（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的电能质量分析系统的开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本论文主要进行基于d s p 的电能质量分析系统的开发。随着电力系统改革目益深 化，电力质量不仅得到广大电力用户的日渐关注，而且成为电力部门常抓不懈的主要 工作，我们研制基于d s p 的电能质量分析系统f 是针对当前电力行业同渐重视电能质 量的状况提出的。在对国内外同类产品进行分析的基础上，结合我国实际情况，提出 了具有自己特色的实施方案，即充分利用d s p 芯片计算能力强，运算速度快，具有针 对数据处理专用指令的特点，组成以d s p 芯片( f 2 0 6 ) 为核心的电能质量分析系统。 确定了电能质量分析系统对电能质量的以下主要指标：电压、电流、功率、频率、谐 波、电压三相不平衡度、电压波动与闪变等进行测量。并针对上述测量功能的理论和 实际应用作了一定的分析研究工作。 重点分析了电压、电流的测量原理与方法，分析了电网谐波的理论及测量实现方 法，分析了电压闪变与波动的理论及数字化实现方法，分析了电压三相不平衡度的理论 与测量实现方法，同时分析了电压、电流取样电路对测量精度的影响，对信号调理电 路进行了仔细的设计与仿真实验工作。最后的测试结果表示：电压、电流取样电路设 计简洁、合理，完全满足测量要求，保障了精确的电压、电流测量。谐波分析是本系 统的重要功能，同时也是其它一些测量功能的实现基础( 电压、电流、三相不平衡度 等) 。因此我们把谐波分析作为本系统的重点，做了较为深入的研究，分析了复数形式 下的付立叶变换进行求解各次谐波幅值和在o s p 中实现f f t 功能。我们研究了测量频 率的各种理论和常见测量方法，再根据本系统的特点，设计了直接利用d s p 定时器进 行频率测量，较好的解决了测量精度和测量速度的关系。电压闪变的测量的工作量很 大，它所需的运算量较大，需要处理的数据多，我们仔细研究了i e c 对测量电压闪变 的各项规定，特别是i e c 提出的测量模型，并严格按照i e c 提出的模型，对测量模型 进行数字化实现，通过仿真与测试。最终在d s p 中成功的实现了这个过程，得出了闪 变的测量值。 根据硬件方案设计了具体的电路，再与软件相结合研制成功了电能质量分析系统。 对系统进行测试并对结果进行对比分析。测试结果表明：各项测量结果完全正确，而 且测量精度高。验证了本系统的理论分析是正确的，软件与硬件设计实现也是完全合 理可行的。同时本系统具有体积小，测量精度高，多参数、多通道实时测量的特点， 达到了设计要求。 关键词：电能质量数字信号处理谐波分析快速付立叶变换电压闪变和波动 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p o w e rq u a l i t ya n a l y z i n gs y s t e mb a s e do nd s p i sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s w i t ht h e i n n o v a t i o ni n p o w e ri n d u s t r y ，t h ep o w e rq u a l i t y i s p a i d m o r ea t t e n t i o n b yu s e r s a n d p r o d u c e r s s ot h i ss y s t e mm e e t st h i sr e q u e s t w es t u d yt h es i m i l a rp r o d u c t i o n so fo t h e r c o u n t r i e sa n do t h e rm a n u f a c t u r e r sa n dp u tf o r w a r do u rd e s i g n d s pc h i ph a ss t r o n ga b i l i t y a n dh i g hs p e e do fc a l c u l a t i o na n ds p e c i a li n s t r u c t i o n sf o rd a t ap r o c e s s i n g i nt h i ss y s t e mt h e d s pc h i pi s a