（热能工程专业论文）大型汽轮发电机组振动在线监测系统数据采集系统的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文结合“大型汽轮发电机组振动在线状态监测与故障诊断系统”这一课题， 研制了一款数据采集系统，为前者提供汽轮发电机组的振动数据。本数据采集系 统能通过以太网将采得的现场机组振动数据实时上传到上位计算机，由上位机实 现实时监测、波形分析、动平衡计算和故障诊断的功能。也可以在网络故障或作 为便携式振动检测仪器在工作现场工作时，通过运行振动数据压缩程序将数据压 缩后尽可能多的将振动数据暂存在下位数据采集器的存储芯片中。数据采集系统 检测到网络通畅时能及时将暂存的振动数据发送到上位计算机，上位计算机通过 运行解压缩程序恢复数据原来的特征。本数据采集系统还可以根据上位计算机发 送的以太网组态数据包现场组态，包括改变现场工作模式、采样通道数、数字电 位计的调整等。本论文各章节内容简述如下： 论文第一章阐述了汽轮发电机组振动在线监测的必要性与振动在线监测系 统的发展现状。提出了课题的目标及主要研究内容。 篼二章概要地介绍了本数据采集系统的总体方案，包括硬件电路的设计方案 和软件设计方案。 第三章具体介绍了本数据采集系统的硬件电路设计过程。 第四章介绍了在调试本数据采集系统时的些体会和调试经验。 第五章具体介绍了本数据采集系统的软件设计过程。主要包括驱动程序设计 和应用程序设计。 第六章是本文的结论和展望。对目前已经研制成功的汽轮发电机组振动数据 采集系统，通过实验室模拟，测试相关性能，得出结论：同时提出了本数据采集 系统今后大致的改进方案。 关键词：数据采集数据压缩与解压缩l z w 算法 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h e t r i t u r a t i n g o fad a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m i ts u p p l i e st h ev i b r a t i o nd a t a st ot h eu p - c o m p u t e rw h i c hc a n m o n i t o r st u r b o u n i t sv i b r a t i o ns t a t er e a lt i m eu s in gt h ee t h e r n e t w h e n t h ec o m m u n i c a t i o ni sf a i l e do rt h es y s t e mi su s e da sp o r t a b l ec o l l e c t o r o n t u r b o u n i t sw o r k i n gf i e l d ，t h ed a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m c a n c o m p r e s s i n gt h ev i b r a t i o nd a t a sw i t he n c o d i n gc o d e s ，s om e r ed a t ac a nb e s a v e d t h i ss y s t e mc a nc h a n g ei t sw o r k i n gm o d e l 、w o r k i n gc h a n n e l 、 d i g i t a lp o t e n t i o m e t e r ss t a t et h r o u g he t h e r n e td a t aw h i c hs e n d e db y u p c o m p u t e r c h a p t e r ss a y sa sb e l o w ： c h a p t e r1d is c u s s e st h en e c e s s i t yo ft h ev i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m o nl i n eo ft u r b o u n i ti np o w e rp l a n t s e x t r a c t i o n sa s s i g n m e n to ft h i s t h e s i s c h a p t e r 2 a n a l y s i s e s t h e p r o g r a m m e ，i n c l u d i n gh a r d w a r e sa n d s o f t w a r e s c h a p t e r3i n t o r d u c e st h ed e s i g no f t h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s h a r d w a r ei nd e t a i l c h a p c h a p s o f t d w a r o r4s u m su ps o m ee x p e r i e n c e so ft h i sd u b u g g i n gc o u r s e e r5i n t o r d u c e st