电气工程硕士论文-基于IEC61850标准的前置数据采集单元的研究.pdf

分类号：了朋77缈密级：少单位代码：10422，学号：刀弘3口缈tn东岁，否硕士学位论文ShandongUniversityMasterSThesiS论文题目：谚亏上记时，缸移秘而星出赫粲华溯砀0作者专业导师合作导师玄鬯j鸯晴毛彦1喜I私籀加汐年垆月矿日原创性声明脚IJIJJlllIllJI川JJIJJJII|JJJJJY1792980本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：越墨：日期：竺：!：竺二兰关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)幺论文作者签名：超导师签名：翟筮垄堑至日期：竺二：!二!第一章绪论11变电站自动化系统与数字化变电站112前置数据采集单元(FDAU)的研究意义313论文所做工作4第二章IEC61850标准和嵌入式系统521IEC61850标准和MU5211标准的基本内容5212标准的体系结构7213标准的核心技术与特点9214合并单元MU1022面向对象技术及UML语言1123Blackfin处理器13231Blackfin处理器概述14232Blackfin处理器内核架构1624嵌入式实时操作系统18241可剪裁性19242调度19243操作系统的选择20第三章FDAU的分析、设计与实现2231FDAU分析22311FDAU功能需求22312FDAU性能需求24313FDAU组成结构分析2632FDAU设计27321FDAU硬件结构27322FDAU软件框架2933FDAU详细设计与实现30331CPU板原理及硬件资源30332CPU板PCB叠层及信号约束设计31333扩展底板采样电路34334数据采集36335采样同步37336其他插板设计38337uCOS-II操作系统移植42338数据采集通道原理与接口设计4334数据建模与通信服务映射45341FDAU的数据建模45342通信服务映射的研究与实现48第四章装置的调试与验证5341装置的调试5342装置验证55421测试环境搭建55一东一一东大学硕士学位论文第五章结论参考文献致谢555663646568山东大学硕士学位论文摘要数字化变电站建设已经提上日程，基于IEC61850标准的数字化变电站系统代表了变电站自动化系统的发展方向，但合并单元和电子式互感器大规模的应用到变电站中可能还尚需一段时间。特别是我国已投入电网运行的110kV及以下等级的传统变电站有20000多座，需要研究现有变电站自动化系统向数字化变电站自动化系统的过渡方案。针对这种状况，本文所提出的前置数据采集单元主要面向传统的电磁式电压电流互感器同时兼顾数字式互感器，采集互感器的模拟量以及接入的状态量信息并按照IEC6185091标准进行数据发送，同时能够接收间隔层智能设备发送的GOOSE控制命令，对断路器进行操作。论文首先概述了数字化变电站的研究与发展现状，通过对变电站自动化系统基本功能和发展过程的总结，阐述了本课题的研究意义。研究了与本课题相关的IEC61850标准、合并单元以及嵌入式系统开发中使用的面向对象技术及UML语言，深入研究了本课题使用的Blackfin处理器的主要特性和内核架构，通过对比选择了本系统采用的嵌入式操作系统。通过对所要研制的FDAU的功能和性能的分析，进行框架方案的设计以及重要模块详细设计。接着进行硬件搭建和程序设计。重点对核心部件CPU板的原理和PCB设计、采样模块的原理和采样控制过程和采样同步方法进行了研究。为实现IEC61850标准要求的信息共享，构建了前置数据采集的完整信息模型，并实现了基于IEC6185091标准的采样值报文的映射和基于IEC6185081标准的变电站通用事件G00SE报文的映射。最后，对前置数据采集单元的功能和性能进行测试和验证。实验的结果和误差分析表明前置数据采集单元的研制达到了设计目的和实用要求。本文研制的FDAU实现了传统变电站的智能化测量与控制，满足IEC61850标准开放性和互操作性的要求，满足数字化变电站系统对过程层设备的信息共享的要求。对于常规变电站数字化改造具有重要的理论意义和工程价值。随着传统变电站数字化改造进程的开展，该装置将得到广泛的应用，具有明显的企业及社会效益。