随着社会的发展，电已经是我们生活不可缺少的一部分，所以电网供电负荷的日趋加重，电力系统对微机保护装置提出更高要求，一般低档单片机已很难满足设计要求。微机保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方向（现已基本实现，尚需发  通用型微机保护实物图[1]展），它具有高可靠性，高选择性，高灵敏度。微机保护装置硬件包括微处理器（单片机）为，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等。微机保护装置的数字一般由CPU、存储器、定时器/计数器、Watchdog等组成。目前数字的主流为嵌入式微控制器（MCU），即通常所说的单片机；输入输出通道包括模拟量输入通道{模拟量输入变换回路（将CT、PT输出的二次侧量转换成适合A/D转换的输入电压，电压区间在±2.5V、±5V或±10V内）、低通滤波器及采样、A/D转换}和数字量输入输出通道（人机接口和各种告警信号、跳闸信号及电度脉冲等）。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，使得DSP器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户所接受 Microchip公司推出的数字信号处理器dsPIC33F集A/D转换、通讯、看门狗、保护和数据存储于一体，同时还支持SPI模式和I2C模式数据传输，便于扩展容量。因此，开发基于dsPIC33F的微机保护装置，不仅提升保护系统的整体性能和硬件平台的通用性，而且还能缩短开发时间，降低开发及硬件成本，对提高电力系统的稳定运行水平具有一定意义。该系统广泛应用于电力、石化、矿山冶炼、铁路以及民用建筑等。微机保护装置国外品牌有ABB\GE\SWEL\SEL\西门子\阿海法\施耐德等，国内品牌有许继、南瑞、南自、四方等。

　 数字信号控制器dsPIC33F系列简介

　　dsPIC33F系列是高性能16位数字信号控制器，具有扩展的数字信号处理器（DSP）功能和高性能16位微控制器 （MCU）的架构。它是一种16位改进型哈佛结构RISC器件，融合了高性能16位单片机的控制优势和数字信号处理器的高速运算能力，是一款高性能的数字信号控制器（DSC）。dsPIC33F系列器件具有以下性能特点：

　　（1）DSP内核和指令系统dsPIC33F的DSP引擎具有1个高速的17位×17位的乘法器，1个40位的ALU，2个40位的饱和累加器以及1个 40位的双向移位器，其运算速度可达40 MI／s，指令字为24位，指令系统包含MCU指令集和DSP指令集。此外，这些指令对C语言编译器做了专门优化，采用C语言编写的程序代码效率很高。 dsPIC33F允许工作电压±10％的偏差，即工作电压为3.0～3.6 V。

　　（2）直接存储器访问（DMA）和中断能力dsPIC33F内部集成了8通道直接存储器访问模块，允许CPU执行代码期间在RAM和外设间传输数据，不额外占用周期。2 KB双端口DMA缓冲区（DMA RAM），用于存储通过DMA传输的数据。可通过软件对DMA中断源进行设定，从而达到设计要求。dsPIC33F含有多由118个区分优先级的中断向量组成的异常处理结构，中断优先级分为7级。多67个中断源，5个外部中断和5个处理器异常。

　　（3）存储空间和外围器件程序计数器为23位宽，可寻址4 Mx24位的程序存储空间。对于DSP指令分别对2个数据区进行寻址；而MCU指令，数据空间可以整体作为64Kx8位进行寻址。dsPIC33F内部集成SRAM和Flash等必需的存储器件，提供10 bit和12 bit A／D转换模块（可选），8 bit看门狗，以及UART、SPI、I2C、CAN等通信模块。

　　（4）开发工具Microchip高性能开发系统支持dsPIC33F系列控制器。该开发系统包括MPLAB集成开发环境（IDE）、MPLAB C30 C编译器、MPIAB SIM 30软件仿真器、MPIABICD 2在线调试器及MPLAB ICE 4000在线仿真器。dsPIC33F系列数字信号控制器还配备一系列的应用库。

　 dsPIC33F在微机保护硬件系统中的应用

　　该装置按功能分为CPU模块、交流插件、数字量I／O微机保护、通信、人机接口单元和电源单元。通信接口直接与上位机或通信管理机连接，人机接口采用 128x64点阵式液晶显示器和专用键盘，显示信息量大，操作方便，硬件设计框图如图1所示。该微机保护装置具有16路开入量，16路开出量，15路模拟量，CPU模块原理框图如图2所示。由于dsPIC33F具有强大的汁算能力和完善的控制功能，可单独完成计算、控制、通信、人机接口等功能，减少了器件数量，简化硬件结构。又因dsPIC33F内部集成RAM、Flash、A／D转换器等，使得外同扩展电路很少，进一步简化硬件结构，基本实现了总线不出芯片没计，极大提高保护装置的抗干扰性和可靠性。

