串行时钟PCF8583在微机保护装置中的应用

引言
    微机保护装置配备的高性能实时时钟，用来记录微机保护动作、开关变位、事故与预告等事件的时间信息，从而形成完整的事件顺序记录，对分析继电保护的动作行为、提高电力系统运行的可靠性具有重要意义。与先前的时钟器件(如DS12C887)相比，PCF8583是串行总线扩展方式的实时时钟器件，只需通过DSP的I2C时钟线SCL和数据线SDA就可完成其参数设置、读取日期和时间等操作，同时PCF8583接口简单，占用DSP资源少和可靠性高，且掉电时仍能够进行时间计数。dsPIC33F系列微处理器是将单片机与DSP技术相结合的高性能16位数字信号控制器，将该控制器与串行时钟PCF8583同时应用于微机保护装置，可进一步提高微机保护装置的整体性能。因此，这里提出一种基于PCF8583和dsPIC33F系列微处理器的微机保护装置设计方案。

2 PCF8583简介
2．1 PCF8583的结构与功能
    PCF8583是带有256x8 bit RAM的8引脚日历／时钟器件。内置完整的振荡、分频、上电复位电路，具有4年日历时钟，12或24 b格式，带可编程的闹钟、定时和中断功能，并具有体积小、硬件连线少、带有256字节的静态RAM等特点。它采用I2C两线串行总线接口传输地址和数据，在每次读写数据字节后，内部字地址寄存器自动递增；地址引脚A0用于编程设置硬件地址，这样可在不增加硬件的情况下使总线上允许挂接两个器件；内置32．768 kHz振荡器RAM区的前8个字节用于时钟／日历和计数器功能，接下来的8个字节作为报警寄存器或RAM使用，剩下的240个字节RAM则由用户自由分配。其中00H为控制状态寄存器，01H为1／100 s寄存器，02H为秒寄存器，03H为分寄存器，04H为时寄存器，05H为年／日寄存器，06H为星期／月寄存器，07H为定时寄存器，08~0F单元可设置为空闲单元或闹钟寄存器，在日历时钟方式中，百分之一秒、秒、分、时、日、月、年和星期都是以BCD码存放。I2C总线的主器件可通过对其控制／状态寄存器进行读，写操作。
2．2 PCF8583的PC总线及其读写操作
    I2C总线是Philips推出的串行传输总线，以两根连线实现完善的全双工同步数据传输，可构成多机系统和外围器件扩展系统。I2C总线采用器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址，完全避免器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统具有简单灵活的扩展方法。由于I2C总线是同步串行数据传输总线。其内部为双向传输电路，端口为漏极开路输出，故总线上必须挂接上拉电阻，该上拉电阻阻值通常可取5-10kΩ。系统中的所有外围器件及模块都是总线上的节点，当I2C工作时，任何一个主器件节点都能控制总线，当某个主器件节点控制总线，则成为主控制器。系统中所有节点采用器件地址或引脚地址的编址方法。I2C总线规定起始信号后的第一个字节为寻址字节，用于寻址被控器件，并规定数据传输方向。I2C总线在数据传输中共有开始信号、结束信号和应答信号3种类型。其中，开始信号是当SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变；结束信号是当SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变。结束数据传输；而应答信号则是接收数据的器件在接收到8位数据后，向发送数据的器件发出待定的低电平脉冲，表示已接收数据。
    主器件节点读写从节点(这里将PCF8583设为从节点)数据的示意图如图1所示。发送到SDA线上的每个字节必须为8位，每次可发送的字节数不限，但每个字节后必须跟一个应答信号。首先传输最高数据位，数据全部传输完后，主控制器发送停止信号。

3 PCF8583与微机保护装置的接口设计
3．1 硬件系统设计
    该系统设计采用dsPIC33F系列dsPIC33FJ256GP7 10型系列微处理器，其内部集成了RAM，Flash及各种外设模块，包括2个A／D转换模块、2个SPI接口模块、2个I2C模块、2路CAN和UART通信模块等，因而外嗣扩展电路少，进一步简化了硬件结构。
    基于dsPIC33FJ256GP710的保护测控装置分为CPU模块单元、交流插件、数字量I／O单元、通信单元、人机接口单元和电源单元等，通信接口直接与上位机或通信管理机连接，人机接口采用128×~64点阵式液晶显示器和专用键盘，显示信息量大，操作方便。
    图2为CPU模块原理框图。该微机保护装置具有16路开关输入量，16路开关输出量，15路模拟量。由于dsPIC33F强大的计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，减少了元件数，简化了硬件结构设计。又因dsPIC33F微处理器内部集成有RAM，Flash、A／D转换等，使得外围扩展电路很少，大大简化了硬件结构设计，极大提高了保护装置的抗干扰性和可靠性。

    图3为PCF8583与dsPIC33FJ256GP710的接口电路。dsPIC33FJ256GP710的I2C数据信号SDA1和时钟信号SCK1分别与PCF8583的SDA和SCL连接，I／O端口RG0与INT请求信号连接；R1，R2为上拉电阻，G为时钟晶振，在通常情况下该电路由VDD供电。保护装置掉电时则南电池BT1供电保证时钟持续运行，二极管VD1和VD2用于隔离内部电池和VDD。扩展的串行时钟PCF8583用于记录系统工作时间，其内含一个锂电池，断电情况下可运行十年以上而不会丢失数据。与同类并行时钟(如DS12C887)相比，PCF8583结构简单，可靠性高。

3．2 系统软件设计
3．2．1 微机保护的事件顺序记录功能
    dsPIC33FJ256GP710中断资源丰富，具有9个16位定时器：T1~T9。其中，T2和T3、T4和T5、T6和T7、T8和T9可组成4个32位定时器。该装置软件使
4 结语
    在以DSP(或单片机)为核心的微机保护系统中，除具有数据采集、数据处理、数据通信及人机接口功能外，还需准确记录保护动作与开关变位时间，以形成完整的事件顺序记录。提出了采用dsPIC33F系列微处理器与串行(I2C)时钟PCF8583接口的设计方案，给出了相应的接口电路与软件流程。该方案具有结构简单、可靠性高和开发周期短等优势，具有一定的实用与参考价值。该设计方案已用于所研制的微机保护装置中，并投入变电站运行，结果表明：该装置可靠性高，维护方便，各项指标均达到行业标准和运行要求。