d o p t e d t om e a s u r em a n yp a r a m e t e r s ，s u c ha s v o l t a g e ，c u r r e n t ，p o w e r ， f r e q u e n c y , h a r m o n i c ，i m b a l a n c e o ft h r e e p h a s e v o l t a g e ，v o l t a g e f l i c k e ra n df l u c t u a t i o n w h a t sm o r e ，t h et h e o r i e sa r es t u d i e da n dt h o s ef u n c t i o n sa r er e a l i z e d t h em e a s u r e m e n tt h e o r i e so f v o l t a g e ，c u r r e n t ，h a r m o n i c ，v o l t a g ef l i c k e r ，f l u c t u a t i o na n d i m b a l a n c eo f v o l t a g ea r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s ，t h ed i s c u s s i o na l s oi n v o l v e sa s p e c to f t h e m e a s u r e da c c u r a c ye f f e c to f s a m p l i n gc i r c u i t t h er e s u l to f t h et e s tp r o v e st h a tt h es a m p l i n g c i r c u i ti sv e r yg o o d h a r m o n i ca n a l y s i si st h em a i nf u n c t i o no ft h i ss y s t e m i ti st h eb a s i co f o t h e rf u n c t i o n t h ep r i n c i p l eo ff o u r i e r - t r a n s f o r mi nc o m p l e x f o r mi s e x p l a i n e da n di t i s r e a l i z e da st h ef o r mo ff f ti nt h ed s p c h i pt oc a l c u l a t et h ea m p l i t u d e a f t e rs t u d y i n gm a n y k i n d so ft h e o r i e sa n dm e f l n so ft h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n t ，w eg e tam e t h o db a s e do nt h e d s p 、st i m e rt om e a s u r et h ef r e q u e n c y i tk e e p sb a l a n c eb e t w e e na c c u r a c ya n ds p e e do f m e a s u r e m e n t t h em e a s u r e m e n to fv o l t a g ef l i c k e ra n df l u c t u a t i o ni sd i f f i c u l t ，b e c a u s ei t n e e d sal o to f o p e r a t i o n sa n d m a s sd a t a s t o r a g em e m o r y ，d s p c h i p ss t r o n gd a t a - p r o c e s s i n g a b i l i t yc a ns o l v et h i sp r o b l e m a c c o r d i n gt ot h ei e c sm o d e lo ff l i c k e rm e a s u r e m e n t ，a d i g i t a lm e a n s i sr e a l