　　1. 存储器扩展及实时时钟接口

　　dsPIC33F 系列架构具有独立的程序和数据空间及总线。这一架构同时还允许在代码执行过程中从数据空间直接访问程序存储器。

　　dsPIC33F 器件的程序地址空间可存储 4M 个指令字。可通过由程序执行过程中23 位程序计数器（PC）、表操作或数据空间重映射得到的24位值寻址这一空间，如第3.6节“程序存储空间与数据存储空间的接口”所述。用户只能访问程序存储空间的低半地址部分（地址范围为 0x000000 至 0x7FFFFF）。使用 TBLRD/TBLWT 指令时，情况有所不同，这两条指令采用TBLPAG<7> 以允许访问配置存储空间中的配置位和器件 ID。

    dsPIC33Fj256GP710内部集成30 KB的SRAM用作数据存储空间，256 KB的增强型Flash作为程序或数据存储区。由于微机保护，存储保护定值、事件记录和故障录波数据都需较大存储空间，因此该装置扩展1 MB的外部存储空间，将串行闪速存储器AT45DB081通过SPI总线同dsPIC33FJ256GP71O相连。AT45DB081的工作电压为2. 7～3.6 V，在系统重复擦写并兼容SPI的Flash存储器。内部有4 096页，每页264个字节，共计8MB的主存储器容量以及2个264字节的SRAM数据缓存器。AT45DB081与dsPIC33FJ256GP710的接口设计电路如图3所示。图3中dsPIC33Fj256GP710的SDO1、SOI1、SCK1分别与 AT45DB081的串行输入（SI）、串行输出（SO）和时钟（SCK）引脚相连，RE4，RE2，RE5，RE6分别与AT45DB081的片选 （CS）、复位（RESET）、忙闲状态（RDY／BUSY）和写保护（WP）引脚相连。dsPIC33F通过RE5读取AT45DB081的忙闲状态引脚判断存储器是否空闲，若RE5为“1”表示存储器空闲，否则表示存储器忙。当存储器空闲时，通过RE4引脚输出“0”作为存储器的片选信号，选中存储器后通过SPI发送命令字完成对AT45DB081的相应读写操作。微机保护需配置3个定值，且存储在不同的3个区间，运行时校验其定值是否正确。为此，对 AT45DB081的空间分配如下：定值、控制字、工厂设置和调节系数共分为4个区，存储在AT45DB081的第0～9页，即区为 AT45DB081的第0，1，2页，分别存储保护装置的第1，2，3个定值；第二区为AT45DB081的第3，4，5页，分别存储保护装置的第1， 2，3个定值；第三区为AT45DB081的第6，7，8页，分别存储保护装置的第1.2.3个定值；第4区为AT45DB081的第9页，存储调节系数。事件记录存储在AT45DB081的第10～1 000页。故障录波数据存储在AT45DB081的第1 001～4 000页。如图3：

　　PCF8583是串行总线扩展方式，通过DSP的I2C时钟线SCL和数据线SDA完成对PCF8583的参数设置、日期和时间读取等操作，同时 PCF8583具有接口简单、占用DSP资源少和可靠性高等优点，并在掉电时仍能进行时间计数。扩展的时钟器件用来记录系统的工作时间。除此之外，为避免装置频繁读写EEPROM，对于保护装置频繁读写的信号如事故、预告、脉冲量、重启次数、装置故障信号及出口标志都存放在RAM寄存器，时钟器件在读取当前时间的同时也调用这些内容，在装置断电又重新上电时能够获得这些信息。