h ed e s i g no ft h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s i nd e t a i l c h a p t e r6g e t st h ec o n c l u s i o n ，a n di n d i c a t e si m p r o v i n gw a y k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n d a t ac o m p r e s s i o n l z wa l g o r i t h m l r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 随着电力工业的发展，机组运行参数的提高和容量的增加，对设备的可靠性、 安全性、经济性提出了高的要求。而运行自动化、制造精度和安装工艺水平的提 高，使汽轮发电机组的振动故障有一定的减少，但由于机组设备的复杂性、运行 环境的特殊性、安装与检修中影响振动因素的不确定性，当前振动故障仍然严重 影响汽轮发电机组的正常运行。 现场新机调试和大修后开机过程中经常发生由于振动过大导致机组不能正 常运行，更甚者造成设备的毁坏例如，1 9 9 8 年1 0 月，北仑电厂1 号6 0 0 m w 机 组振动严重超标，随后发生高压缸叶片断裂的重大事故，直接损失2 4 0 0 万元； 2 0 0 0 年6 月，珠海某电厂一台引进7 0 0 m w 新机组因振动过大，无法投运，工程 延期近一年之久；2 0 0 0 年1 1 月，军粮城电厂3 号2 0 0 m w 机组因振动问题导致2 号轴瓦浮动油档断裂，大轴造成损伤；2 0 0 1 年1 0 月，阜新电厂2 号机组由于未 对振动问题进行及时有效的处理，导致断轴事故的发生，等等。同时机组运行过 程中对机组的振动状态进行实时监测也很重要。 目前，国内新投运的大机组都配置了p i l l i p 、b e n t l y 等公司的振动监测保 护装置。方面，这些引进的监测系统对安全运行起到了积极作用；另一方面， 它们的功能还没有被充分利用。运行人员不能对监测系统显示的异常振动信号及 时准确地做出判断，仅可以得知是否超限报警，无法进行深层次的分析和对故障 的诊断。建立监测系统和专业人员之间的联系，是提高机组安全性、可靠性的有 效技术环节之一。这种联系有两种方式，一种是利用远距离通信建立的网络信息 系统；另一种是具有数据采集、存储、分析和故障诊断专家系统的在线监测系统， 它可以提供专业人员做离线分析或者在线故障诊断。 由于我国用电的需要和资金制约，降低机组故障发生率，延长机组的使用寿 命，开展大型汽轮发电机组的在线监测和故障诊断的研究是非常重要的。 1 2 汽轮发电机组振动在线监测系统国内外发展现状 汽轮发电机组振动在线监测系统在近2 0 多年中得到了快速发展。目前在国 i 矿 q 浙江大学硕士学位论文 际上，以美国为主的西方发达国家在大型汽轮发电机组在线监测与诊断技术的综 合研究方面处于领先地位：一方面，美国的信号处理与数据分析技术发展较快， 而这些处理机、分析仪和数据采集系统是汽轮发电机组振动状态监测的基础和核 心，是发展后续技术( 分析、故障诊断) 所不可分割的部分；另一方面，美国的 几家专业公司，如b e n t l y ，i r d ，b e i ，从事对大型电站机组的运行和监控的研 究，以及对机组可靠性、安全性、维修性与经济管理技术方面的研究，已有了 4 0 多年的历史，建立了庞大的数据库管理系统，并开展了专家系统的研究，具 有雄厚的数据与软件实力。此外，国际上还有许多著名的诊断仪器公司，如丹麦 的b k ，德国的申克及日本的武田理研等，生产有多种用于设备诊断的分析仪 器及软件系统。然而国外的在线监测系统、现场诊断仪器及诊断管理软件一般价 格十分昂贵，且存在维护不便、因缺少汉化而使用不便等问题，因此还难以在我 国基层电厂普及。国内许多高等院校、科研机构及工矿企业也都致力于研制自己 的状态监测和诊断系统，取得了一些成果，特别是在理论、方法上的研究和探索 有了较大的进展。但实用的产品化系统还发展不够，尤其是离多参量的综合监测、 数据分析、信息管理、故障诊断集一体的高性能完善系统尚有较大差距。目前在 国内已形成了十多个水平较高，有一定规模的诊断技术研究中心，如西安交大， 哈工大，清华，浙大，上海交大，华中科技，东南大学等单位的诊断技术研究机 构。研制成功的工程应用系统有哈尔滨工业大学研制的微计算机化旋转机械状态 监测与故障诊断装置，即删d 系列；华中科技大学开发的故障诊断专家系统； 南京汽轮高新技术开发公司的c r a s 随机信号与振动分析系统；东南大学的 z x p - 1 0 5 系统；重庆大学的c d m s 信号处理故障诊断及振动分析系统；浙江大学 光科系、机械系、能源系分别开发的d m 7 0 0 1 、0 d e s 、t g 4 2 系统；西安交通大学 的旋转机械故障诊断系统等o ，。 现今，国内外较典型的汽轮发电机组振动在线状态监测方式主要有3 种： ( 1 )离线定期监测方式。测试人员定期到现场用一个传感器依次对各测点 进行测试，并记录信号，数据处理在专用计算机上完成，或是直接在便携式内置 微机的仪器上完成。这是当前利用进口监测仪器普遍采用的方式。采用该方式， 测试系统较简单，但是测试工作较烦锁，需要专门的测试人员由于是离线定期 监测，不能及时避免突发性故障。 