i z e di nd s p c h i p t h e s y s t e m i sc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l ya n dt h em e a s u r i n gr e s u l t , i sc o r r e c ta n da c c u r a t e i tp r o v et h et h e o r y a n a l y s i si sc o r r e c ta n d t h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sr e a s o n a b l e k e y w o r d ：p o w e rq u a l i t y d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g h a r m o n i c a n a l y s i s f f t v o l t a g ef l i c k e ra n d f l u c t u a t i o n i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：攘( i 结 日期：伊中年f 月黾日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并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。本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密彰 ( 请在以上方框内打“4 ”) 。 学位论文作者躲靠雌 b 期：训年g 月琴日 指导教师签名 日期：2 船证年f 月f 目 覆 莎 蔓多 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 绪论 随着我国经济的发展，电力系统中非线性负载日益增多，如大型的电弧炉，整流 设备，电气化铁道等。这些非线性负载的应用产生大量的谐波电流，造成电力系统的 电压畸变，同时这此负载还带有很大的冲击负荷率，给电力系统带来不规则的电压波 动，降低了供电质量，也对电力系统的设备也有很大的危害。为此，国家有关部门先 后制定了若干电力系统电能质量的国家标准，如：g bt 1 2 3 2 5 9 0 电能质量一公用电 网谐波；g bt 1 2 3 2 5 4 9 0 电能质量一供电电压允许偏差；g bt 1 2 3 2 6 9 0 电能质 量一电压波动和闪变；g bt 1 5 5 4 3 9 5 电能质量一三相电压不平衡度，应用这些标 准来衡量电网的电能质量。 同时一方面，我国电力行业改革，引入竞争机制，促使电厂重视电能质量；另一 方面，由于科学技术的快速发展，工业自动化水平的提高，微处理器和p l c 的大量 应用，使得一些精细控制更容易受电能质量的影响，因此现代工业对电能质量提出了 更高的要求。 然而面对如此巨大的电能质量测量市场，电力行业对电能质量测量与分析设备的 选择余地却是非常有限的。在我国，发电厂和大型变电站对电能质量的测量与分析做 了一些工作。但是对重要厂矿，商业区，居民住宅区等电网的非关键节点的测量分析 还有些滞后，因为我国缺少适用于这些场合的电能质量测量分析的便携仪表设备，使 得电能现场测试很不方便。而国外同类产品的售价又普遍昂贵；我们研制的基于d s p 的电能质量分析系统就是针对我国电力行业面临的现状而提出的。 1 2 课题的来源、目的、意义 本课题是江西八达电子公司的新产品研究开发项目。目的就是要开发出一套具有 国内先进水平的电能质量分析系统，能够对电能质量的各项指标，如供电电压偏差、 电压波动和闪变、电网谐波、三相电压不平衡、电压频率等进行准确测量。本产品的 开发成功不仅对公司的长期发展具有很大的意义。而且对我国国家电力工业的发展也 具有帮助。它能够帮助供电部门和技术监督部门更好的了解电能质量变化的全过程， 对现场电能质量问题的治理具有重要意义。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状和最新动态 1 3 。1 国外的研究现状和最额动态 由于国外长期对电能质量的重视，加上科学技术上的优势，所以研制的电能质量 分析系统水平较高，而且种类较多。根据使用的场台，主要分为掌上型和便携式。