摘  要：介紹一種用VHDL在CPLD芯片上設(shè)計微機保護系統(tǒng)控制接口的方法來提高抗干擾性能，試驗結(jié)果表明：控制接口的抗干擾性能很高，完全實現(xiàn)微機保護系統(tǒng)的高可靠性控制。接口速度高，高集成度，能直接與高速DSP系統(tǒng)連接，具有較高推廣價值。
關(guān)鍵詞：微機保護；抗干擾；冗余設(shè)計；VHDL；CPLD 

        引    言 

        微機保護裝置是指微機系統(tǒng)構(gòu)成的數(shù)字式繼電保護裝置。在我國煤礦井下高壓(6kV)供電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)屬于變壓器中性點絕緣運行方式(三相三線制)，通過動力電纜送電。煤礦井下環(huán)境惡劣，空間狹窄，動力電纜長期處在潮濕、淋水、腐蝕的環(huán)境中，散熱條件差，絕緣性能易下降，經(jīng)常發(fā)生單相漏電或單相接地故障。這種故障引起正常相電壓升高，若不及時斷電，會造成多相短路，迫使供電中斷，并使電力故障進一步擴大。高壓防爆開關(guān)微機保護裝置是安裝在高壓防爆開關(guān)中，對井下電纜和用電設(shè)備的單相漏電或單相接地、短路、過流、絕緣監(jiān)視、過欠壓等故障進行綜合保護的一種裝置，能快速切除故障回路，防止事故擴大，通知維護人員及時排查故障源并排除。因此，對高壓防爆開關(guān)微機保護裝置提出很高的可靠性要求： 在故障發(fā)生時能快速動作；在未故障時，不能誤動。然而，高壓開關(guān)通斷感性負載(井下電器設(shè)備主要是電動機等感性負載)時刻，開關(guān)觸點拉弧會產(chǎn)生很強的電磁干擾和浪涌干擾，嚴(yán)重程度可造成CPU的程序跑飛。這種電磁干擾是高壓防爆開關(guān)微機保護系統(tǒng)的頭號強干擾源，主要通過電源線和交流互感器摸入通道侵入微機保護系統(tǒng)。微機保護系統(tǒng)長期工作在這種強電磁干擾中，抗干擾性能成為衡量微機保護系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。 

        提高微機保護裝置的抗干擾性能的根本途徑是阻塞共模干擾的耦合通道，提高敏感回路的抗干擾能力，合理設(shè)計接地泄放回路等措施。電磁兼容性(EMC)設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從硬件上考慮抗干擾設(shè)計是非常必要的，但想從硬件上完全消除干擾是不可能的。還要從軟件上考慮數(shù)字濾波等，很難做到盡善盡美。國內(nèi)科技人員在單片機系統(tǒng)、微機測控系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)等方面做了很多研究工作，發(fā)表大量的抗干擾技術(shù)論文，可分為兩大類。一類是從硬件電路阻塞干擾信號的入侵通道，如模擬通道加前置濾波器、電源輸入加電源濾波器、開關(guān)入與出加光耦隔離、pCB布局和布線的抗干擾技術(shù)、接地技術(shù)和屏蔽技術(shù)等等；另一類是軟件抗干擾措施，包括數(shù)字濾波、指令冗余、軟件陷阱、軟硬件看門狗等。硬件措施抗干擾是拒干擾信號于門外，是電磁兼容性設(shè)計的主攻方向。軟件抗干擾是在硬件尚未失效前提下，利用軟件的靈活性設(shè)計來抵消干擾的影響，只能起到輔助的抗干擾作用。關(guān)于微機保護裝置的控制出口可靠性設(shè)計的文獻很少，歸納起來，防止控制出口失控的常用措施有兩種： 硬件冗余設(shè)計和軟件冗余設(shè)計。硬件冗余設(shè)計基本方法是采用雙或多CPU結(jié)構(gòu)，一個負責(zé)保護的啟動，另一個CPU負責(zé)保護的執(zhí)行。兩個CPU相“與”才開始控制出口。軟件冗余設(shè)計主要采用以下措施： 