2 直 _ 浙江大学硕士学位论文 ( 2 )在线检测离线分析的监测方式。亦称主从机监测方式，在设备上的多 个测点均安装传感器，由现场微处理器从机系统进行各测点的数据采集和处理， 在主机系统上由专业人员进行分析和判断。这种方式是近年在大型汽轮发电机组 上采用的方式。相对第一种方式，该方式免去了更换测点的麻烦，并能在线进行 检测和报警；但是该方式需要离线进行数据分析和判断，而且分析和判断需要 专业技术人员参与。 ( 3 )自动在线监测方式。该方式不仅能实现自动在线监测设备的工作状 态，及时进行故障预报，而且能实现在线地进行数据处理和分析判断；由于能根 据专家经验和有关准则进行智能化的比较和判断，中等文化水平的值班工作人员 经过短期培训后就能使用。该方式技术最先进，不需要人为更换测点，不仅不需 要专门的测试人员，也不需要专业技术人员参与分析和判断；但是软硬件的研制 工作量很大。0 1 汽轮发电机组振动状态监测技术趋向由离线定期监测方式、在线检测离线 分析监测方式，发展为自动在线监测方式是技术进步的必然趋势。随着人工智 能理论的发展及其在实际中的应用、数据处理软件的大量开发，今后汽轮发电机 组振动状态监测技术正向多目标，多层次监测和网络化方向发展。 1 3 论文的研究内容 以上论述表明，当前汽轮发电机组振动在线监测系统在电厂运行中具有不可 替代的功能。现在大型火力发电厂大多安装了b e n t l y 等公司的振动监测保护装 置，但是这些产品缺少故障诊断和动平衡分析等功能，如b e n t l y 的3 5 0 0 系列， 难以满足电厂运行过程中的需要。本文基于这一实际需要，研制了一款大型汽轮 发电机组振动在线监测系统的数据采集系统。采用自动在线监测方式，能实时采 集机组的振动状态，通过以太网及时将振动数据上传到上位机，在线实时监测机 组的振动状态；并能通过频谱分析，进行故障诊断。实现对汽轮发电机组振动的 状态监测、报警处理、数据采集，数据管理、数据分析和维护咨询等。 本数据采集系统应能适应大型汽轮发电机组振动在线监测的要求，即精度 高，采样、分析速度快；能实现机组启停监测；能满足变转速下整周期采样的要 求；同时能直观显示各种图像和数据，反映振动参数的变化趋势；能实现多参量 同时监测，并通过以太网连入网络。通过以太网传送给上位机，上位机通过运行 3 浙江大学硕士学位论文 专用软件进行数据分析，及时了解机组的当前工作状态，和进行报警监测、故障 诊断。还要能高速瞬时地保存大量异常信息以便进行事故追忆与分析。 数据采集系统的具体性能指标应达到如下指标： l 、信号输入 1 6 3 2 通道( 或更多) 模拟信号同步输入； 输入电压范围2 0 r ： 实时采样转速为2 0 r m i n 6 0 0 0 r m i n ，每转采样1 2 8 点； 2 、信号处理功能 能将输入信号经过预处理后分离为直流量和交流量，并分别进行同步采 样，转换为各自信号的离散值，以方便后续处理； 3 、信号的传输 通过以太网接口与上位p c 机通信，将信号处理结果传送到上位机的缓 冲区。由上位机运行t 9 4 2 软件包完成对振动数据的分析、诊断工作； 4 、通用性 除了能将本数据采集器固定在电子室机柜中工作外，还应能满足便携式 的要求； 5 、数据存储 当数据通讯故障或作为便携式监测仪器到现场工作时能将采集的数据 存储在数据采集器的存储芯片中。 4 浙江大学硕士擘位论文 第二章总体技术方案 在进行系统设计之前，必须先对要解决的问题进行调查研究、分析论证，在 此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采 集任务和技术指标，确定调试系统等。另外，还要注意在满足性能指标的前提下， 尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比。 2 1 数据采集系统硬件设计方案 一个完整的数据采集系统由传感器( t r a n s d u c e r ) 、信号调理( s i g n a l c o n d i t i o n i n g ) 、采集硬件( d a q h a r d w a r e ) 、接口( i n t e r f a c e ) 、数据分析和处 理软件( s o f t w a r e ) 等几大部分组成m ，如图2 - 1 所示： 外 界 - - ，j 图2 - 1 数据采集系统的一般组成原理图 传感器的作用是按一定规律将被检测量转换为数据采集系统能够测量的电 信号，它所产生的电信号与它所检测的物理量成比例地变化。 信号调理的作用是将传感器产生的低电平信号进行缓冲、放大、衰减、隔离、 滤波，以及线性化等，以获得a d c 所需的归一化信号。 本数据采集系统针对现在大型火力发电厂的现状，从b e n t l y 的3 5 0 0 系列等振 动监测保护装置的数据缓冲口取得振动信号的模拟量；根据所要达到的性能要 求，本数据采集器采用带a r m 7 d m i 核的芯片一一s 3 c 4 5 1 0 b 作为主芯片，主要有三 个功能模块：数字板、模拟板和电源板，如图2 - 2 所示。