掌 上型主要用于工作现场的测量，线路的巡查和测量分析大型用电设备( 如电炉，轧钢 机等) 对电网的谐波污染；而便携式主要应用于电网的各个节点，对电网电能质量进 行测量和分析。 掌上型电能质量分析仪表以美国f u l k e 公司生产的f 4 3 手持型电力质量分析仪 为代表。它具有完善的测试功能，能测量电流、电压、功率因素等电能常规指标，还 能测量电力系统的各次谐波，而且最高次数达5 1 次，并能捕捉瞬变电压和波形失真， 此外还融合了万用表功能，可测量电阻，二极管，电容等元器件的参数，真可以说是 功能强大，并配有光电隔离的r s 2 3 2 接口与计算机通信，可将测量数据传给计算机 作进一步的分析，它操作简单，外观灵活，如同万用表。如图1 1 所示。同时它测量 界面友好，显示分辨率较高，能较真实的反映电能性能指标。如图1 2 所示。 图1 1f 4 3 电能质量分析仪图l2 显示屏面 它携带方便，是电力系统现场测试工作人员的得力工具。但它的测量精度不高， 因此只能应用于一般的检测中，或作为对各种状况判断的参考和发现问题的手段，而 不能作为计量和判断问题的依据。再加上较为昂贵的价格，使得在国内很难推广。便 携式电能质量测量仪表克服了掌上型仪表一些缺点，具有较高的测量精度和实时性。 在国外同类仪表中p f l , u n i l y z e r9 0 0 f 便携式电能质量分析仪为代表，它的技术水平较 高，实用性强。如图1 ，3 所示。 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = ；= = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = 图1 1 3u n i l y z e r9 0 0 f 便携式电能质量分析仪 它最大的特点：高精度、多功能、体积小、重量轻、携带方便、操作简单。 可判断谐波流向，便于查找谐波源。全中文分析软件。完全按照国家标准进行 分析评估，并自动生成图形和报表。这是其它一般仪表无法具备的。它一般用于测量 大型厂矿，居民住宅区，商业区等进入大型用户的低压侧网点的电能质量，以保证用 户的用电安全性，同时可以测量用户的用电设备对电网质量的干扰情况。可将测 量计算后的数据通过以太网、m o d e m 等多种方式传回控制中心，以图和表格的方式 显示结果，进行数据管理。它主要以中央处理器和数学协处理器为核心，配备高速 c a c h e ，大容量的硬盘，高精度快速数据采集装置，能够做到测量电力系统每个周 波的功率和谐波，具有较强的实时性。由于它本身不大，可与笔记本电脑配合使用， 这使它也具有现场测量的功能，这种设备不仅具有使用灵活，而且测量功能强大，使 它成为一款理想的电能质量分析仪表， 1 3 2 国内研究的现状及最新动态 在国内，由于电力部门对电能质量的重视，特别是近几年来，广大科研人员对电 能质量测量与分析理论进行了较深入的研究，全国各大电力测试设备公司也对此类产 品作了一定的投入和开发。但电能质量分析系统应用到实际工程中的暂时不多，而且 一般应用于电厂，大型变电站等电力系统中的主要电网节点。这种仪表一般由数据采 集卡，工控机，高级语言编写的数据处理软件组成。这种装置测量精度高，功能强， 操作界面友善。但缺点也很明显；体积大，对运行环境要求高。无法实现现场的实时 测量，而且仪表成本也较高，不能很好的满足我国电力行业对电力系统电能质量的新 要求。 主要产品有安徽振兴电子公司的ps 系列电能质量分析仪。它的主要特点是采用 工控机结构，体积大，重量大。适合于放置现场长期观察，移动不方便。功能上比较 完善，但实时性方面做的不理想。宝钢安大的p q l1 6 电能质量分析仪。主要特点： 电压输入采用高电压隔离模块( + 6 8 0 v 、响应时间 5 0 0 人) 调查闪变觉察率f ( ) 。它的统计公式为： f ：黑1 0 0 ( 2 3 5 ) a + b + c d 。 式中：a 为没觉察的人数 b 为略有觉察的人数 c 为有明显的人数 华中科技大学硕士学位论文 d 为不能接受的人数 电压波动引起对人的主观视觉反应称为瞬时闪变视感度s ( t ) ，通常以闪变觉察 率的5 0 作为瞬时闪变视感的衡量单位，即定为s = i 觉察单位。例如在周期性电压 波动作用最显著的8 8 h z 调幅波的正弦波动电压，作用于额定工作电压为2 3 0 v ，功 率为6 0 w 的自炽灯，当s = i 时的电压波动值为o 2 5 ，即在8 8 h z 的电压调幅下， 电压波动只有达到02 5 j 即大部分人都有强烈感受。 ( 3 ) 感度系数k ( f ) 人脑神经对亮度明暗变化需要最低的记忆时间，高于某一个频率的亮度波动普通 人便觉察不到，这一频率称为停闪频率。根据统计人眼和脑对白炽灯亮度波动的视感， 对于额定工作电压为2 3 0 v ，功率为6 0 w 白炽灯的闪变频率范围约为1 2 5 h z ，正弦 调幅波在8 8 h z 时的波动最为敏感。闪变是经灯一眼一脑环节反映人对亮度波动的主 观，引入视感度系统k ( f ) 可以更本质的描述灯一眼一脑环节的频率特性，i e c 推 荐的视感度系数为： 丘( f ) = 莲群舞嚣堕舞蹴(236)0tz)ie 7 产生同样视感度的f弦电压波动r ( ) ( 4 ) 短时间闪变严重度p s t p s t 是一个统计值，它可由以下公式求出： p s t = 4 0 0 3 1 4 p o 】+ o ，0 5 2 5 p l + o 0 6 5 7 p j o + o 0 8 8 0 r ， 7 、 式中5 个规定值：p 0 1 ，p l ，p 1 0 ，p 5 0 分别为1 0 分钟瞬时闪变视感度s ( t ) 超过 0 1 ，1 ，1 0 ，5 0 时间的觉察单位值。 以p of 为例：观察电压闪变的时间为十分钟，则其0 1 的时间0 6 秒，既具有所 求s ( t ) 的值的时间一共为0 6 秒，则此值就是p 0 1 的值，其他p i ，p 】0 ，p 5 0 类似可 求得，对于周期性稳定的电压波动，式中p o , i = p i = p 1 0 = p 5 0 = s ( t ) ，所以可得： p s t = 4 0 5 0 9 6 s ( t ) = o 7 1 4 4 s ( t ) ( 2 3 8 ) 2 5 3i e c 闪变的检测方法 国际电工委员会( i e c ) 依据1 9 8 2 年国际电热协会( u i e ) 的推荐，于1 9 8 6 年给 出了闪变仪的功能和实际规范，1 9 9 2 年u i e 又作出详细的论述，其框图如图2 3 所 示： 华中科技大学硕士学位论文 信 框图1框图2框图3 出 图2 3 闪变测量原理框图 按此原理和框图研制的闪变仪，已在英，法，德，意，美等五国进行联合测试， 并证明完全符合要求。为此介绍一下i e c 检测方法。 框l 至框3 是灯一眼一脑环节的模拟。框1 是起模拟灯的作用，用平方检波方法 从工频电压波动中解调出反映电压波动的调幅波。闪变仪要求对二倍工频l o o h z 信 号的衰减必须在9 0 d b 的数量级，这个衰减作用要由平方检测滤波器和模拟人眼频率 特性的加权滤波器完成。六阶巴特沃斯( b u t t e r w o r t h ) 低通滤波器( 又称最平坦滤波 器) 的截止频率为3 5 h z 。另外，由截止频率为0 0 5 1 1 z 的一阶高通滤波器能较容易的 抑制直流分量。 框2 是模拟人眼的频率选择特性，i e c u i e 推荐的传递函数，如2 6 2 式，实质上 是用传递函数k ( s ) 逼近觉察率为5 0 的视感曲线。k ( s ) 以乘积形式表述，乘积 的前一项对应二阶带通滤波，再乘以含有一个零点和二个极点的后一项所对应的补偿 环节，即： 1 + h 沪篙馨“赢 ， 其中k = 1 7 4 8 0 2 ，丑= 2 x t 4 0 5 9 8 1 ，m = 2 厅$ 9 1 5 4 9 4 哆= 2 z r 2 2 7 9 7 9 ，皑= 2 刀十1 2 2 5 3 5 ，吼= 2 z 女9 1 5 4 9 4 框3 ，模拟人脑神经对视觉反映和记忆效应，为反映光亮度暂态变化的能见度， 增加平方和积分两个滤波功能。闪变信号的平方，模拟非线性的眼一脑觉察过程；闪 变信号的平滑平均，模拟人脑的汜忆效应，其积分功能由一阶r c 低通滤波器来实现， 其传递函数的时间系统为3 0 0 m s 。 华中科技大学硕士学位论文 2 5 4i e c 闶变检测方法的数字化实现 首先是对平方检波滤器的环节的数字设计。此处采用采样频率为f = 4 0 0 h z 时的6 阶巴特沃斯滤波器。结果如下式： 日乜) 钆z “ 芹= 0 1 + 吼z “ ( 2 4 0 ) 其中a l = 一3 8 8 0 7 ，a 2 = 6 5 3 5 5 ，a 3 = - 6 0 4 9 6 ，a 4 = 3 2 2 7 6 ，a 5 = 0 9 3 7 6 ，a 6 = o 1 1 5 5 ，b o = 0 0 0 0 2 b t 2 0 0 0 1 0 ，b 2 。0 0 0 2 6 ，b 3 。0 0 0 3 4 ，b s = o 0 0 2 6 ，b 6 = o 0 0 1 0 ，b 7 = o 0 0 2 0 。