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        基于PSD3XX與ADMC401接口設計的靜止無功發生器系統發布時間:2018-3-13?|?來源:浙江浙輪電力科技有限公司

        1 PSD芯片說明

            對于一個單片機系統,如果采用常規的RAM、ROM和邏輯器件分離的系統連接方式,必定會使整個控制電路過于龐雜,從而給設計和調試帶來很大的困難,同時也會降低系統的穩定性。而美國WSI公司生產的可編程外圍邏輯器件PSD系列芯片內集成有EPROM、SRAM和PLD陣列等部件,它將單片機所需的多個外圍芯片集成在一個芯片內,從而大大地簡化了硬件電路的設計,減少了印制電路板的面積,縮短了開發周期。圖1是PSD3系列器件的組成結構。

            從圖中可以看到PSD3XX內部有256k位到1M位不等的EPROM,它們被均勻地分為8個相同大小的區,每個區都有相應的選擇信號,通過PSD中 PLD譯碼部分可產生相應的選擇信號。還有一些主要的功能部件,如多個單獨可配置I/O端口、兩個可編程陣列(PADA和PADB)、16k位靜態RAM 等。對于較大的系統,還可以通過水平級聯(以增加總線寬度為特點)或垂直級聯(以增加子系統深度為特點)等方式并配置多個PSD3XX來完成。 PSD3XX可以和多路復用或非多路復用總線的16位微控制器接口。并支持多種MCU,例如Intel的80196、80386EX,Motorola的 68HC16、683XX,Philips的80C51XA以及AD公司的ADSP2105等。如此大的儲存空間和功能單元極大地方便了單片機的嵌入式設計,同時地為用戶提供了更為簡單靈活的解決方案。圖2是常規的單片機系統和由PSD組成的系統進行硬件結構比較的示意圖,可見運用PSD后,系統結構得到極大簡化。


        2 ADMC401芯片說明

            對于系統設計者來說,數字信號處理(DSP)的普遍使用正在成為一股潮流。ADMC401[1][2]芯片即是一個基于單片DSP的控制器,適合工業應用領域中的高性能控制。該芯片集成了一個26MIPS定點內核ADSP-2171,其編碼與ADSP- 21xx DSP系列完全兼容。該內核具有一套完備的外圍控制接口,可以在高度集成環境中快速實現對元器件的控制。另外,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,而內核也增加了位操作、平方、四舍五入和全局中斷屏蔽等指令。除此之外,ADMC401芯片還包括兩個靈活的雙緩沖器以及雙向同步串行口。圖3為ADMC401的功能框圖。從圖中可以看到:該芯片提供有2k×24位的內部程序儲存器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、一個高性能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)、一個三相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)、一個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、一個雙通道事件捕獲系統一個16位看門狗定時器和2個16位內部定時器等。  



            程序和數據RAM可以通過串行口引導程序裝入,內部程序和數據RAM也可以從外圍設備經地址總線和數據總線引導程序裝入。此外, ADMC401芯片還可充分利用DSP內核的地址和數據總線,同時增添了重要的外存儲器和外設擴展能力,因而可擴展外部程序存儲器和數據存儲器容量,并使得DSP內核能夠尋址到14k×24位的外部程序存儲器和13k×16位的外部數據存儲器,從而為其與PSD接口提供方便。

        3 ADMC401與PSD311的接口設計

            由于PSD3XX內部提供了許多應用系統所需要的全部元件和“外圍”,這使得設計兩片式計算機系統成為可能。對于8051,80196和68HC11等微控制器來說,與PSD相配合是極為方便的。同樣,對于提供了外擴程序、數據存儲空間的ADMC401來說,也可以和PSD相配合??紤]到系統成本,推薦使用的PSD芯片為PSD311(現有價格最低的產品)。

            ADMC401芯片的引導程序裝載可以通過引腳MMAP和BMODE的各種不同狀態來完成,如果引腳MMAP和BMODE所加的電壓都為“0”,那么 ADMC401將工作在所謂的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;而如果引腳MMAP和BMODE設置為其它電位,那么將會產生不同的引導模式。另外,ADME401芯片還有一個專門的低電平有效信號BMS(Boot Memory Select,引導存儲器選擇),可用于簡化引導存儲器的接口。以上這些功能極大地方便了ADMC401和PSD的接口設計。圖4為ADMC401和 PSD311的接口電路圖(圖中還包括一些其它外圍)。

