(chǎn)的128MB大容量、高可靠、非易失性FLASH存儲器，具有讀寫可靠、可擦寫、操作簡便，存儲在該芯片中的數(shù)據(jù)可在斷電情況下維持10年而不丟失的特點(diǎn)。存儲器將數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8條線，另外還分別提供了命令控制信號線，因此，NANDFLASH存儲器不會因?yàn)榇鎯θ萘康脑黾佣?