根据上述的测试方 法，还将设计一个抑制直流分量的截止频率为0 0 5 h z 的高通滤波器，其结果是： h ( z ) ：0 9 i 9 9 = 6 ( 1 - z - 广1 ) ( 2 4 1 ) 、 1 0 9 9 9 2 z “ n n 止l - n 高通滤波器的收敛时间较长。这是由于原始信号经过平方后直流分量 较大造成。这不利于以后的统计分析，将增加计算量和计算时间，因此必须在经过高 通之前滤除直流分量，这里采用平均值法i 即先对整个信号取均值，然后在信号中减 去平均值，再通过高通滤波器。通过以上两个数字滤波器完成平方检测功能，模拟灯 的作用。 模拟人眼的频率特性环节设计。根据上述模拟滤波器的传递函数，经数字化后即 可得到数字滤波器。通过采用双线性变换方法进行转换，公式如下： 2r 1 一z 一，、 ”7 【百了j ( 2 4 2 ) 其中t 为采样周期，经变换后有： 4 b 。：“ 日( z ) = 与( 2 4 3 ) 1 + q z 4 k = l 其中a 1 2 3 5 4 8 7 5 4 ，a 2 = 4 7 1 4 5 4 8 ，a 3 = 2 7 7 6 1 ，a 4 = 0 6 1 0 3 2 5 ，b o = 0 0 0 9 3 5 1 ， b 1 2 0 0 0 0 1 2 9 ，b 2 2 0 0 1 8 3 7 3 ，b 3 00 0 0 3 2 9 ，b 4 = o 0 0 9 0 2 2 。 根据i e c 规定得r c 滤波器时间常数3 0 0 m s ，所以传递函数为： g ( j ) = 鲁i ( 2 4 4 03s)1 7 + ， 华中科技大学硕士学位论文 利用双线性变换转成z 域表达式，有 用z ) ：0 0 0 4 1 5 k ( 1 + z - 1 ) 1 09 9 1 7 z 一1 ( 2 4 5 ) 此处k 为增益系数，由于i e c 的闪变结果为归算到88 h z 的电压波动值来决定k 的取值，即有当f - - 8 8 h z ，a v = 0 2 5 ，时取k = 6 3 7 8 6 4 ，有s = 1 则最终有： ( z ) ：0 2 6 4 7 ( 1 + _ z - i ) ( 2 4 6 ) 、7 1 09 9 1 7 k 1 由上述环节可得s ( t ) 的变化曲线 短时闪变p s t 的值。再根据短时闪变p s t 2 , 6 小结 然后利用s ( t ) ，根据式( 2 3 8 ) 便可得到 就可以求出长时闪变p l t 。 本章主要从理论方面介绍了电能分析系统的各项功能的实现原理。并根据理论分 析提出合理的测量方法。谐波分析是本分析系统的主要功能，同时也是其他一些测量 功能的实现基础( 电压，电流，三相不平衡度等) ，因此本论文中用了较大的篇幅介 绍谐波分析的原理和实现的方法；在介绍频率测量时，分析各种常见的测量方法，再 根据本系统的特点，选择了直接利用d s p 的定时器进行测量，较好的解决了测量精 度和测量速度的关系：电压闪变是一项很重要的功能，它所需的运算量较大，需要的 处理的数据较多，涉及各种概念，因此论文中用了较大的篇幅介绍，本系统就是在上 述理论的基础上，通过合理的设计硬件，加上正确的软件而实现的。 华中科技大学硕士学位论文 3电能质量分析系统的硬件设计 3 1 数字处理芯片d s p ( t m s 3 2 0 f 2 0 6 ) 随着精密测量技术的不断发展，尤其是电子计算机和单片机在测量和控制方面的 应用，对电参数的测量更趋精确、迅速及自动化。在传统的电量测量系统中，一般采 取8 0 5 1 、8 0 c 1 9 6 等普通单片机作为核心部件，由于普通单片机采用的是冯诺依曼 结构，即程序指令和数据共用一个存储空间，指令周期较长，多为微秒级，无法进行 高速采样和实时处理。数字信号处理芯片d s p 放弃了冯诺依曼结构，采用了先进 的哈佛结构，即将程序指令与数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线。这 样就可以同时处理指令和数据，从而大大提高了处理速度指令周期多为纳秒级且 绝大部分为单周期指令，在本系统系统中采用t m s 3 2 0 f 2 0 6 芯片作为c p u ，其每条 指令只须5 0 纳秒，这使得高速采样和处理成为可能。 t m s 3 2 0 f 2 0 6 ( 以下简称f 2 0 6 ) 是t i 公司( 美国t e x a si n s t r u m e n t 公司) 1 9 9 6 年推出的一种性能价格比较高的定点d s p 芯片，全部采用静态c m o s 集成工艺制作 而成。