在ＳＶＧ（静止无功发生器）装置中涉及到大量的复杂计算（如滤波计算、瞬时无功计算）和先进的控制手段（如矢量控制）以及诸多信号的采集和发送，使得单个ＣＰＵ很难满足系统要求。因此采用高集成度的嵌入式处理器与ＤＳＰ芯片组成双ＣＰＵ系统来实现对整个系统的控制。

１ 系统设计

１．１ 系统的组成及原理

双ＣＰＵ系统的原理图框图如图１所示。系统采用８０Ｃ１９６ＫＣ和ＡＤＭＣ４０１两个芯片作为核心处理器。ＡＤＩ公司的ＡＤＭＣ４０１芯片是基于ＤＳＰ的控制器，非常适于工业应用领域中的高性能控制。该芯片集成了一个高速的ＤＳＰ内核，且其内核具有一套完备的外围控制接口，以便在高度集成的环境中快速实现控制。Ｉｎｔｅｌ公司的８０Ｃ１９６（ＫＢ／ＫＣ）是一款高性能且价格低廉的１６位单片机，同样适用于高速控制和需要多个外设的场合。两个ＣＰＵ在运行时独立执行存放在不同器件中的程序，同时保持相互之间的协调工作。考虑到系统本身的复杂性，如果使用传统的ＲＡＭ、ＲＯＭ和逻辑译码器件分离的系统接线方式，必定会使得整个控制电路过于庞杂，给调试带来很大困难，同时也降低了系统的稳定性。因此，该系统用到了可编程系统外围接口器件ＰＳＤ产品中的ＰＳＤ４２３５和ＰＳＤ３１１。它们分别作为两个ＣＰＵ的外部扩展器件，并和ＣＰＵ组成一个双ＣＰＵ-ＰＳＤ系统（简称双ＣＰＵ系统），如图１所示。两个ＣＰＵ间的相互通信采用了双口ＲＡＭ（ＩＤＴ７１３２），通过它可以顺利实现两个ＣＰＵ之间的数据传输。键盘管理部分用８２Ｃ７９接口芯片。输出显示部分用以ＳＥＤ１５２０为驱动芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶模块（ＬＣＤ）。系统中专门增加了额外的串行Ｅ２ＰＲＯＭ，主要用于掉电时数据的保护以及记录部分操作参数。此外，组成系统的还有ＷＡＴＣＨＤＯＧ电路、ＵＡＲＴ电路等。它们在系统中的资源分配、功能实现都是通过对控制器的软件编程来完成。下面将详细介绍各部分的接口电路设计以及相应的工作原理。

１．２ ８０Ｃ１９６ＫＣ部分设计



１６位的８０Ｃ１９６ＫＣ芯片是Ｉｎｔｅｌ公司ＭＣＳ－９６系列单片机中重要的新成员，也是目前该系列单片机中性能最强的产品之一，在各类自动控制系统、数据采集系统和高级智能仪器中都有广泛的应用。８０Ｃ１９６ＫＣ芯片的特点如下：振荡信号频率达１６ＭＨｚ，指令的运算速度更快，１６位乘法１．７５μｓ，３２位除法３．０μｓ；８个Ａ／Ｄ通道，可以方便地实现被控对象多点电压和电流采样；通过ＣＰＵ的串行口可实现与上位ＰＣ机之间的通信；新增１００Ｈ～１ＦＦＨ内部ＲＡＭ，在垂直窗下具有更灵活的运用；具有三路脉宽调制（ＰＷＭ）输出；在８０Ｃ１９６ＫＢ的基础上又增加了５条（ＫＢ已经增加了６条），使程序编制更加方便；１６位多路复用地址数据／地址线可以与ＰＳＤ直接接口，同时通过锁存器后，可将地址和数据分别接至双口ＲＡＭ，实现多个ＣＰＵ之间的数据传输等。详细的性能参数和特点请参见文献[１～２]。在双ＣＰＵ系统中，８０Ｃ１９６主要完成的功能有键盘控制、显示输出、数据保存、信号传送等。由于涉及的内容复杂，而且还需要与很多外围接口，所以用到了大容量、多端口的ＰＳＤ４０００系列芯片与它配合，图２所示即为８０Ｃ１９６ＫＣ部分的电路图。



