作者：劉建;程漢湘;朱約章;吳春芳

在SVG（靜止無功發生器）裝置中涉及到大量的復雜計算（如濾波計算?瞬時無功計算）和先進的控制手段（如矢量控制）以及諸多信號的采集和發送，使得單個CPU很難滿足系統要求?因此采用高集成度的嵌入式處理器與DSP芯片組成雙CPU系統來實現對整個系統的控制?

1 系統設計

1.1 系統的組成及原理

雙CPU系統的原理圖框圖如圖1所示?系統采用80C196KC和ADMC401兩個芯片作為核心處理器?ADI公司的ADMC401芯片是基于DSP的控制器，非常適于工業應用領域中的高性能控制?該芯片集成了一個高速的DSP內核，且其內核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成的環境中快速實現控制?Intel公司的80C196（KB/KC）是一款高性能且價格低廉的16位單片機，同樣適用于高速控制和需要多個外設的場合?兩個CPU在運行時獨立執行存放在不同器件中的程序，同時保持相互之間的協調工作?考慮到系統本身的復雜性，如果使用傳統的RAM?ROM和邏輯譯碼器件分離的系統接線方式，必定會使得整個控制電路過于龐雜，給調試帶來很大困難，同時也降低了系統的穩定性?因此，該系統用到了可編程系統外圍接口器件PSD產品中的PSD4235和PSD311?它們分別作為兩個CPU的外部擴展器件，并和CPU組成一個雙CPU-PSD系統（簡稱雙CPU系統），如圖1所示?兩個CPU間的相互通信采用了雙口RAM（IDT7132），通過它可以順利實現兩個CPU之間的數據傳輸?鍵盤管理部分用82C79接口芯片?輸出顯示部分用以SED1520為驅動芯片的MGLS-12032A液晶模塊（LCD）?系統中專門增加了額外的串行E2PROM，主要用于掉電時數據的保護以及記錄部分操作參數?此外，組成系統的還有WATCHDOG電路?UART電路等?它們在系統中的資源分配?功能實現都是通過對控制器的軟件編程來完成?下面將詳細介紹各部分的接口電路設計以及相應的工作原理?

1.2 80C196KC部分設計

16位的80C196KC芯片是Intel公司MCS-96系列單片機中重要的新成員，也是目前該系列單片機中性能最強的產品之一，在各類自動控制系統?數據采集系統和高級智能儀器中都有廣泛的應用?80C196KC芯片的特點如下：振蕩信號頻率達16MHz，指令的運算速度更快，16位乘法1.75μs，32位除法3.0μs;8個A/D通道，可以方便地實現被控對象多點電壓和電流采樣;通過CPU的串行口可實現與上位PC機之間的通信;新增100H~1FFH內部RAM，在垂直窗下具有更靈活的運用;具有三路脈寬調制（PWM）輸出;在80C196KB的基礎上又增加了5條（KB已經增加了6條），使程序編制更加方便;16位多路復用地址數據/地址線可以與PSD直接接口，同時通過鎖存器后，可將地址和數據分別接至雙口RAM，實現多個CPU之間的數據傳輸等?詳細的性能參數和特點請參見文獻［1~2］?在雙CPU系統中，80C196主要完成的功能有鍵盤控制?顯示輸出?數據保存?信號傳送等?由于涉及的內容復雜，而且還需要與很多外圍接口，所以用到了大容量?多端口的PSD4000系列芯片與它配合，圖2所示即為80C196KC部分的電路圖?