它以t m s 3 2 0 c 2 x x 为基础，但功耗更低。有3 2 kf l a s h 存储器内嵌于d s p 中，减4 , t 系统体积，提高了系统稳定性，而且毋需专门的编程器( x d s 5 1 0 仿真器 即具有编程功能) ，从而减少了开发成本。在d s p 家族中，仅f 2 0 6 及f 2 0 7 具备这 特性，但f 2 0 7 管脚较复杂，有1 3 0 多条，而f 2 0 6 为1 0 0 管脚的p z 表面封装，体积 小，重量轻，更适合于便携式仪器的设计，因此本系统选用了f 2 0 6 作为主要运算器 件。f 2 0 6 的主要性能特点如下： ( 1 ) 采用一个1 6 1 6 的硬件乘法器来进行有符号或无符号数的乘法运算，乘积 可为3 2 位。乘法累加指令仅需一个机器周期( 2 0 m 时钟时为5 0 n s ) ，比其他通用单片 机减少几个数量级。 ( 2 ) 具有2 2 4 k 字的最大寻址空间，其中：6 4 k 字程序空间，6 4 k 字数据空间及 3 2 k 字的全局数据空间，6 4 k 字的i o 空间，相互之间不存在占用的问题。其中数据 空间和程序空间之间可进行块传送，在调试和维护时尤为方便。 ( 3 ) 具有4 级流水线操作，8 级硬件堆栈，用户可屏蔽中断。硬件可使用资源量 大，足以满足一般系统的要求。 ( 4 ) 具有符合i e e e11 4 9 1 标准的j t a g 逻辑扫描电路，用于仿真与测试。f 2 0 6 基于扫描的仿真方式与普通单片机的“插入式”仿真方式不同，用户在进行仿真时， 1 9 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = ；= = 目= = = = = = = = ；= = = = = 2 = = ；= = = # 其c p u 正常运行而由仿真板检测其运行状态，这样就便得仿真环境与实际的用户环 境完全一致，防止了在仿真时产生的“假象”给调试带来的错误信息。 3 2u s b 接口芯片介绍( p d i u s b d l 2 ) 3 2 1u s b 总线简介 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种 应用在p c 领域的新型接口技术。随着技术水平的提高和计算机的广泛应用，人们对 串行通信提出了更高的要求。开发一兼容低速和高速的技术，从而为广大用户提供一 种可共享的、可扩充的、使用方便的串行总线成为众多厂商的共同目标。为了实现整 个计算机系统中总线的一致性，由c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 等公司 共同开发的一种新的、快速的、双向的、同步传输的并可以热插拔的数据传输总线， 简称u s b 总线。 3 2 2u s b 总线的优点 u s b 设备之所以会被大量应用，主要具有以下优点： ( 1 ) 可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机，荐将并口 或串口电缆接上后，再开机”这样的动作，而是直接在p c 开机状态，就可以将u s b 电缆插上使用。 ( 2 ) 携带方便。u s b 设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样2 0 g 的 硬盘，u s b 硬盘比i d e 硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然u s b 硬盘会是首要之选了。 ( 3 ) 标准统一。大家常见的是i d e 接口的硬盘，串e l 的鼠标键盘，并口的打印 机扫描仪，可是有了u s b 之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与p c 连接，这 时就有了u s b 硬盘、u s b 鼠标、u s b 打印机，等等。 ( 4 ) 可以连接多个设备。u s b 在p c 上往往具有多个接口，可以同时连接几个 设备，如果接上个有4 个端口的u s b h u b 时，就可以再连上4 个u s b 设备，以此 类推，尽可以连下去，将你家的设备都同时连在一台p c 上而不会有任何问题( 注： 最高可连接至1 2 7 个设备) 。 