　　2. 基于DMA的A／D转换

　　DSPIC33FJ256GP710集成32路12 bit高的A／D转换模块，其转换速度可达1 Ms／s，可灵活设定采样通道。采样模式可选用手动和自动两种，通道停止采样并开始转换的方式也有多种，如手动清除SAMP开始采样、内部计数器计数触发采样、定时器Timer3溢出触发采样、中断引脚INTO触发等。其中定时器Timer3溢出触发采样适合保护装置的定点采样。A／D转换采用直接存储器访问（DMA）方式。采样结束后直接将数据存放于DMA RAM（有2 KB空间），不占用CPU周期。A／D转换结束并且数据已经存储于DMA RAM后会产生DMA中断，寄存器AD1CON2可用于选择多路采样结束后将产生中断。本装置共采集15路模拟量，采用自动采样和Timer3触发转换的模式，在每个采样周期内触发转换，全部15路采样结束后产生中断并从DMA RAM区读取所有15路数据。在这种工作模式下，CPU只需启动A/D转换，在不占用CPU指令周期的情况下，通过DMA方式将采样数据从外设转存于 RAM中，采样处理效率大大提高。给CPU空出了足够的时间来计算和故障判断。

　　3. 以太网接口的扩展

　　以太网接口扩展电路如图4所示。本装置采用I／O口模拟SPI实现主控制器和 ENC28J60的连接，ENC28J60收满一帧后，通过INT引脚发中断信号通知dsPIC33F。SO为主机读命令引脚，SI为主机写命令引脚。 Microchip公司提供了一组专门针对dsPIC33F系列数字信号控制器的嵌入式TCP／IP协议栈CMX-MicroNet，该协议栈针对 dsPIC33F系列器件的Flash和RAM资源进行优化，为以太网功能的实现提供软件支持。该协议栈既可以单独运行也可以嵌入实时操作系统 （RTOS）中使用。Microchip CMX-MicroNet协议栈采用分层结构，用户可以在不十分熟悉TCP／IP的情况下实现网络应用。如图4：

　　在主程序中，对dsPIC33F自带看门狗时间初始化，即需设置：2个8位的计数器WDT Prescaler A、WDT Prescaler B，溢出时间可在2 ms～16 s之间调整。在对dsPIC33F的定时器初始化中，需考虑dsPIC33FJ256GP710具有9个16位定时器。本装置软件使用3个定时器：T1、 T3和T5。其中定时器T1的中断时间为1 ms，完成时钟的读写、开入量采集、开出量输出、开关变位事件记录等功能。

　　定时器T3中断完成A／D转换的启动。在不占用CPU周期的情况下，通过DMA方式将采样数据存入DMA RAM中，避免CPU和外设之间数据交换而占用宝贵的CPU时间，使程序的运行速度提高，采样数据的读取在DMAO中断中进行。T5中断完成保护的计算和判断。

　　在收发两个通信中断函数中，主要完成微机保护装置上传开关量、保护定值、事件记录和遥测量（电流、电压、有功功率、无功功率和功率因数等）等，下传修改保护定值、时间信息和遥控操作等。本装置通讯采用IEC60870-5-103传输规约和Mdbus规约（可选），以便达到标准化通讯接口要求。

　 基于dsPIC33F的保护装置抗干扰设计

　　在微机保护装置的工作环境中，电磁干扰（如雷击）相当严重，系统故障、系统设备误操作以及控制、过电流和浪涌干扰等都可能侵入保护装置。在微机保护装置内部，由于辅助继电器的动作或直流转换器转换过程中的高频信号，也会产生干扰。这些干扰的特点是频率高、幅值大，而且持续时间短，能通过各种途径侵入微机保护装置中的电子电路，干扰微机保护的正常工作。dsPIC33F内部集成的WDT模块，由内部振荡电路提供专门时钟信号。如果没有清除脉冲，它将产生一个固定频率的输出脉冲，使整个CPU系统复位重启。启动看门狗只需在MPLAB ICD 2集成开发环境中，将看门狗Timer设置为使能即可。为增强抗干扰性能，软件还增设4个非屏蔽中断错误处理函数来处理晶振、地址、堆栈和算术出错在硬件的抗干扰措施上采取接地、隔离、屏蔽等措施，有效确保装置的电磁兼容性能。