关键词：IEC61850，传统互感器，合并单元，嵌入式系统ABSTRACTDigitalsubstationconstructionhasbeenputontheagenda，IEC61850standardsbaseddigitalsubstationsystemonbehalfofthesubstationautomationsystemdevelopment，butthecombinedunitsandlargescaleelectronictransersubstationsmayalsobeappliedtostillneedsometimeInparticularChinahasbeenputintooperationthe110kVpowergridandbelowthetraditionaIIevelofthemorethan20，000substations，substationautomationsystemneedsofexistingdigitalsubstationautomationsystemtothetransitionprogramInviewofthissituation，thisproposedpre-dataacquisitionunitmainlyforthetraditionalelectromagneticvoltagecurrenttransertakingintoaccountthedigitaltransertransertheanalogacquisitionandtheamountofaccesstostateinationandinaccordancewithIEC61850-9-1standarddatatransmission，whileintervaIIevelintelligentdevicescapableofreceivingtheGOOSEcontroIcommandssentonthecircuitbreakertooperateFirstlyanoverviewofDigitalResearchandDevelopmentofsubstation，substationautomationsystemthroughthebasicfunctionsandasummaryofthedevelopmentprocess，explainthesignificanceofthisresearchtopicResearchrelatedwiththisissueoftheIEC61850standard，mergingcellsandembeddedsystems，objectorientedtechnologyandUMLlanguage，studiedtheuseoftheBlackfinprocessorinthistopicmaincharactersandkernelarchitecture，selectedtheThesystemusesanembeddedoperatingsystemT0bedevelopedbytheFDAUthefunctionalityandperanceanalysis，theframeworkoftheprogramdesignanddetaileddesignofkeymodulesThenthehardwarestructuresandprogrammingFocusonthecorecomponentsofCPUboardoftheprinciplesandPCBdesign，samplingtheoryandsamplingcontrolmoduleprocessesandsamplingswerestudiedsimultaneouslyIEC61850standardrequirementsfortherealizationofinationsharing，pre-builtdataacquisitionofthecompleteinationmodel，andimplementedbasedonIEC6185091standardsampluemappingandpacketbasedIEC6185081standardforsubstationGeneralEventGOOSEmessagemappingFinallyFrontDataAcquisitionUnitoffunctionalityandperancetestingandvalidationFxperimentalresultsanderroranalysisshowthatthepredevelopeddataacquisitionunittoachievethedesignobjectivesandpracticalrequirementsThisimplementationdevelopedFDAUtraditionalsubstationintelligentmeasurementandcontrol，tomeettheIEC61850standardonessandinteroperabilityrequiredtomeetthedigitalsubstationsystemprocessleveldeviceinationsharingrequirementsThedigitaltransationofconventionalJVV基于是变电站传统的电决方案。数字家电网公技术研究，并组织有关科研单位和区域、省公司进行联合攻关。