电源板由2 2 0 v 交流电经 过交流变压器后降压整流，由三端降压芯片依次得到4 - 1 2 v 电源、5 v 电源和3 3 v 电源，负责为数字板和模拟板提供相应工作电压；模拟板上主要有预处理电路和 a d 转换电路，负责对要采样的模拟振动信号进行预处理，并在a d 芯片接收到采 样开始信号后开始采样，采样结束后发送采样结束信号给主芯片；数字板上主要 有键相位信号处理电路、主芯片s 3 c 4 5 1 0 b 、s d r a m 接口电路、f l a s h 接口电路和 5 ；一 ；一 ，；：圃。；。 浙江大学硕士学位论文 i o m i o o m 以太网接口电路等，负责接收键相位脉冲信号，触发主芯片发出采样开 始信号，并在收到采样完成信号后接收a o 采样芯片采得的数据，通过以太网将 该数据传送到上位机，同时它能接受上位机的组态命令，控制采样的通道号、采 样的周期等等，数字板还能实现在通讯故障或振动量超过报警值时将采样数据保 存在大容量的n a n df l a s h 一即黑匣子中，等到故障排除，再将这些数据传送到上 位机，数据板也具有一定的抗干扰能力，具有自动复位功能。适合现场实时在线 监测。 模拟板部分数字板部分 号 图2 - 2 数据采集系统硬件设计方案图 数据采集器的设计采用f l a s 曜序引导方式，构成独立的数据采集器。具体 包含以下几个部分： 用于存放程序代码的f l a s h ( n o rf l a s h ) ； 用于存放初始化数据的e p r o m ； 用于程序运行的s d r a l d ； 6 浙江大学硕士学位论文 用于控制采样起始位置的数字电位计； 用于传送数据的以太网电路； 用于信号调理的信号预处理电路； 用于模数转换的a d 转换电路； 用于存放“黑匣子”数据的大容量n a n df l a s h 电路： 2 2 数据采集系统软件设计方案 为了满足实时监测汽轮发电机组运行时的振动状况和事故后追忆的需要，数 据采集系统必须连续采集、存储机组的振动数据，实时将采集的振动数据上传到 上位计算机实现实时监测机组振动状态。同时还要满足本数据采集系统通用性的 设计要求，也就是当做便携式数据采集仪器使用时，能方便携带，能在工作现场 随时对各需要监测的测点进行监测，并能将采得的数据实时存储在数据采集系统 的存储芯片上。 针对这些要求，前者可以通过以太网通讯电路将采集的振动数据实时传送到 上位机实现。后者一方面可以通过扩展数据采集器中存储单元的数量或选用更大 容量的n o rf l a h 芯片和n a n df l a s h 芯片来实现，使得可以存储更多的振动数据； 另一方面，由于汽轮发电机组的运行具有周期性的特点，振动数据也具有一定的 周期重复性，利用相关的无损压缩方法，可将振动数据压缩后再存储，减小存储 数据的容量，提高了存储空间的利用率，在对振动数据进行分析诊断时通过数据 解压缩程序还原振动数据，恢复数据原来的状态，方便对数据的处理。同样达到 存储更多振动数据的要求。 由于主芯片存在多个存储单元的片选信号，所以对存储芯片进行扩展是很简 单的事情；随着技术和芯片工艺的进步，大容量的存储芯片也层出不穷，目前市 场上已经出现单片容量高达i g b 、2 g b 、4 g b 的n a n df l a s h ，完全能满足本数据采 集系统对存储容量的要求。基于成本和电路板的布局考虑( 便携式) ，同时也是 为了在技术上进行新的探索，本文提出采用数据压缩即软件压缩算法的方法来对 本数据采集系统进行存储单元“扩容” 由此设计的数据采集系统软件部分包括驱动程序和应用软件两部分。驱动程 序直接对数据采集系统硬件中的寄存器进行操作，包括： l 、系统初始化； 7 浙扛大学硕士学位论文 2 、地址重映射； 3 ，中断向量表的建立； 4 、数据采集系统中各电路模块功能函数的建立，如采样电路中的触发采样 函数、读取采样值函数，以太网电路的以太网数据包发送函数等等； 应用软件包括对采得的振动数据进行处理、存储、传输等等，包括： 1 、系统主函数的建立； 2 、中断响应； 3 、压缩解压缩算法的建立； 4 、根据现场的组态信息对数据采集系统组态，如以太网通讯正常时将振动 数据实时上传到上位计算机，由上位机进行数据处理；当通讯不正常时 ( 或作为便携式使用时) ，调用数据压缩算法，将振动数据压缩后暂时 存储在数据采集器上，等到数据通讯正常后及时上传到上位机等等。 数据压缩的目的是减少用于存储和传输信息的位数。数据压缩技术可以分成 两类：有损压缩和无损压缩。有损数据压缩允许一定精度的损失以换取大大增强 的压缩。当用于图象和数字化语音时，有损压缩是十分高效的。正是由于这些性 质，模拟现象的这些数字化表示开始时并不完美，因此，输出和输入不完全匹配 的思想还是可以接受的。大多数有损压缩技术可以调整到不同的质量水平，以得 到较高的精度而换取较低效率的压缩。无损压缩是由那些保证能在一个压缩还 原周期之后产生一个和输入数据流完全相同副本的压缩技术组成的，在存储数据 库记录、电子表格或字处理程序文件时使用这类压缩技术。在本数据采集系统中， 由于监测和事故后追忆的需要，要保证振动数据本身的真实性，必须采用无损压 缩。 8 浙江大学硕士学位论文 第三章数据采集系统的硬件电路设计 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、 处理以及控制等作业。数据采集技术在振动工程、无损检修、智能仪器以及工业 自动控制等领域有着广泛的应用。 3 1 传感器简介 传感器的作用是按一定规律将被检测量转换为数据采集系统能够测量的电 信号。它所产生的电信号与它所检测的物理量成比例地变化。