            由圖可見,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,因此,PSD311 的8根數據線并不是像常用的與ADMC401的D7~D0相連,而是與D15~D8相連。另外,還要注意,地址的最高位是由ADMC401的D22線提供的(在ADMC401中沒有A14地址線)。其BMS信號可用于EPROM的片選并與PSD311的A19輸入相連,A19在PSD的程序里將被定義為芯片使能信號,而由ADMC401生成低有效讀和寫選通脈沖,它們通常與對應于PSD311的輸入相連,這些選通脈沖在傳輸中可用來選通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),外部程序可通過ADMC401內部的定序器按照本身的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內部的程序存儲空間。但是,無需擔心,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。一頁中除了第一個字節外,每隔三個字節有一個空字節,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的分配器實用程序“SPL21.exe”可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進行排序,從而極大地方便了程序代碼的生成,這些代碼可以直接寫入PSD311。PSD311的具體配置電路各有不同,詳細情況可參考有關文獻[3][4],或登陸www.waferscale.com站點查詢。

            需要注意的是,ADMC401的匯編語言調試源程序在用匯編語言編輯完畢后,還應利用ADMC401提供的匯編、連接程序ASM21.exe和 LD21.exe進行編譯連接,以便最終生成一個“.exe”文件。這個可執行文件才是調到ADMC401的軟件調試執行程序。而PSD311的軟件主要是對PSD的邏輯電路、I/O通道以及存儲空間分配進行編輯,最后生成的文件將和ADMC401生成的程序代碼一起寫入到PSD311中。


        4在SVG裝置中的應用

            SVG[5](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[6](Flexible ACTransmis-sion System)技術中一個重要的基礎部件。該部件與其它的無功補償裝置相比,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它裝置不能比擬的。在SVG裝置中,由于要涉及到大量的復雜計算(如濾波計算、瞬時無功計算)和各種控制手段(如矢量控制、PI控制)以及諸多信號的采集和發送。因此,系統對控制器的運算速度、接口資源、穩定性以及成本等方面要求很高。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波形發生器正好提供了靈活的控制方法。此外,ADMC401的高速流水線式8路A/D采樣端口也為電壓電流的快速采集提供了保證。圖5為基于ADMC401和PSD311的SVG裝置結構圖。該系統共分為3個主要部分:第一部分是由ADMC401和PSD311構成的檢測控制部分,第二部分是由IGBT模塊構成的逆變電路,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,其主要作用是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的電壓穩定,并為逆變電路提供一個穩定的直流電。使用該模塊可在不輕微改變逆變器的觸發工作角情況下提高和穩定系統中電容上的電壓。逆變電路部分采用的是富士電機推出的R系列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之中,從而極大地提高了實際應用系統的穩定性、簡化了設計難度、縮小了裝置體積。電流的檢測則利用KT100-P型電流傳感器來完成,電壓的檢測利用的是CHV-50P電壓傳感器。輸出顯示部分采用以SED1520為驅動的 MGLS-12032A液晶模塊。以上各部件的功能均可通過對ADMC401數字信號處理芯片進行軟件編程來實現。

        5結束語

            通過將ADMC401和PSD311相結合,可真正實現只用兩個芯片組成一個功能強大的低成本最小單片機系統之結果,而且應用范圍相當廣泛,尤其適合于那些要求低功耗、小體積、多外設、高速度的場合。本文介紹的在SVG裝置中的應用涉及到了其中很多的功能,但是系統本身還有很大的擴展空間。使用時可以根據實際情況充分地利用其資源,以便完成更加復雜的任務。

         

        參考文獻

        [1]李樹之,程漢湘,汪沛,等.ADSP-2101/2105單片機原理及應用[M].湖北科技出版社,1994.  
        [2]孫涵芳.單片機現場可編程外圍芯片PSD的原 理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社.1998.
        [3]顏榮江,朱元清,侯文軍.PSD3系列可編程單片 機外圍接口芯片原理編程及應用[M].北京:人民郵電出版社.1995.
        [4]沈斐,劉文華,王仲鴻.±20Mvar靜止無功發生器(ASVG)的研制[J],國際電力,2000,(2):31-35.  
        [6]何大愚.柔性交流輸電系統概念研究的新進 展[J].電網技術,1997,121(2):9-14. 


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