基于IEC61850标准的变电站自动化系统总体方案研究，该子课题研究变电站自动化系统技术现状、现有条件及发展趋势，以电子式互感器的应用和IEC61850标准的实现为主要切入点，针对系统实时性、完整性、开放性、可靠性、安全性、稳定性要求，研究不同电压等级变电站自动化系统站控层、间隔层、过程层设备的典型配置方案，进行软、硬件平台及网络架构、带宽、介质的选择和论证，确定实施数字化变电站自动化系统的技术路线，并研究现有变电站自动化系统向数字化变电站自动化系统的过渡方案【IJ。本章将简要介绍变电站自动化系统、IEC61850标准及数字化变电站系统研究的背景，分析前置数据采集单元(下文将简称FDAU)的研究意义。11变电站自动化系统与数字化变电站变电站自动化系统是由基于微电子技术的智能电子设备和后台控制系统所组成的变电站运行控制系统，包括监控、保护、电能质量自动控制等多个子系统。变电站自动化系统用于监测、管理、协调和控制变电站内的各种设备，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。由于电网规模的扩大和用户对电能质量要求的提高，电力系统对变电站自动化技术的也提出了更高的要求。随着微电子技术、信息技术及网络通信技术的成熟与发展，变电站自动化系统出现了革命性的变化。目前国内大多采用传统互感器的分布式变电站自动化系统，其简单结构示意图如图11所示。硕士学位论文图11常规变电站通信系统结构示意图常规变电站自动化系统的应用特点是变电站二次系统采用单元间隔的分布形式，装置之间相对独立，装置间缺乏整体的协调和优化，输入信号不能共享、接线比较复杂、系统不易扩展【2J。在现有变电站自动化系统的信息交换过程中，不同设备商的自动化设备提供的接口和通信协议各不相同，设备间不能共享信息，形成了“信息孤岛”现象。各种设备之间的信息交换不得不通过复杂的协议转换，这不仅加大了变电站设备的投资，还增加了运行维护成本，更影响了系统的实时性和可靠性，不利于系统的升级和扩展【3】。为了解决“信息孤岛”问题，IECTC57(电力控制及其通信技术委员会)推出了IEC61850变电站通信网络和系统标准。IEC61850标准采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，为不同厂商的IED实现互操作和系统无缝集成提供了途径。该标准是迄今为止最为完善的变电站自动化的通信标准，代表了变电站自动化的发展方向pJ。我国变电站自动化技术经过数十年的发展已经达到一定的水平。随着IEC61850标准的发布和实施，国内数字化变电站的研究得到了迅速的发展，各地相继建立起验证性和示范性的数字化变电站。数字化变电站概念的提出是基于光电技术、微电子技术、信息技术、网络通信技术的发展，在应用方面直接表现为变电站二次系统的信息应用模式发生巨大的变化。从某种意义上说“数字化变电站”主要指变电站二次系统的“数字化”数字化变电站以非常规互感器代替了常规继电保护装置、测控等装置的IO部分；以交换式以太网和光缆组成的网络通信系统替代了以往的二次连接电缆和回路；基于微电子技术的IED设备实现了信息的集成化应用，以功能、信息的山东大学硕士学位论文冗余替代了常规变电站装置的冗余，系统可以实现分层分布设计；智能化一次设备技术的实现使得控制回路实现了数字化应用，变电站可以实现小型化、紧凑化的设计与布局。12前置数据采集单元(FDAU)的研究意义数字化变电站新技术的主要内容是研究电子式互感器等数字化设备在监控系统和继电保护的应用技术；研究开发符合IEC61850标准，并具备测量、保护、控制、分析、设备在线监测、状态检修、远方监视等功能的数字化分散式变电站自动化系统；研制可直接接入电子式互感器等数字化信号的硬件和软件平台。然而，由于目前的技术条件及成本的限制，目前的数字化变电站工程都不是一个纯粹的数字化变电站，MU不但需要采集电子式互感器的输出，还需要采集和数字化传统互感器的测量值。例如某110kV数字化变电站中只有一台MU采集的是电子式互感器的输出，其余均采集的是传统互感器的测量值【4】对于新建的变电站，无论电压等级高低，基本采用从过程层到变电站层全数字化的变电站自动化系统。但对于传统的变电站，由于一次设备和二次装置之间依然采用传统模式，全数字化的改造成本非常高，造成了极大的资源浪费。因此，传统变电站数字化改造的进程和相关技术的研究相对缓慢，作为数字化改造的基础部分，过程层的数字化与智能化技术的研究更加滞后【5】。针对传统低压变电站的数字化改造，本文提出了一种基于IEC61850标准的面向传统互感器和断路器等一次设备的前置数据采集单元(FDAU)。FDAU主要功能是对电磁式互感器模拟量进行采集，采集遥信数据，采样值通过以太网按照IEC6185091标准广播到过程层通信网络，并且能够接收间隔层控制命令，对变电站各种开关、断路器进行控制输出。FDAU通过光纤以太网与间隔层设备通信，可以简化了变电站设备的二次接线，同时也实现了与间隔层智能电子装置(IED，IntelligentElectronicDevice)的电气隔离。装置按照模块化设计，既可以满足传统变电站的数字化改造，也可通过更换功能插板的方式连接电子式互感器。FDAU的研制，在满足了IEC61850标准开放性和互操作性的同时，充分兼顾了现有变电站改造的需要。