理想的传感器应该 能够将各种被检测量转换为高输出电平的电量，能够提供零输出阻抗，噪声极低， 并具有良好的线性和重现性。 常用的传感器有热敏传感器、光敏传感器、力与压力传感器、位移、速度以 及加速度传感器等。 只有少数传感器可以将待检测的信号直接转换为数字信号，大部分传感器输 出的仍是电压或电流等模拟信号。总体而言，数据采集系统接受的信号有：开关 信号( s w i t c hs i g n a l ) 、数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) 和模拟信号( a n a l o gs i g n a l ) 。 如果数据采集系统接受的是开关信号或数字信号，则可以直接进行处理。但是， 在绝大部分情况下接受的都是模拟信号，因而必须对通过传感器转换后的信号先 进行调理，然后再进行模数转换。 汽轮发电机组采用的测振传感器主要有磁电式速度传感器、压电式加速度传 感器和电涡流位移传感器。大型机组中电涡流位移传感器应用较多，电涡流位移 传感器是利用电涡流感应原理来测量振动位移的电参数变化型非接触式传感器。 由于它具有测量的线性范围较大、灵敏度高、不受油污等介质的影响，并能实现 非接触测量以直接测取转轴的振动、轴心轨迹等优点，故使用日益增多。 根据电涡流位移传感器的工作原理，通过不同的布置，可以测取汽轮发电机 组运行时的多种机械参数，如轴振动、轴心轨迹、相位、转速、轴向位移和轴绝 对振动等等。两个互成9 0 0 的传感器，首先可以测量转轴垂直和水平两个方向的 振动，以衡量转子及支承系统振动的不对称性，通常认为右侧为水平值，左侧为 垂直值。若把这两个方向的测量信号合成，可以得到轴心轨迹图。利用电涡流位 移传感器及对应转轴上的凹槽或凸台，可以方便地实现振动相位的测量，以确定 9 浙江大学硕士学位论文 转子上振幅及不平衡量的相对位置。由于受结构限制，电涡流传感器安装在轴承 座上，测量得到的值为转子与轴承座的相对振动。若要测取轴的绝对振动，要采 用复合传感器，用涡流传感器测取轴与轴承座的相对振动，用速度传感器测取轴 承座的绝对振动，然后将这两路信号在时域中相加，以获得轴的绝对振动值。1 。 本数据采集器采用从现场b e n t l y3 5 0 0 缓冲区直接取值的模式，汽轮发电机 组的振动信号经过电涡流位移式传感器处理后转换为电压信号送到缓冲区，键相 信号为负脉冲。 3 2 信号预处理电路接口 数据采集器以数据采集技术、信号处理技术为理论基础。以微型机为核心的 数据采集器涉及数字信号处理的相关理论和具体的硬件实现。由于数据采集器的 应用范围越来越宽、所涉及到的测量信号和信号源的类型越来越多、对测量的要 求也越来越高，在现代数据采集中，出现了信号调理功能的预处理模块，它的主 要作用是将来自传感器的信号进行放大、线性化、滤波、同步采样保持、隔离、 消除静态信号、扩展等处理。 3 2 1 信号预处理电路的功能简述： i 、增益调理 增益主要分为高增益和减增益两种，例如：有一被测信号，其最大 值为1 1 0 毫伏，如果a d 的最大输出是l o v ，分辨率为1 2 位，为了最大 化提高测量精度，此处的增益调理为加增益，其中，加增益系数为x ， 分辨率为y ，对应关系式为： 0 1 1 x x 1 0 丁。歹 表3 - i 信号调理中增益不当造成误差举例说明 ( 3 - 1 ) 注：l l o m v ：0 1 i v x1 5 1 0 5 0 8 09 01 0 0 y 理论值 5 57 88 81 1 1l l 81 1 9 91 2 1 y 实际值 6891 l1 21 21 2 由表3 - i 可见，为了使待采集信号电压与 d 芯片转换最大电压匹 配，以发挥a d 的最大精度，需要采用合适的增益系数。本数据采集系 1 0 浙江大学硕士学位论文 统采用了1 4 位a d ，最大输出是5 v ，被测信号最大值为1 2 v ，所以采用 的增益系数是0 2 5 - c e l d q 1 4 ：8 】 哼今 oe#dql5卜l we#ryby# r e s e l 臀 研1 1 讲 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的 浙江大学硕士学位论文 用户数据等。常用的n o rf l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。 本数据采集器采用a m 2 9 l v l 6 0 型n o rf l a s h ，该芯片是由a m d 公司和富士通 公司联合生产的一款大容量n o rf l a s h ，结构如图3 - 2 所示。其基本特性如下： a m 2 9 l v l 6 0 的单片存储容量为1 6 m 位( 2 m 字节) ，工作电压为2 7 v 3 6 v ， 采用4 8 脚t s o p 封装或4 8 脚f b g a 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节模 式) 或1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式工作。 a m 2 9 l v l 6 0 仅需单3 v 电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内 部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 进行编程( 烧写) 、整片擦除、 按扇区擦除以及其他操作。 