串行時鐘PCF8583在微機保護裝置中的應用

引言
微機保護裝置配備的高性能實時時鐘，用來記錄微機保護動作、開關變位、事故與預告等事件的時間信息，從而形成完整的事件順序記錄，對分析繼電保護的動作行為、提高電力系統(tǒng)運行的可靠性具有重要意義。與先前的時鐘器件(如DS12C887)相比，PCF8583是串行總線擴展方式的實時時鐘器件，只需通過DSP的I2C時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可完成其參數(shù)設置、讀取日期和時間等操作，同時PCF8583接口簡單，占用DSP資源少和可靠性高，且掉電時仍能夠進行時間計數(shù)。dsPIC33F系列微處理器是將單片機與DSP技術相結(jié)合的高性能16位數(shù)字信號控制器，將該控制器與串行時鐘PCF8583同時應用于微機保護裝置，可進一步提高微機保護裝置的整體性能。因此，這里提出一種基于PCF8583和dsPIC33F系列微處理器的微機保護裝置設計方案。

2 PCF8583簡介
2．1 PCF8583的結(jié)構與功能
PCF8583是帶有256x8 bit RAM的8引腳日歷／時鐘器件。內(nèi)置完整的振蕩、分頻、上電復位電路，具有4年日歷時鐘，12或24 b格式，帶可編程的鬧鐘、定時和中斷功能，并具有體積小、硬件連線少、帶有256字節(jié)的靜態(tài)RAM等特點。它采用I2C兩線串行總線接口傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)，在每次讀寫數(shù)據(jù)字節(jié)后，內(nèi)部字地址寄存器自動遞增；地址引腳A0用于編程設置硬件地址，這樣可在不增加硬件的情況下使總線上允許掛接兩個器件；內(nèi)置32．768 kHz振蕩器RAM區(qū)的前8個字節(jié)用于時鐘／日歷和計數(shù)器功能，接下來的8個字節(jié)作為報警寄存器或RAM使用，剩下的240個字節(jié)RAM則由用戶自由分配。其中00H為控制狀態(tài)寄存器，01H為1／100 s寄存器，02H為秒寄存器，03H為分寄存器，04H為時寄存器，05H為年／日寄存器，06H為星期／月寄存器，07H為定時寄存器，08~0F單元可設置為空閑單元或鬧鐘寄存器，在日歷時鐘方式中，百分之一秒、秒、分、時、日、月、年和星期都是以BCD碼存放。I2C總線的主器件可通過對其控制／狀態(tài)寄存器進行讀，寫操作。
2．2 PCF8583的PC總線及其讀寫操作
I2C總線是Philips推出的串行傳輸總線，以兩根連線實現(xiàn)完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳輸，可構成多機系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)。I2C總線采用器件地址的硬件設置方法，通過軟件尋址，完全避免器件的片選線尋址方法，從而使硬件系統(tǒng)具有簡單靈活的擴展方法。由于I2C總線是同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線。其內(nèi)部為雙向傳輸電路，端口為漏極開路輸出，故總線上必須掛接上拉電阻，該上拉電阻阻值通?？扇?-10kΩ。系統(tǒng)中的所有外圍器件及模塊都是總線上的節(jié)點，當I2C工作時，任何一個主器件節(jié)點都能控制總線，當某個主器件節(jié)點控制總線，則成為主控制器。系統(tǒng)中所有節(jié)點采用器件地址或引腳地址的編址方法。I2C總線規(guī)定起始信號后的第一個字節(jié)為尋址字節(jié)，用于尋址被控器件，并規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸方向。I2C總線在數(shù)據(jù)傳輸中共有開始信號、結(jié)束信號和應答信號3種類型。其中，開始信號是當SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變；結(jié)束信號是當SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變。結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸；而應答信號則是接收數(shù)據(jù)的器件在接收到8位數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的器件發(fā)出待定的低電平脈沖，表示已接收數(shù)據(jù)。
主器件節(jié)點讀寫從節(jié)點(這里將PCF8583設為從節(jié)點)數(shù)據(jù)的示意圖如圖1所示。發(fā)送到SDA線上的每個字節(jié)必須為8位，每次可發(fā)送的字節(jié)數(shù)不限，但每個字節(jié)后必須跟一個應答信號。首先傳輸最高數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)全部傳輸完后，主控制器發(fā)送停止信號。

3 PCF8583與微機保護裝置的接口設計
3．1 硬件系統(tǒng)設計
該系統(tǒng)設計采用dsPIC33F系列dsPIC33FJ256GP7 10型系列微處理器，其內(nèi)部集成了RAM，F(xiàn)lash及各種外設模塊，包括2個A／D轉(zhuǎn)換模塊、2個SPI接口模塊、2個I2C模塊、2路CAN和UART通信模塊等，因而外嗣擴展電路少，進一步簡化了硬件結(jié)構。
基于dsPIC33FJ256GP710的保護測控裝置分為CPU模塊單元、交流插件、數(shù)字量I／O單元、通信單元、人機接口單元和電源單元等，通信接口直接與上位機或通信管理機連接，人機接口采用128×~64點陣式液晶顯示器和專用鍵盤，顯示信息量大，操作方便。
圖2為CPU模塊原理框圖。該微機保護裝置具有16路開關輸入量，16路開關輸出量，15路模擬量。由于dsPIC33F強大的計算能力和完善的控制功能，可單獨完成計算、控制、通信、人機接口等功能，減少了元件數(shù)，簡化了硬件結(jié)構設計。又因dsPIC33F微處理器內(nèi)部集成有RAM，F(xiàn)lash、A／D轉(zhuǎn)換等，使得外圍擴展電路很少，大大簡化了硬件結(jié)構設計，極大提高了保護裝置的抗干擾性和可靠性。

圖3為PCF8583與dsPIC33FJ256GP710的接口電路。dsPIC33FJ256GP710的I2C數(shù)據(jù)信號SDA1和時鐘信號SCK1分別與PCF8583的SDA和SCL連接，I／O端口RG0與INT請求信號連接；R1，R2為上拉電阻，G為時鐘晶振，在通常情況下該電路由VDD供電。保護裝置掉電時則南電池BT1供電保證時鐘持續(xù)運行，二極管VD1和VD2用于隔離內(nèi)部電池和VDD。擴展的串行時鐘PCF8583用于記錄系統(tǒng)工作時間，其內(nèi)含一個鋰電池，斷電情況下可運行十年以上而不會丟失數(shù)據(jù)。與同類并行時鐘(如DS12C887)相比，PCF8583結(jié)構簡單，可靠性高。