采用FDAU进行传统变电站的数字化改造，既可以实现信息的共享和设备间的互联，又可以减少重复投资，最大限度的降低资源浪费。对于建设节约型社会都具有重要的理论意义和工程价值。3山东大学硕士学位论文第二章IEC61850标准和嵌入式系统本章首先研究与本课题密切相关的IEC61850标准和常规的合并单元MU，并研究了嵌入式产品的一般开发流程、面向对象技术和UML(统一建模语言)在嵌入式系统开发中的应用，并深入了解本课题所采用的重要元器件，最后研究了嵌入式系统中常用的几种嵌入式操作系统，并根据实际需要进行了选择选择。21lEC61850标准和MU网络技术的迅猛发展，使变电站自动化系统通过网络交换数据成为可能。在信息交换的过程中，不同设备间的信息是否易于交换和能否自由访问是很重要的。为了实现电力自动化产品的互操作性，变电站自动化系统就需要统一的数据与通信标准。1994年，德国国家委员会提出对于通讯协议的设想，1995年IECTC57为此成立了3个工作组(wGlO1112)专门负责制定IEC61850标准。3个工作组参考和吸收了101、103、UCA2O和MMS等电力系统相关标准，于1999年3月提出了IEC61850委员会草案版本，目前IEC61850标准已经全部出版。IEC61850标准的发展方向是实现“即插即用”，在工业控制通信上最终实现“一个世界、一种技术、一个标准(Oneworld，Onetechnology，Onestandard)61。211标准的基本内容IEC61850变电站通信网络和系统标准(CommunicationNetworksandSysteminSubstation)是基于网络通讯平台的唯一变电站国际标准。它不仅规范了保护、测控装置的模型和通信接口，还定义了电子式互感器、智能式开关等一次设备的模型和通信接口【111。IEC61850标准是个完整的标准体系，内容结构见表21。标准由10章14个部分组成【12】【251，其内容如下：(1)IEC618501：概述。包括背景、适用范围和目的等标准的概述。(2)IEC618502：术语。给出了IEC61850标准涉及的术语及其定义。(3)IEC618503-总体要求。详细说明系统通信网络的总体要求，重点是质量要求，还涉及了环境条件和供电要求的指导方针，并根据其它标准和规范对相关的特定要求提出了建议。(4)IEC618504：系统和项目管理。描述了对系统和项目管理过程的要求以及对工程和试验所用的专用工具调度要求。5山东大学硕士学位论文(5)IEC618505：功能和设备模型的通信要求。规范了变电站自动化系统所完成功能的通信要求和装置模型。包括功能的定义，构建逻辑节点的途径，通信信息片的概念，报文的性能要求等。(6)IEC618506：有关变电站IED的配置描述语言。规定了描述通信有关的IED配置和参数、通信系统配置、开关间隔(功能)结构以及它们之间关系的文件格式。(7)IEC618507：变电站和馈线设备的基本通信结构。包括4个部分：IEC6185071：原理和模型，提供了有关基本建模和描述方法的信息，说明了72、73、74之间的关系，以及IEC6185089中具体的通信协议；IEC6185072：抽象通信服务接口(ACSI)，主要描述了信息的分层类模型、对这些类进行操作的服务以及每个服务相关的参数；IEC6185073：公共数据类，定义了和变电站应用有关的公共属性和公共数据类：IEC6185074：兼容逻辑节点类和数据类，规定了IED之间通信用的兼容逻辑节点名称和可能包含的所有数据名称。(8)IEC6185081：特定通信服务映射(SCSM)到MMS及ISOIEC88023的映射。说明了在局域网上交换实时数据的方法，将ACSI映射到制造报文规范(MMS，ManufactureMessageSpecification)的服务和协议，用于变电站层和间隔层内以及变电站和间隔层之间通信映射。(9)IEC618509：采样值特定通信服务映射(SCSM)，包括2个部分：IEC6185091：特定通信服务映射(SCSM)通过串行单向多路点对点链路传输采样值；规定了合并单元和间隔层设备之间的采样值的通信；IEC6185092：特定通信服务映射(SCSM)通过ISOIEC88023传输采样值；规定了依照72部分定义的模拟量采样值的传输。(10)IEC6185010一致性测试，规定了变电站自动化系统和设备通信方面的一致性测试方法，还给出了设置测试环境的准则和规定了互操作的等级。6表21IEC61850内容结构l概论2术语系统3总体要求概貌4系统和项目管理5功能和设备模型的通信要求配置6变电站IED的配置描述语言基本ACSI71原理和模型通信7-2抽象通信服务接口(ACSI)结构数据7-3公共数据类模型7-4兼容逻辑节点类和数据类从IEC61850通讯协议体系的组成可以看出它与以往的通信协议不同，IEC61850标准除了定义变电站自动化系统的通信要求和数据交换外，还对整个系统的对象模型、通信网络结构、项目管理控制以及测试方法进行了全面的描述和规范，因此该标准对整个变电站的设计、开发、工程、维护都具有重要的指导意义。