虽然ＣＰＵ的数据与地址线可以直接与ＰＳＤ连接，但是在双口ＲＡＭ时，数据与地址信号必须分离。所需用到的锁存器在图２中省略了。ＰＳＤ４２３５芯片是ＷＳＩ公司２０００年最新推出ＰＳＤ４０００系列产品，它能够适应多种不同的微处理器。其片内集成了４Ｍ位的闪速存储器，１６个输出微单元、２４个输入微单元的ＣＰＬＤ、译码ＰＬＤ，５２个单独可配置Ｉ／Ｏ端口，ＪＴＡＧ串行接口等，并且有支持掉电模式的低功耗可编程电源管理单元。ＰＳＤ芯片对外地址分配和各接口的逻辑译码由专用的软件ＰＳＤＳＯＦＴＴＭＬＩＴＥ实现，具体情况请参考文献[５～６]或登陆ｗｗｗ．ｗａｆｅｒｓｃａｌｅ．ｃｏｍ站点查询。使用ＰＳＤ后极大地简化了硬件电路的设计，减少了印制电路板的面积，提高了系统的稳定性。显示部分通过单片机控制图形液晶模块ＭＧＬＳ－１２０３２实现。该模块有直接访问方式和间接访问方式两种。本系统以间接访问方式为基础。图２所示即为间接访问方式的电路。显示模块的时序通过对８０Ｃ１９６编程实现。液晶模块ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ是两片ＳＥＤ１５２０级联在一起，一片处于主工作方式，一片处于从工作方式，它们分别控制显示屏幕的左、右半屏。在编程时要特别注意汉字和字符显示时在边界区域两片ＳＥＤ１５２０间的切换。模块详细的内部结构和具体的编程实现方法可查阅文献[７]。

系统中外部扩展了串行的Ｅ２ＰＲＯＭ电路，用来存放系统的一些固定参数等，使用的芯片是Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ２４Ｃ０２。它只需通过８０Ｃ１９６ＫＣ的高速输入、输出通道（ＨＩＳ和ＨＳＯ）产生连续的高低电平序列，便可实现与ＣＰＵ之间的数据传输。从硬件的角度来看，该芯片不占用任何数据总线，连接简单且节约大量系统资源。

１．３ ＡＤＭＣ４０１部分设计

ＡＤＭＣ４０１芯片是一个基于单片ＤＳＰ的控制器，适合工业应用领域中高性能控制。该芯片集成了一个２６ＭＩＰＳ（１３ＭＨｚ晶振）定点内核ＡＤＳＰ－２１７１，单条指令执行时间为３８．５ｎｓ，其编码与ＡＤＳＰ－２１ｘｘＤＳＰ 系列完全兼容。内核具有一套完备的外围控制接口，以便在高度集成环境中快速实现对元器件的控制；它还包含三个计算单元、两个数据地址发生器和一个程序定序器。其中计算单元包含一个算术逻辑单元ＡＬＵ、一个乘法／累加器（ＭＡＣ）和一个桶式移位器。内核还增加了位操作、平方、四舍五入和全局中断屏蔽等指令。除此之外，ＡＤＭＣ４０１芯片包括两个灵活的双缓冲器、双向的同步串行口。图３为ＡＤＭＣ４０１的功能框图。ＡＤＭＣ４０１芯片提供２Ｋ×２４位的内部程序存储器ＲＡＭ、２Ｋ×２４位的内部程序存储器ＲＯＭ、１Ｋ×１６位的内部数据存储器ＲＡＭ、１个高性能８通道１２位模数转换ＡＤＣ系统（它能经过４对输入实现双通道同时采样）、１个三相１６位中心对称的ＰＷＭ发生器（能以最小开销产生高精度的ＰＷＭ信号）、１个灵活的增量编码器接口单元、２个可调频的辅助ＰＷＭ输出、１２条Ｉ／Ｏ数字信号线、１个双通道事件捕获系统、１个１６位看门狗定时器、２个１６位内部定时器等。

 

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