3 2 3 总线协议介绍 u s b 总线属种轮讯方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每一总 华中科技大学硕士学位论文 线执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主 机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向，u s b 设备地址和终端号的u s b 数据 包，这个数据包通常称为标志包( t o k e n p a c k e t ) 。u s b 设备从解码后的数据包的适当 位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设各到主机。在传 输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包 或表明没有数据传送。接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。发 送端和接收端之间的u s b 数据传输，在主机和设备的端口之间，可视为一个通道。 存在两种类型的通道：流和消息。流的数据不像消息的数据，它没有u s b 所定义的 结构，而且通道与数据带宽、传送服务类型，端口特性( 如方向和缓冲区大小) 有关。 多数通道在u s b 设备设置完成后即存在。u s b 中有一个特殊的通道缺省控制通 道，它属于消息通道，当设备一启动即存在，从而为设备的设置、查询状况和输入控 制信息提供一个入口。 事务预处理允许对一些数据流的通道进行控制，从而在硬件级上防止了对缓冲区 的高估或低估，通过发送不确认握手信号，从而仿止阻塞数据的传输速度。当不确认 信号发过后，若总线有空闲，数据传输将再做一次。这种流控制机制允许灵活的任务 安排，可使不同性质的流通道同时正常工作，这样多种流通常可在不同间隔进行工作， 传送不同大小的数据包。 3 2 4p d i u s b d l 2 介绍 p d i u s b d l 2 是一款性价比很高的u s b 器件。它通常用作微控制器系统中实现与 微控制器进行通信的高速通用并行接口，它还支持本地的d m a 传输。这种实现u s b 接口的标准组件，使得设计者可以在各种不同类型微控制器中选择出最合适的微控制 器。这种灵活性减小了开发的时间风险以及费用。通过使用已有的结构和减少固件上 的投资，从而用最快捷的方法实现最经济的u s b 外设的解决方案。p d i u s b d l 2 完 全符合u s b l 1 版的规范它还符合大多数器件的分类规格成像类海量存储器件，通信 器件打印设备以及人机接口设备。同样地p d i u s b d l 2 理想地适用于许多外设，例如 打印机、扫描仪、外部的存储设备z i p 驱动器和数码相机等等。它使得当前使用s c s i 的系统可以立即降低成本。p d i u s b d l 2 所具有的低挂起功耗，连同l a z y c l o c k 输出， 可以满足使用a c p lo n n o w 哥d u s b 电源管理的要求。低的操作功耗可以应用于使用 总线供电的外设。此外，它还集成了许多特性，包括s o f t c o n n e t t mg o o d l i n k t m 可编程时钟输出低频晶振和终止寄存器集合。所有这些特性都为系统显著节约了成 本。同时使u s b 功能在外设上的应用变得容易。其功能框图如下图3 1 所示： 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 困 图3 1p d i u s b d l 2 功能框图 ( 1 ) 其各个功能模块如下： 模拟收发器集成的收发器接口可通过终端电阻直接与u s b 电缆相连。 电压调整器片内集成了一个3 3 v 的调整器，用于模拟收发器的供电。该电压 还作为输出连接到外部1 _ 5 k f 2 的上拉电阻，也可选择p d i u s b d l 2 提供的带1 5 k 内部上 拉电阻的软件连接技术。 p l l 倍频器片内集成了6 m 到4 8 m 时钟乘法p l l ，这样就可使用低成本的6 m 晶振，e m i 也随之降低。p l l 的工作不需要外部元件。 位时钟恢复复位时钟恢复电路使用4 x 过采样规则，从进入的u s b 数据流中 恢复时钟。它能跟踪u s b 规定范围内的抖动和频漂。 p h i l i p s 串行接口引擎p s i ep h i l i p ss i e 实现了全部的u s b 协议层完全由硬件实现， 而不需要固件的参与。该模块的功能