   dsPIC33F  中断控制器

　　dsPIC33F  中断控制器将诸多外设中断请求信号缩减到一个到 dsPIC33F CPU  的中断请求。该控制器具有以下特性：

　　* 多达8 个处理器异常和软件陷阱

　　* 7 个用户可选择的优先级

　　* 具有多达 118 个向量的中断向量表（Interrupt

　　Vector Table，IVT）

　　* 每个中断或异常源都有惟一的向量

　　* 指定的用户优先级中的固定优先级

　　* 用于支持调试的备用中断向量表（Alternate

　　Interrupt Vector Table，AIVT ）

　　* 固定的中断进入和返回延时

　 dsPIC33F 系列产品

　　dsPIC33F  系列器件具有两种子系列，分别是通用系列和电机控制系列。

　　通用系列是各种16位MCU 嵌入式应用的理想选择。其中带有编解码器接口的器件非常适合语音和音频处理应用。

　　电机控制系列支持各种电机控制应用，如直流无刷电机、单相和三相交流感应电机及开关磁阻电机。它们也适用于不间断电源（Uninterrupted Power  Supply UPS）、变频器、开关电源和功率因数校正，并且还适用于控制服务器、电信和其他工业设备中的电源管理模块。

　 dsPIC33F 振荡器系统提供

　　* 可选择多种外部和内部振荡器作为时钟源

　　* 可将内部工作频率调整为所要求系统时钟频率的片

　　上 PLL

　　* 内部FRC 振荡器也可使用 PLL，因此允许在没有任

　　何外部时钟产生硬件的情况下全速工作

　　* 不同时钟源之间的时钟切换

　　* 可节省系统功耗的可编程时钟后分频器

　　* 故障保护时钟监视器（FSCM）可检测时钟故障并采

　　取故障保护措施

　　* 一个时钟控制寄存器（OSCCON）

　　* 用于主振荡器选择的非易失性配置位

   dsPIC33F节能特性

　　dsPIC33F提供了管理功耗的功能，该功能是通过有选地管理 CPU 和外设的时钟源来实现的。一般而言，较低的时钟频率和减少时钟源驱动电路的数目会使功耗降低。 dsPIC33F 器件用以下四种方法管理功耗：

　　* 时钟频率

　　* 基于指令的休眠模式和空闲模式

　　* 软件控制的打盹模式

　　* 用软件有选择的进行外设控制可以组合使用这些方法从而在保证关键应用特性（如对于时序敏感的通信）的情况下有选择地调节应用的功耗。

   关于dsPIC33F

　　dsPIC33F CPU 模块采用 16 位 （数据）的改进哈佛架构，具有增强指令集，其中包含对 DSP的强大支持。CPU 拥有 24 位指令字，指令字带有长度可变的操作码字段。程序计数器（Program Counter，PC）为 23 位宽，可以寻址 4M ×24 位的用户程序存储空间。实际实现的程序存储容量因器件而异。单周期指令预取机制可帮助维持吞吐量并使指令的执行具有预测性。除了改变程序流的指令、双字传送（MOV.D）指令和表指令以外，所有指令都在单个周期内执行。 使用 DO 和REPEAT指令支持无开销的程序循环结构，这两条指令在任何时间都可以被中断。dsPIC33F 器件在编程模型中有 16 个 16 位的工作寄存器。每个工作寄存器都可以充当数据、地址或地址偏移量寄存器。第 16 个工作寄存器 （W15）作为软件堆栈指针（Stack Pionter，SP），用于中断和调用。

　　dsPIC33F  指令集具有两类指令：MCU 类指令和 DSP类指令。这两类指令无缝地集成到单个 CPU  中。指令集包括很多寻址模式，指令的设计可使 C 编译器的效率达到。对于大多数指令， dsPIC33F 能在每个指令周期内执行数据（或程序）存储器数据读操作、工作寄存器（数据）读操作、数据存储器写操作和程序存储器（指令）读操作。所以，可以支持3个操作数的指令，使A + B = C 操作能在单个周期内执行。

　 结束语

　　研究了一种新型的基于dsPIC33F微处理器的微机继电保护硬件平台，给出详细的系统硬件设计方案和软件流程。该方案结构简单，性价比及可靠性高和开发周期短，在该软硬件平台上开发的发电厂及变电站成套微机保护装置，已通过国家继电器检测中心的型式试验，并已投入现场运行，各项技术指标符合有关行业标准和现场要求。

参考文献:

[1]. Microchip datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/Microchip_1097736.html.
[2]. dsPIC33F datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/dsPIC33F_1101701.html.
[3]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[4]. ALU datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ALU_2089372.html.
[5]. 4M  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/4M+_2235885.html.
[6]. dsPIC33Fj256GP710 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/dsPIC33Fj256GP710_1101692.html.
[7]. AT45DB081 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT45DB081_143030.html.
[8]. PCF8583 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCF8583_318661.html.
[9]. ENC28J60 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ENC28J60_299160.html.