        (1)設(shè)置多重跳閘命令，分多條控制指令來執(zhí)行分閘，在每條指令之間執(zhí)行一段核對程序，設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位。CPU核對標(biāo)志位相符后才執(zhí)行下一條指令，否則初始化重來。 

        (2)設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)信息，系統(tǒng)運行自檢程序循環(huán)查詢測試這些狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)干擾出錯，及時糾正輸出通道的出錯信息。 

        多CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計是防止保護誤動，提高微機保護系統(tǒng)可靠性的一種有效措施，但采用多CPU結(jié)構(gòu)使硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試繁瑣，成本高，而且當(dāng)多CPU同時程序跑飛時，同樣造成控制出口失控，有可能引起誤動。軟件冗余設(shè)計是在程序運行正常情況下提出的(即假設(shè)CPU運行程序正確，沒有出軌)，如果程序跑飛，已經(jīng)執(zhí)行不到軟件冗余設(shè)計程序，則控制出口處于失控狀態(tài)，既使看門狗電路起作用，使CPU復(fù)位重新回到正常程序，經(jīng)歷的時間最短也要幾毫秒。在這段時間內(nèi)，干擾信號足以引起控制出口的誤跳閘。顯然，上述兩種方法并不能完全確保繼電保護控制出口的可靠性和安全性。 

        對微機保護系統(tǒng)來說，最重要的一點就是當(dāng)強干擾引起程序跑飛后，不能引起繼電保護控制出口的誤動作。筆者在研制KJ118型礦用變電所遠程監(jiān)控系統(tǒng)配套的高壓防爆開關(guān)微機保護系統(tǒng)中，針對繼電保護控制出口的特點，創(chuàng)造性地提出采用CPLD技術(shù)，加強微機保護控制出口的可靠性研究，成功設(shè)計出一種基于CPLD的抗干擾微機保護控制出口硬件電路。文中介紹的這種基于CPLD控制接口抗干擾設(shè)計的新方法，比多CPU結(jié)構(gòu)更簡單，更經(jīng)濟，可靠性更高，不依賴于CPU本身的抗干擾性能，即使CPU程序跑飛，控制接口仍有很高抗干擾性能，不會產(chǎn)生誤跳閘電平，徹底解決繼電保護系統(tǒng)控制出口的可靠性問題。 

        CPLD技術(shù)在微機保護裝置中應(yīng)用的優(yōu)越性
　　 
        CPLD(complex programmable logic device，復(fù)雜可編程邏輯器件)與FPGA(field programmable gate array，現(xiàn)場可編程門陣列)是兩大可編程ASIC(application specific intergrate dcircuit)芯片，都可用VHDL(very high speed intergrate dcircuit hardware description language)進行描述和編程下載。CPLD門陣列規(guī)模較FPGA小，CPLD主要結(jié)構(gòu)是基于乘積項，易于實現(xiàn)較復(fù)雜的組合邏輯。CPLD的邏輯宏單元較FPGA少，較多的觸發(fā)器時序邏輯用FPGA較合適。FPGA主要結(jié)構(gòu)是基于SRAM的查表項，雖然電路結(jié)構(gòu)配置靈活，但延時不可預(yù)測，實際傳輸延時要大于CPLD。CPLD采用EEpROM編程技術(shù)，掉電配置信息不丟失。FPGA采用SRAM工藝開關(guān)技術(shù)，上電通過在線可重配置方式對FPGA進行功能配置，理論上可無限次配置，并可實現(xiàn)真正意義上的在線可配置，但掉電配置信息丟失，必須借助串行EEpROM、單片機等進行上電的重配置。對于I/O數(shù)量和觸發(fā)器數(shù)目不太大的應(yīng)用場合，CPLD在使用方便性和編程的保密性均優(yōu)于FPGA。 