212标准的体系结构1分层模型与逻辑接口变电站通信网络和系统协议IEC61850标准提出了变电站内信息分层的概念，从逻辑概念和物理概念两个方面将变电站的通信体系分为3个层次：变电站层、间隔层和过程层，并定义了3层间的9种逻辑接口。IEC61850给出的变电站自动化系统接口模型如图21所示。变电所层I功能A卜刊功能BI百嘶足下l继电保护lI控制I间隔层I控制II继电保护I，上l过程层接口l过程层I传感器Il操作机构IT八I备下八上图21变电站自动化系统接口模型过程层主要完成开关量IO、模拟量采样和控制命令的发送等与一次设备相关的功能。是一次设备与二次设备的结合面，或者说是智能化一次设备的智能部分。过程层通过逻辑接口和接口与间隔层通信。间隔层的功能是利用本间隔的数据对本间隔的一次设备产生作用，如线路保护设备或间隔单元控制设备就属于这一层。间隔层通过逻辑接口和接口与过7主要指利用各个间隔或全站的信息对多个间隔或全站的一次设备发生作用的功能，如母线保护或全站范围内的闭锁等，变电站层通过逻辑接口完成通信功能；二是与接口相关的功能，主要指与远方控制中心、工程师站及人机界面的通信，通过逻辑接口，完成通信功能。IEC61850的分层模式与现有大多数变电站自动化系统不同，在现有系统中过程层的功能都是在间隔层设备中实现的，于是就没有独立的逻辑接口和接口了。随着电子式互感器和智能开关设备的使用，现代电力技术的发展趋势是将越来越多的间隔层功能下放到过程层中去。可见，IEC61850是个面向未来的开放的标准。2通信系统的结构IEC61850标准采用面向对象技术对变电站自动化系统的功能进行了分类和定义。在标准的第5部分中引入了逻辑节点的概念，功能的分类和逻辑节点的引入对于分布式系统的设计及互操作性有重要作用。逻辑节点是构成系统功能的基础，IEC61850标准定义的数据模型如图2-2所示。标准逻辑节点和数据对象+数据对象类定义的数据类型服务抽象数据模型图22数据模型层次IEC6185072部分定义了抽象通信服务接口(ACSI)。ACSI提供如下6种服务模型：连接服务模型；变量访问服务模型；数据传输服务模型；设备控制服务模型；文件传输服务模型；时钟同步服务模型。这些服务模型定义了通信对象以及如何对这些对象进行访问。考虑到TCPIP、OSI、现场总线等各种各样的通信系统已建立起来，IEC61850标准引入了特定通信服务映射(SCSM)将ACSI定义的服务、对象和参数映射到下层应用程序，如图23所示。SCSM将抽象通信服务对象和参数映射到MMS，FMS，DNP或IEC608705等应用层。其中标准的81部分定义了ACSI到ISOIEC9506即MMS之间的映射。第9部分定义了过程层采样值的映射【l01。8213标IEC61850标准是关于变电站自动化系统的第一个完整的通信标准体系。与传统的通信协议体系相比，IEC61850标准在技术上有如下突出特点【3】：1信息分层IEC61850提了变电站内信息分层的概念。将变电站通信体系分为变电站层、问隔层和过程层。现代电力技术的发展趋势是将越来越多的问隔层功能放到过程层。1EC61850标准将这一功能由电子式互感器和智能开关设备等过程层装置来实现，符合电力技术发展趋势。2面向对象的数据对象统一建模IEC61850标准采用面向对象的方法描述变电站及设备信息，它为变电站设备、通信体系及服务建立了基于对象的数据模型，这些模型描述和定义了大多数公共实际设备和设备组件的公共数据标识、格式、行为、控制以及设备之间进行信息交换所需要的服务，完备的语义信息模型为设备的互操作性提供了基础。3数据的自我描述面向对象的数据在数据源进行自我描述，传输到接受方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作，简化了数据管理和维护工作。用基于XML(扩展标记语言)的变电站配置描述语言(SCL，SubstationConfigurationLanguage)描述变电站lED、变电站系统和变电站网络通信拓扑结构的配置，使不同制造厂商的配置工具间可以交换系统的配置信息，实现互操作。4ACSI与SCSM技术IEC61850标准根据电力生产过程的特点和要求，设计出ACSI(抽象通信服务接口)，它独立于各种不同的网络协议栈和具体网络，通过SCSM(特定通信服务映射)将各种服务、对象和参数映射到具体的应用协议和网络。只要改变9山东大学硕士学位论文相应的SCSM即可以满足由于网络协议栈和具体网络改变带来的复杂的通信转换的工作，使变电站自动化系统的灵活性得到了很大的提高。5与IEC61970等标准的结合IEC618506197061968系列标准的诞生是电力系统通信体系和数据交换技术的里程碑。IEC61850与IEC6197061968标准具有一定的互操作性，正在发展的IEC61850+正是为了弥合其与IEC61970调度通信标准的差异，实现主站对变电站的直接访问。这些标准减少了通信瓶颈和规约转换带来的数据损失，将对今后电力系统信息技术的发展产生深远的影响。