由于a r m 微处理器的体系结构在支持3 2 位的a r m 指令集的同时支持1 6 位的 t h u m b 指令集，对应的可以构建3 2 位的f l a s h 存储器系统，也可构建1 6 位的f l a s h 存储器系统。3 2 位的存储器系统具有较高的性能，而1 6 位的存储器系统则在成 本及功耗方面占有优势。 f l a s h 存储器在系统中通常用于存放程序代码，系统上电或复位后从此获取 指令并开始执行，因此，应将存有程序代码的f l a s h 存储器配置到 r o m s r a m f l a s hb a n k o ，即将$ 3 c 4 5 1 0 b 的n r c s ( p i n 7 5 ) 接至a m 2 9 l v l 6 0 的 c e # 端。 注意：b y t e # 上拉，使a m 2 9 l v l 6 0 工作在字模式( 1 6 位数据宽度) ；$ 3 c 4 5 1 0 b 的b o s i z e 1 ：o 置为1 0 ，选择r o m s r a m f l a s hb a n k o 为1 6 位工作方式。 r y b y # 指示h y 2 9 l v l 6 0 编程或擦除操作的工作状态，但其工作状态也可通过 查询片内的相关寄存器来判断，因此可将该引脚悬空。 f l a s h 存储器的调试主要包括f l a s h 存储器的编程( 烧写) 和擦除，与一般 的存储器件不同，用户只需对f l a s h 存储器发出相应的命令序列，f l a s h 存储器 通过内部嵌入的算法即可完成对芯片的操作。在理解f l a s h 存储器编程和擦除的 工作原理的情况下，根据不同型号器件对应的命令集，编写相应的程序对其进行 操作。 将2 m b 的f l a s h 存储器映射到地址空间的o x 0 0 0 0 ，0 0 0 0 o x 0 0 1 f ，f f f f 处， 选择h i t o o l 菜单中的m e m o r y 选项，出现存储器窗口如图3 - 3 所示，在存储器起 始地址栏输入f l a s h 存储器的映射起始地址：o x o ，数据区应显示f l a s h 存储器中 浙江大学硕士学位论文 的内容，若f l a s h 存储器为空，所显示的内容应全为o x f f ，否则应为已有的编程 数据。双击其中的任一数据，输入新的值，对应存储单元的内容应不能被修改， 此时可初步认定f l a s h 存储器己能被访问，但是否能对其进行正确的编程与擦除 操作，还需要编程验证。 f l a s h 存储器的操作命令 向f l a s h 存储器的特定寄存器写入地址和数据命令，就可对f l a s h 存储器进 行烧写、擦除等操作，但操作必须按照一定的顺序，否则就会导致f l a s h 存储器 复位而使操作命令无法完成。编程指令只能使1 变为0 ，而擦除命令可使 图3 3 存储器映射界面 0 变为1 ，因此正确的操作顺序是先擦除，后编程，当f l a s h 存储器被擦 除以后，读出的内容应全为o x f f 。表3 2 介绍a m 2 9 l v l 6 0 编程命令、整片擦除 命令以及对应的程序设计。 表3 - 2a e 2 0 l v l 6 0 编程命令表 第一步第二步第三步第四步 地址数据地址数据地址数据地址效据 字 o x 5 5 50 i a o x 2 a ho x 6 50 x 5 5 $以 o 待编程待编程 正常 字节 0 i a 0 x 5 晒o x & h 的地址的数据 鳊程 如表3 - 2 所示，向h l e 2 9 l v l 6 0 的指定地址中写入数据，可按字( 1 6 位) 或 字节( 8 位) 操作，共需要四个总线周期，分四步完成，前两个周期是解锁周期， 第三个是建立编程命令，最后一个周期完成向待编程地址写入特定的数据。 如表3 - 3 所示，将h m 2 9 l v l 6 0 整片擦除，也可按字( 1 6 位) 或字节操作， 1 7 浙江大学硕士学位论文 共需要六个总线周期，分六步完成，前两个是解锁周期，第三个是建立编程命令， 表3 - 3a m 2 9 l v l 6 0 整片擦除命令表 第一步第二步第三步第四步 地址数据地址数据地址数据地址 数据 整宇0 x 5 5 50 x a ao x 2 7 l ,0 x 5 50 x 5 5 5脏8 00 x 5 5 5o x a a 片擦除 字节 0 x a a a0 x 5 5 50 x a a ao x a a a 第五步第六步 地址 数据 地址 数据 整字 o x 2 a a0 1 5 5 0 x 5 5 5o x i o 片攘除字节0 x 5 5 5o x a 从 第四、第五是解锁周期，最后一个周期是整片擦除周期。 f l a s h 存储器的操作检测：当按照规定的命令序列向f l a s h 存储器发出命令 时，其内部的编程或擦除算法就可自动完成编程或擦除操作，但无论是编程或擦 除都需要一定的操作时间，同时用户还应了解其内部的操作检测机制，以便知道 操作是否完成或操作是否正确。常用检测的状态位有：跳变位( d q 6 ) 、超时标志 位( d q 5 ) 、数据查询位( d q 7 ) 和r e a d y b u s y 引脚( r y b y # ) 。 