雖然CPU的數據與地址線可以直接與PSD連接，但是在雙口RAM時，數據與地址信號必須分離?所需用到的鎖存器在圖2中省略了?PSD4235芯片是WSI公司2000年最新推出PSD4000系列產品，它能夠適應多種不同的微處理器?其片內集成了4M位的閃速存儲器，16個輸出微單元?24個輸入微單元的CPLD?譯碼PLD，52個單獨可配置I/O端口，JTAG串行接口等，并且有支持掉電模式的低功耗可編程電源管理單元?PSD芯片對外地址分配和各接口的邏輯譯碼由專用的軟件PSDSOFTTMLITE實現，具體情況請參考文獻?使用PSD后極大地簡化了硬件電路的設計，減少了印制電路板的面積，提高了系統的穩定性?顯示部分通過單片機控制圖形液晶模塊MGLS-12032實現?該模塊有直接訪問方式和間接訪問方式兩種?本系統以間接訪問方式為基礎?圖2所示即為間接訪問方式的電路?顯示模塊的時序通過對80C196編程實現?液晶模塊MGLS-12032A是兩片SED1520級聯在一起，一片處于主工作方式，一片處于從工作方式，它們分別控制顯示屏幕的左?右半屏?在編程時要特別注意漢字和字符顯示時在邊界區域兩片SED1520間的切換?模塊詳細的內部結構和具體的編程實現方法可查閱文獻?

系統中外部擴展了串行的E2PROM電路，用來存放系統的一些固定參數等，使用的芯片是Atmel公司的AT24C02?它只需通過80C196KC的高速輸入?輸出通道（HIS和HSO）產生連續的高低電平序列，便可實現與CPU之間的數據傳輸?從硬件的角度來看，該芯片不占用任何數據總線，連接簡單且節約大量系統資源?

1.3 ADMC401部分設計

ADMC401芯片是一個基于單片DSP的控制器，適合工業應用領域中高性能控制?該芯片集成了一個26MIPS（13MHz晶振）定點內核ADSP-2171，單條指令執行時間為38.5ns，其編碼與ADSP-21xxDSP 系列完全兼容?內核具有一套完備的外圍控制接口，以便在高度集成環境中快速實現對元器件的控制;它還包含三個計算單元?兩個數據地址發生器和一個程序定序器?其中計算單元包含一個算術邏輯單元ALU?一個乘法/累加器（MAC）和一個桶式移位器?內核還增加了位操作?平方?四舍五入和全局中斷屏蔽等指令?除此之外，ADMC401芯片包括兩個靈活的雙緩沖器?雙向的同步串行口?圖3為ADMC401的功能框圖?ADMC401芯片提供2K×24位的內部程序存儲器RAM?2K×24位的內部程序存儲器ROM?1K×16位的內部數據存儲器RAM?1個高性能8通道12位模數轉換ADC系統（它能經過4對輸入實現雙通道同時采樣）?1個三相16位中心對稱的PWM發生器（能以最小開銷產生高精度的PWM信號）?1個靈活的增量編碼器接口單元?2個可調頻的輔助PWM輸出?12條I/O數字信號線?1個雙通道事件捕獲系統?1個16位看門狗定時器?2個16位內部定時器等?

PSD3XX芯片內部同樣提供了許多應用系統需要的全部元件和外圍?對于8051?80196和68HC11等微控制器來說與PSD相配合是極為有用的?ADMC401與它結合同樣非常有效?考慮到ADMC401內部程序的長度以及接口并不象80196控制器那么多（80196需要完成人機界面實現?信號傳送?外圍器件接口等），所以采用PSD311（現有價格最低的3系列產品）?ADMC401芯片的引導程序裝載可以通過兩個引腳MMAP和BMODE的各種不同狀態產生?如果引腳MMAP和BMODE電位都為0，那么ADMC401芯片工作在所謂的EPROM引導程序模式，其中被稱為“引導存儲器”的專用外部存儲空間將允許芯片和字節寬度的EPROM相連，并在上電時通過存儲器接口從外部裝載程序;如果引腳MMAP和BMODE設置為其它電位將會產生不同的引導模式;另外，401芯片有一個專門的低電平有效信號--引導存儲器選擇BMS（Boot Memory Select）簡化了引導存儲器的接口?以上這些功能極大地方便了ADMC401與PSD接口?