6完整的标准管理、测试系统标准制定得目的在于加强不同厂家之间产品的兼容性即实现无缝通信，使不同厂家生产的产品具有互操作性。为了保证设备相互间的兼容性，规约的统一解释对一个标准规约的实施推广起非常重要的作用。IEC61850系列标准包含一致性测试部分，用以确保各厂家生产的所有的IED产品都严格遵循本标准。IEC61850标准还制定了完整的变电站通信和系统的总体要求、系统和工程管理等标准。7面向未来的、开放的体系IEC61850是面向未来的、开放的体系，这主要体现在以下几个方面：对厂商是开放的：支持不同厂商的设备之间的信息交换；对通信技术是开放的：信息交换独立于具体通信模型；对物理分配是开放的：功能可以自由分配；对未来是开放的：信息模型可扩展；对整个系统是开放的：设备实现了自我描述。IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，它以完整的分层通信体系采用面向对象的方法，使构建真正意义上的综合自动化系统成为可能因此是迄今为止最为完善的变电站自动化的通信标准它代表了变电站综合自动化系统的发展方向。214合并单元MUIEC60044-78中定义了一个新的物理单元合并单元MU(MergingUmt)，合并单元是针对数字化输出的电子式互感器而设计的。通常，是7个电流互感器和5个电压互感器传输来的信号经过一定的处理，然后按照曼彻斯特编码格式将这些信息组帧发送给二次保护、控制设备，其中合并单元到二次设备的连接可以通过光纤或铜线传输。后来随着变电站通信标准IEC61850的制定，对于合并单元的描述又有了创新，但总的来说，IEC6185091中定义的合并单元是依靠IEC60044-78为山东大学硕士学位论文参考的。IEC6185091中规范的合并单元如图2-4所示，合并单元发送给二次保护、控制设备的报文，除了IEC6004478中规定的电流电压值及标志采样值是否有效的状态信息、同步信息和设备维护信息等外，还增加了一些反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息等。目前，按照IEC61850-_91标准的规范，合并单元与二次侧保护、测量设备的通信多采用以太网进行。图2-4合并单元功能框图事实上IEC6185091部分仅规定了合并单元到间隔层设备的模拟量采样值的抽象服务映射，而并没有规定合并单元与互感器之间如何连接。在当前阶段，数字化变电站的改造恰恰需要与传统互感器连接的采样值数字化装置，本课题研究的FDAU正是为了满足这种数字化变电站过渡性改造所存在的需求。22面向对象技术及UML语言面向对象方法是当前计算机领域在系统建模方面最流行的一种设计方法，它与传统的开发方法不同，把对象作为研究问题的核心，把事物从具体抽象为一般，运用封装技术减少模块间的藕合度，有利于模块的重复利用，降低开发成本。UML技术是当前系统开发中常用的面向对象技术，它吸取了面向对象技术领域中其他流派的长处，同时也包括非面向对象的方法，是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的面向对象建模技术。本文把该技术运用到嵌人式硬件系统的描述中，通过分析、设计、实现，初步得到嵌人式硬件系统的模型【42j。UML(UnifiedModelingLanguage，统一建模语言)，是一套用来设计软硬件山东大学硕士学位论文4)缺少对嵌人式系统软硬件的协同设计和协同开发，过分依核于后期的系统功能校验，延长了开发周期并增加了开支等5)一旦用户需求更改或开发设计发生问题，有可能要从头进行整个嵌入式系统的软硬件划分并从头开始设计开发，导致了重复的工作【4jj。UML是一种在面向对象技术领域中定义良好、易于表达、功能强大并普遍适用的标准建模语言。通过统一的语义和符号表示，UML可以使系统开发能基于一个成熟、标准的环境，从而大大拓展了系统的适用范围，并提高其灵活程度。UML的目标是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统，具有很宽的应用领域。在需求分析阶段，可以用用例来捕获用户需求，通过用例建模来描述对系统感兴趣的外部角色及其对用例的功能要求分析阶段主要对系统各部分建模，为构造阶段提供清晰、详细的规格说明。构造阶段则根据来自设计阶段的详细说明在软件、硬件等各个模块上构建整个系统，UML模型还可以作为测试阶段的依据，如单元测试使用类图和类规格说明；系统测试便用用例图来验证系统的行为等。总之，UML适用于以面向对象技术来描述任何类型的系统，而且适用于系、统开发的不同阶段，从需求规格描述直至系统完成后的测试和维护等。嵌入式系统的开发和纯软件开发是有很大区别的，由于嵌入式系统涉及硬件的开发调试，一般需要投入较多的资金并且开发周期较长，不适合反复的修改。软件工程领域的迭代式开发流程或者敏捷开发流程似乎不太适合硬件开发。但应用面向对象技术和UML语言在分析和设计阶段可以很好的进行规划和验证，选择合理的设计方案之后再进行实际的硬件开发，这样可以有效的减少后期的更改，缩短开发周期，保证系统的可靠性。