        微機保護系統(tǒng)中的數(shù)字組合邏輯電路和時序邏輯電路規(guī)模均不大，宜采用CPLD芯片實現(xiàn)，有利于微機保護系統(tǒng)的微型化和智能化設(shè)計。 

        微機保護裝置控制接口設(shè)計 

        微機保護系統(tǒng)的控制接口由I/O接口和微型繼電器組成，典型電路是將分合閘繼電器分成2級，第1級控制第2級。第2級控制主回路的分合閘接觸器。原理框圖如圖1所示。 

        2級繼電器有利于隔離主回路的分合閘接觸器通斷產(chǎn)生的干擾。 

        合閘指令執(zhí)行順序為：OUT1→OUT2→OUT4。分閘指令執(zhí)行順序為：OUT1→OUT3→OUT4。如果I/O接口直接由CPU控制，當(dāng)CPU受干擾程序跑飛或CPU芯片出故障使I/O接口失控，正巧產(chǎn)生分合閘所需的電平時，繼電保護控制出口就不可避免地發(fā)生誤動。 

        圖1　繼電保護控制出口原理 

        因此，繼電保護控制出口的閉鎖和冗余度設(shè)計是防止控制出口誤動的關(guān)鍵所在。嚴(yán)格監(jiān)視分合閘多重命令的執(zhí)行順序，不允許無序分合閘命令通過，是防止控制出口誤動的根本措施。分合閘多重命令的有序執(zhí)行，可以看作一個狀態(tài)變化序列，用CPLD狀態(tài)機對這個狀態(tài)序列進行監(jiān)控，就能杜絕無序狀態(tài)的通過，實現(xiàn)控制出口的無干擾控制。 

        基于CPLD狀態(tài)機的抗干擾控制接口設(shè)計
　　 
        設(shè)計一個基于DSP的高壓開關(guān)柜微機綜合保護系統(tǒng)時，用一片CPLD芯片實現(xiàn)圖1所示的I/O接口，并設(shè)計一個有限狀態(tài)機，對狀態(tài)輸入I1，I2，I3進行監(jiān)控，狀態(tài)機輸出作為總分合閘命令的允許和禁止信號?；贑PLD的微機保護控制接口如圖2 所示。

        圖2　微機保護的CPLD控制接口 

        分合閘多重命令的狀態(tài)編碼 
        狀態(tài)機有3位二進制輸入，共有2³=8種狀態(tài)。采用二進制編碼方式(Binary coded)將控制接口的初始狀態(tài)S0到所有可能的狀態(tài)變遷，列成一張編碼表，如表1 所示。狀態(tài)編碼表是編寫VHDL程序的基礎(chǔ)。 

        表1　微機保護控制接口狀態(tài)機編碼表 


        狀態(tài)機設(shè)計 
        狀態(tài)機的時鐘頻率為5MHz。復(fù)位信號/Reset來自DSP微機保護裝置的系統(tǒng)復(fù)位信號，對狀態(tài)機的狀態(tài)初始化。 

        狀態(tài)機的設(shè)計可采用單進程，雙進程，3進程等進行編寫，根據(jù)微機保護控制接口的應(yīng)用特點宜采用雙進程來描述狀態(tài)機，即一個時序進程和一個組合進程。時序進程負責(zé)舊次態(tài)到新現(xiàn)態(tài)的轉(zhuǎn)換，以及異步復(fù)位。組合進程完成根據(jù)現(xiàn)態(tài)決定狀態(tài)機輸出的變化，根據(jù)狀態(tài)輸入來決定新的次態(tài)。雙進程狀態(tài)機的邏輯框圖如圖3所示。 

        圖3　雙進程狀態(tài)機邏輯圖 

        狀態(tài)機的行為及代碼是一種流程控制代碼，很容易用VHDL語言中的CASE語句和IF語句加以實現(xiàn)。時序進程與組合進程之間利用現(xiàn)態(tài)信號和次態(tài)信號進行同步通信。 