常用的检测方法有三种： 第一种是判断引脚r y b y # 的状态，在编程或擦除操作过程中，r y b y # 引 脚一直为低电平，操作完成后变为高电平； 第二种是检测跳变位d q 6 ，在编程或擦除时对任何地址进行连续的读均引起 d q 6 连续跳变，直至操作结束才停止跳变； 第三种方法是使用数据线的d q 7 和d q 5 位，d q 7 位在编程或擦除过程中输出 的数是写入该位数据的反码，当操作完成时输出才变为写入该位的数据；d q 5 的 状态为“l ”时表示操作超时，此时应再读一次d q 7 的状态，若d q 7 输出仍不是 写入的数据，则操作失败，复位f l a s h 存储器。对于第一种方法，需要占用系统 的i o 口以判断引脚r y b y # 的状态，故较少使用，而第二种方法对d q 6 的连续 跳交检测相对较困难，因此，常用第三种方法检测f l a s h 存储器的工作状态“”。 本例采用第三种方法编程检测f l a s h 存储器的工作状态，程序流程如图3 - 4 。 同时，也可利用a r m 调试软件h i t o o l 集成的芯片擦除、下载命令，如图3 - 5 所示。 f l a s h 存储器的编程示例 i 浙江大学硕士学位论文 下面的例程 图3 - 4 检测f l a s h 存储器状态的流程图 图3 - 5h i t o o l 软件程序下载界面 c o d e w a r r i o rf o ra r md e v e l o p e rs u i t e ( 或a r mp r o j e c tm a n a g e r ) ，新建 浙江大学硕士学位论文 一个项目，并新建一个文件，名为i n i t s ，具体内容如下： i m p o r tm a i n a r e ai n i t ，c o d e ，r e a d o n l y e n t r y l d rr o ，= o x 3 f f 0 0 0 0 l d rr i ，= o x e 7 f f f f 8 0 s t r r i 。 r 0 l d rs p ，= o x 3 f e l 0 0 0 b lm a i n ；配置s y s c f g ，片内4 kc a c h e ，4 ks r a m ；s p 指向4 ks r a m 的尾地址，堆栈向下生成 b e n d 该段代码完成的功能为： 配置s y s c f g 特殊功能寄存器，将s 3 c 4 5 1 0 b 片内的8 k 一体化的s r a m 配置为 4 kc a c h e ，4 ks r a m ，并将用户堆栈设置在片内的s r a m 中。 4 ks r a m 的地址为o x 3 f e ，0 0 0 0 ( o x 3 f e ，1 0 0 0 一1 ) ，由于$ 3 c 4 5 1 0 b 的堆栈由 高地址向低地址生成，将s p 初始化为o x 3 f e ，1 0 0 0 。 完成上述操作后，程序跳转到m a i n 函数执行。 保存i n i t s ，并添加到新建的项目。 再新建一个文件，名为m a i n c ，具体内容如下： # d e f i n ef l a s h _ _ s t a r ta d d ro x 0 0 0 0 # d e f i n ef l a s h _ a d d r _ o n l o c k l0 x 5 5 5 # d e f i n ef l a s h _ a d d r _ u n l o c k 2o x 2 a a # d e f i n ef l a s h - d a t a - u n l 0 c k lo x a a a a # d e f i n ef l a s h _ d a t a _ u n l o c k 20 x 5 5 5 5 # d e f i n ef l a s hs e t u p _ w r i t eo x a o a o # d e f i n eu i n t l 6u n s i g n e ds h o r t i n tm a i n ( ) v o l a t i l eu i n t l 6 * t o _ a d d ； 浙江大学硕士学位论文 t o _ a d d = ( u i n t l 6 木) o x o ；写入的地址 木( ( v o l a t i l eu i n t l 6 半) f l a s h _ _ s t a r t _ a d d r + f l a s h _ a d d r _ u n l o c k l ) = f l a s h _ d a t a _ u n l o c k l ： 木( ( v o l a t i l eu i n t l 6 的f l a s h _ s t a r t _ a d d r + f l a s h _ a d d r _ _ u n l o c k 2 ) = f l a s h _ d a t a _ u n l o c k 2 ； 木( ( v o l a t i l eu i n t l 6 的f l a s h s t a r t - a d d r + f l a s h a d d r _ u n l o c k l ) = f l a s h _ s e t u p _ w r i t e ： * t o _ a d d = 0 x 1 2 3 4 ：写入的数据 r e t u r no ： 保存m a i n c ，并添加到新建的项目，并对该项目进行编译链接，生成可执 行的映象文件。 