23Blackfin处理器在嵌入式系统里面，特别是既有逻辑控制又有数值运算的系统里面，经常采用MCU+DSP的设计方式。这个方式的一个局限是设计者必须完成控制和DSP功能的固定分配，一旦某个部分不能胜任新的需求，系统则不得不重新设计；另外由于分开的DSP和MCU核往往需要各自独立的开发工具，因此使设计环境变得复杂，而且要投入资金和精力去购买和学习这些不同的开发环境。随着32位MCU的快速增长，越来越多的MCU集成了一部分DSP功能，如扩展指令集和增加MAC单元。这种做法仅适用于简单的信号处理应用，但由于MCU时钟速度和计算结构根本上不能很好的适用于大规模的数值计算。还有一种处理器是把MCU和DSP组合进单个器件中，这种器件具有单一结构，既能够完成大量的数值计算也可以完成控制任务。这种处理器的另一个关键特征是高时钟速率、单位处理能力的低功耗(MwMMACS)下、小封装尺寸，山东大学硕士学位论文以及灵活的编程模式。这种器件对于操作系统也有很好的支持，具有优先级的事件中断控制器，该控制器支持基于硬件的堆栈和框架指针进行上下文切换。这种体系结构的集成处理器允许开发者在同一个器件上创建系统控制和实时信号处理两种应用441。ADI的Blackfin就是这种集成结构的处理器。下面简单介绍一下本课题所选用的Blackfin处理器。231Blackfin处理器概述Blackfin处理器是一类专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件而设计的新型16-32位嵌入式处理器。Blackfm处理器基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构(MSA)，它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在了一起。这种处理特征的组合使得Blackfin处理器能够在信号处理和控制处理应用中均发挥上佳的作用在许多场合中免除了增设单独的异类处理器的需要。该能力极大地简化了硬件和软件设计实现任务。目前，Blackfin处理器在单内核产品中可提供高达756MHz的性能。Blackfin处理器系列中的新型对称多处理器成员在相同的频率条件下实现了性能的翻番。Blackfin处理器系列还提供了低至08V的业界领先功耗性能。对于满足当今及未来的信号处理应用而言，这种高性能与低功耗的组合是必不可少的。高性能处理器内核Blackfin处理器架构基于一个10级RISCMCUDSP流水线和一个专为实现最佳代码密度而设计的混合1632位指令集架构。Blackfm处理器架构还完全符合SIMD标准，并包括用于加速视频和图像处理的指令。该架构很适合于全信号处理分析能力，同时还可在单内核器件或双内核器件上提供高效RISCMCU控制任务执行能力。由于具有最佳代码密度且只需进行极少(或者完全不需要进行)代码优化处理，因此可缩短产品的面市时间，而不会遇到其他传统处理器所常见的性能空间障碍。高带宽DMA能力所有的Blackfin处理器均具有多个独立的DMA控制器，这些控制器支持自动数据传输，而所需的处理器内核开销极少。DMA传输可出现于内部存储器和诸多具有DMA功能的外设之间。传输也有可能出现于外设和与外部存储器接口相连的外部器件(包括SDRAM控制器和异步存储器控制器)之间。视频指令除了具有对8位数据以及许多像素处理算法所常用的字长的固有支持之14山东大学硕士学位论文外，Blackfin处理器架构还包括专为增强视频处理应用中的性能而定义的指令。比如，离散余弦变换(DCT)通过一个IEEEl180舍入操作得到支持，而“SUMABSOLUTEDIFFEI也NCE”指令则支持在诸如MPEG2、MPEG4和JPEG等视频压缩算法中所使用的运动估计算法。利用软件来实现视频压缩算法使得OEM制造商能够在不变更硬件的情况下适应不断发展的标准和新型功能要求。增强型指令可使Blackfin处理器在那些先前主要是由ASIC、VLIW媒体处理器或硬连线芯片组来满足的应用中一试身手。归根结底，Blackfin处理器将在帮助降低总系统成本的同时使终端应用的产品上市时间得以缩短。高效控制处理Blackfin处理器架构还提供了各种在RISC控制处理器中最为常见的好处。这些特点包括：一个功能强大且灵活的分层存储器架构、出众的代码密度以及各种各样的微控制器型外设(包括10100以太网MAC、UARTS、SPI、CAN控制器、支持PWM的定时器、看门狗定时器、实时时钟和一个无缝同步和异步存储器控制器)。所有这些特点为设计师提供了巨大的设计灵活性，并最大限度地降低了终端系统成本。分层存储器Blackfin处理器存储器架构在器件实现中提供了Levell(L1)和Level2(L2)存储模块。L1存储器直接与处理器内核相连、以全系统时钟频率运行并为实时算法程序段提供了最大的系统性能。L2存储器是一种较大的大容量存储模块，其性能虽略有下降，但运行速度仍然高于片外存储器。L1存储器架构的实现旨在提供信号处理所需的性能以及通用型微控制器所拥有的编程简易性。