圖4為ADMC401與PSD311的接口電路圖（圖中還包括了一些其它外圍）?ADMC401與PSD311的連接幾乎和它與標準的EPROM連接一樣簡單?由于總線的通路布在ADMC401內部，PSD311的8根數據線并不與ADMC401的D7~D0相連，而是與D15~D8C相連?還要注意，地址的最高位由ADMC401的D22線提供（在ADMC401中沒有A14地址線）?BMS信號充當EPROM的片選并與PSD311的A19輸入相連接?A19在PSD的程序里將被定義為芯片使能信號?ADMC401生成低有效讀和寫選通脈沖，它們與PSD311的RD和WR輸入相連?這些選通脈沖在傳輸中用來選通PSD311的EPROM和RAM?ADMC401有2K×24位的內部程序存儲空間?在采用EPROM引導程序模式時（MMAP=0，BMODE=0），外部程序通過ADMC401內部的定序器按照24位命令格式一次性全部下載到其內部程序存儲空間?當然應用程序可能大于ADMC401內部程序存儲空間，不過程序如果執行到后面的代碼，ADMC401會自動重新引導?引導程序存儲器由八頁組成，每頁8K字節長?

一頁中除了第一個字節外每隔三個字節是一個空字節，第一個字節是該頁的長度，在兩個相鄰空字節中每組三個字節包含一個要裝入DSP 內部程序存儲器的24位指令?也就是說2K×24位的內部程序存儲空間需要8K×8位的外部存儲空間?在ADMC401的開發工具中有一個程序存儲器PROM分配器實用程？quot;SPL21.exe“?它為用戶程序計算正確的頁長度，并且根據適當的協議為用戶程序的字節排序，極大地方便了程序代碼的生成?這些生成的代碼可以直接寫入PSD311?

2 80C196KC-ADMC401兩片系統在SVG裝置中的應用

SVG（Static Var Generator）--靜止無功發生器也被稱為STATCOM（Static Synchronous Compensator），是靈活交流輸電系統FACTS（Flexible AC Transmission System）技術中一個重要的基礎部件?雖然SVG裝置的成本要高一些，但其靈活的動態調節特性?優越的補償效果以及更小的設備體積都是其他無功補償裝置不能比擬的?很多文獻資料對SVG裝置的原理和研制都有介紹?圖5為兩片系統的SVG裝置結構圖?

系統共分為三個主要部分?第一部分是由80C196KC-ADMC401兩片系統構成的檢測控制部分?80196主要負責人機界面的完成以及向上位機發送信號等功能?ADMC401的高速流水線式的8路A/D采樣端口也為電壓電流的快速采集提供了保證，同時ADMC401還要完成數字濾波計算?無功計算?PWM控制信號的產生發送等功能?第二部分是由IGBT模塊構成的逆變電路?SVG裝置的關鍵部件就是它的逆變橋路部分，而ADMC401集成的專用6路PWM波發生器正好提供了靈活的控制方法?此外，逆變電路部分采用富士電機最新推出的R系列IGBT-IPM模塊7MBP100RA-120?

它將過去的IGBT單元?驅動電路?保護電路等結合在一個模塊中，極大地提高了實際應用系統的穩定性，簡化了設計的難度，縮小了裝置的體積?第三部分是由電力二極管構成的全波整流電路?整流電路采用日本富士公司的三相全波整流模塊6RI100G-160?主要將三相線路上的交流電壓變為直流輸出，從而維持直流電容兩端電壓的穩定，為逆變電路提供一個直流電?這樣避免了要輕微改變逆變器的觸發工作角來達到提高和穩定電容上電壓的情況?電流的檢測是利用KT100-P型電流傳感器完成，電壓的檢測是利用CHV-50P電壓傳感器完成?輸出顯示部分是用以SED1520為驅動芯片的MGLS-12032A液晶模塊?以上各部件功能都是通過對ADMC401數字信號處理芯片和80C196KC軟件編程實現? 80C196KC和ADMC401組成的兩片系統，應用范圍相當廣泛，非常適合計算量大?多外設?高速度的場合?

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