        狀態(tài)機仿真波形 
        利用Altera公司的EDA工具軟件MAX+plus對用VHDL語言設(shè)計的狀態(tài)機進行時序仿真，仿真波形如圖4所示。 

        圖4　狀態(tài)機仿真波形 

        CPLD狀態(tài)機抗干擾控制原理分析 
        基于CPU的微機系統(tǒng)是按指令周期順序執(zhí)行機器指令的，一旦受干擾程序出軌，則CPU不按事先編好的流程執(zhí)行程序，出現(xiàn)死機，通常的對策是設(shè)置看門狗使CPU硬件復(fù)位，使CPU重新運行正常程序，但是從CPU死機到看門狗復(fù)位一般要經(jīng)歷幾毫秒到1～2s，這段失控時間，繼電保護控制出口的狀態(tài)是不可預(yù)測的，足以對繼電保護系統(tǒng)構(gòu)成危害，嚴(yán)重情況就是發(fā)生誤動。而基于CPLD的狀態(tài)機系統(tǒng)，狀態(tài)變換周期只有一個時鐘周期，若時鐘頻率為5MHz，時鐘周期為012Ls。若狀態(tài)機受干擾進入非法狀態(tài)再轉(zhuǎn)入合法狀態(tài)，只需2個時鐘周期，即幾百納秒，不足以對狀態(tài)機系統(tǒng)運行造成危害?？梢?，用CPLD狀態(tài)機控制微機繼電保護的控制接口，就能實現(xiàn)無干擾控制，獲得繼電保護系統(tǒng)的高可靠性控制。 

        就DSP芯片與CPLD芯片的可靠性比較而言，DSP的外圍接口繁多，輸入信號有模擬和數(shù)字，電壓有模擬電壓和數(shù)字電壓，CPLD只有數(shù)字接口，電壓單一，受外界干擾損壞的可能性比DSP小的多。另外，CPLD狀態(tài)機含有多個進程，就相當(dāng)于包含有并行運算的“多CPU”功能，對不合格的輸入，裁決狀態(tài)機輸出0。因此，筆者認為，雙CPU控制硬件冗余設(shè)計遠不如CPLD狀態(tài)機的控制接口可靠性高。 

        結(jié)    論 

        用Altera公司的MAX7000系列的EMp7128SLC84-15實現(xiàn)繼電保護控制接口，與TMS320F240DSP芯片總線直接相連，DSP執(zhí)行合閘或分閘多重命令時，不需要插入等待周期，只需要連續(xù)執(zhí)行3條合閘或分閘指令，CPLD狀態(tài)機就能立即決定是否允許總執(zhí)行命令通過。試驗表明： 用CPLD實現(xiàn)的繼電保護控制接口具有速度快，占用硬件體積小，接口簡單，可靠性高等特點。 

        該接口應(yīng)用到基于TMS320F240的高壓開關(guān)柜數(shù)字綜合保護裝置中，隨KJ118型礦用變電所遠程監(jiān)控系統(tǒng)于2003年10月在徐州礦務(wù)局旗山煤礦井下采區(qū)變電所投運，進行工業(yè)性試驗，正常運行至今已超過半年以上。采區(qū)變電所現(xiàn)場高爆開關(guān)就地人工分合閘操作、地面主機遙控命令分合閘以及故障保護跳閘試驗表明，從未發(fā)生因高壓開關(guān)分合閘操作等強電磁干擾引起CPU程序出軌而誤動，表現(xiàn)出非常高的可靠性。 

        文中用全新的CPLD狀態(tài)機方法研究微機保護系統(tǒng)的控制可靠性問題，對于瞬變干擾信號有很強的濾波性。雖然從防范微機保護系統(tǒng)程序出軌采用一些軟件措施有一定效果，但是并不能真正解決程序出軌期間控制口的失控問題，而文中提出的CPLD狀態(tài)機控制接口真正解決了這一問題，可以推廣到各種微機控制系統(tǒng)的抗干擾控制接口設(shè)計中去。