这是通过允许将L1存储器配置为SRAM、高速缓冲存储器或两者之组合来实现的。通过支持SRAM和高速缓冲存储器编程模型，系统设计师便能够把要求高带宽和低延迟的关键实时信号处理数据组分配至SRAM中，而将更多的“软”实时控带Oos任务存储于高速缓冲存储器。图2-6分层存储器结构存储器管理单元(MMU)规定了一种存储器保护格式，当其与内核的用户及监控模式相组合时，就能够支持一个全实时操作系统。该RTOS运行于监控模士学位论文行分割，以便实际应用程序运行于用户于实现完善系统和应用的隔离而安全的Blackfin处理器架构支持多长度指令编码。使用频率非常高的控制型指令被编码为紧致16位字，而更多的算术密集型信号处理指令则被编码为32位值。该处理器将把16位控制指令与32位信号处理指令加以混合和链接，以形成64位组，从而实现存储器存储密度的最大化。当进行指令高速缓存和取指令操作时，内核将自动地对总线的长度进行充分的压缩，因为它没有对准方面的限制。当组合起来使用时，这两种功能将使Blackfin处理器提供出堪与业界领先的RISC处理器相媲美的性能。动态电源管理所有的Blackfin处理器均采用了多种节能技术。Blackfin处理器基于一种选通时钟内核设计，可按照逐条指令来选择性地切断功能单元的电源。Blackfin处理器还支持多种针对所需CPU动作极少(或根本不需要CPU动作)期间的断电模式。最后(或许是最重要的)一点是，Blackfin处理器支持一种自含动态电源管理电路，借助该电路即可对工作频率和电压进行独立控制，以满足正在执行的算法的性能要求。这些转换可以在一个RTOS或用户固件的控制之下连续出现。大多数Blackfin处理器都提供了片上内核稳压电路，并可在低至08V的电压条件下工作，因而特别适合于需要延长电池使用寿命的便携式应用。易用性如今，在许多过去需要同时采用一个高性能信号处理器和一个单独的高效控制处理器的应用中，只需采用一个Blackfin处理器便足够了。这种好处极大地缩减了开发时间和成本，并最终加快了终端产品的面市进程。此外，由于只需采用一组开发工具，因而减少了系统设计师的初期费用和学习时间。232Blaekfin处理器内核架构Blackfin处理器包括一个具有10级RISCMCUDSP流水线的高性能1632位嵌入式处理器内核、用于实现最佳代码密度的可变长度ISA以及具有面向加速视频和多媒体处理的指令的全SIMD支持。Blackfm内核的说明如下：16山东大学硕士学位论文RBSARITHM盯KU汀一一一一一上z一一IIn：雨一彰Il舀矗yMl!i；Ili，i；嚣暨茹：；Y寥叠r姐lblo：I旧jlo，一I!小l-17【j：n手艺一一；一LI卜j一f翟f。工om1I：elLm藕p谢_C(C皿lIIl二疆lfi_f。fI【二】JUJjl4：l；(辛二埔conOLUH盯二It一牲O：lc“k【+tllIIi：lI图2-7Blankfin处理器内核架构通用寄存器堆Blackfin处理器内核包括一个用于通用运算单元的8路x32位数据寄存器堆。支持的数据类型包括8位、16位或32位带符号或无符号整数以及16位或32位带符号小数。在每个时钟周期中，这种多端口寄存器文件均支持两个32位读出和两个32位写入操作。还可将其作为一个16路x16位数据寄存器文件来进行存取。除了支持循环缓冲和栈保持以外，地址寄存器堆还提供了一种通用型寻址机制。该寄存器文件由8个表目组成，并包括一个帧指针和一个栈指针。帧指针可用于子程序参数传递，而栈指针则可用于存储子程序调用的返回地址。数据运算器数据运算器所包含的系统资源大约是AnalogDevices公司以往16位架构的两倍。它包括：两个16位MAC两个40位ALU四个8位视频ALU一个桶形移位器所有的计算资源均能够处理来自数据寄存器文件(ROR7)的8位、16位或32位操作数。可将每个寄存器作为一个32位寄存器或一个16位寄存器的高位部分或低位部分来进行存取。在单个时钟周期中，SIMD架构能够对多达两个32位值进行读出和写入操作。然而，由于能够对R0-R7寄存器的高位部分和低位部分进行独立寻址(Rx、RxH或RxL)，因此每个计算部件都能够从两个32位输入值和四个16位输17山东大学硕士学位论文入值当中进行选择，而并未对输入数据加以限制。计算的结果可以作为一个32位实体或寄存器的高16位部分或低16位部分而被重新写入寄存器文件。此外，累积的方法有可能因为数据通路的不同而存在差异。例如，A0可能是一个恒定加法，而A1则可能是一个恒定减法。这种能力被称为“灵活的SIMD”。两个累加器的长度均为40位，从而提供了8位扩展精度。与通用型寄存器相似，两个累加器均能够以16位、32位或40位的增量进行存取。Blackfin架构还支持一种可生成两个16位、32位或40位结果或4个16位结果的组合型加法减法指令。在希望获得4个16位结果的场合，高位和低位部分的结果可以互换。这是一项非常强大的功能，比方说，它能够显著地改善FFT基准程序结果。地址运算器两个数据地址发生器(DAG)提供了用于