在编译链接项目文件时，将链接器程序的入口地址映射到s d r a m 或片上r 圳 中。 从程序的入口地址处装入生成的可执行的映象文件，并将p c 指针寄存器修 改为o x 0 0 4 0 ，0 0 0 0 ，运行可执行的映象文件，程序就会将数据0 x 1 2 3 4 烧写入的 f l a s h 存储器的o x o 地址处。 对于编写连续烧写f l a s h 存储器多个存储单元的程序，只需循环执行该段代 码即可，但应在对每个单元烧写命令发出后进行检测，保证前一个单元烧写结束 后再进行下一个存储单元的烧写；当然也可采用延时等待的方法进行连续的烧 写。 3 5 2 数据存储器s d r a m 与f l a s h 存储器相比较，s d r 删不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度 大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中主要用作程 序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址o x o 处读取 启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高 系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a i 中。s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入式系统中。 浙江大学硕士学位论文 s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必 须定时刷新。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求c p u 具有刷新控制逻辑，或 在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。s 3 c 4 5 1 0 b 及其他一些a r m 芯片在片内具 有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便的与s d r a m 接口。但某些a r m 芯片则没有 s d r a m 刷新控制逻辑，在使用时应注意。 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 存储容量为4 组1 6 m 位( 8 m 字节) ，工作电压为3 3 v ，常见 封装为5 4 脚t s o p ，兼容l v t t l 接口，支持自动刷新( a u t o - r e f r e s h ) 和自刷新 ( s e l f - r e f r e s h ) ，1 6 位数据宽度。 与f l a s h 存储器相比，s d r a m 的控制信号较多，其连接电路也要相对复杂。 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 并联构建3 2 位的s d r a h 存储器系统，其中一片为高1 6 位，另 一片为低1 6 位，可将两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 作为一个整体配置到d r a m s d r 蛳b a n k o d r 州s d r a mb a n k 3 的任一位置，一般配置到d r 删s d r a mb a n k o ，即将$ 3 c 4 5 1 0 b 的n s d c s ( o ( p i n 8 9 ) 接至两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的c s 端。 由于s d r a m 的所有刷新及控制信号均由$ 3 c 4 5 1 0 b 片内的专门部件控制，无 需用户干预，在$ 3 c 4 5 1 0 b 正常工作的前提下，只要连线无误，s d r a m 就应能正 常工作 在数据采集系统中，使用了f l a s h 存储器和s d r a m ，分别配置在 r o m s r a m f l a s h 组0 和d r a m s d r a m 组0 ，因此，要调试s d r a m 存储器系统，首 先应配置相关的特殊功能寄存器，使系统中的s d r a m 能被访问。表3 4 为针对该 系统的与系统管理器相关的特殊功能寄存器的配置，以下详细说明该系统所使用 的相关特殊功能寄存器的配置方法。 表3 - 4 系统管理器相关特殊功能寄存器的配置 寄存器偏移量 配置值 s y s i ：f oo x o o o o 0 x e t f f , f f 8 2 e c 【d b w t ho ，【3 0 1 0 o x 0 0 0 0 , 3 0 0 0 r o m c o n 00 x 3 0 1 4 o x 0 2 0 0 , 0 0 6 0 d r a m c o n o仍b 0 2 c 0 x 1 4 0 1 , 0 3 8 0 鼬既甚x r c o n0 】【3 0 3 c0 x c e 3 3 , 8 3 f d s y s c f g = 0 x e t f f ，f f 8 2 ；其含义