（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式系统的故障录波器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef a u l tr e c o r d e ri so n eo fm a i ne q u i p m e n tw h i c hp r o v i d e si n f o r m a t i o nf o rt h e e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mc a r t i n go ne a c hk i n do fs t a t ea n a l y s i s i th a st h ei m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h em o v e m e n tp e r s o nt op r e v e n ta n dp r o c e s sb r e a k d o w n a c c o r d i n g t ot h ed a t af r o mf a u l tr e c o r d e rc a n a n a l y s ee v e r ym o v e m e n tr u l eo f n o r m a l o rm a l f u n c t i o ns t a t ew h i c hg e tf r o mt h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m t h ea r t i c l ef i r s t l yi n g o d u c e dt h ef u n c t i o no ff a u l tr e c o r d e ra n dt h ed e v e l o p m e n t s i t u a t i o no f d o m e s t i ca n df o r e i g nf a u l tr e c o r d e r ，a n a l y z e ds o m eg o o da n d b a dp o i n t so f e x i s t i n gf a u l tr e c o r d e ra n di n t r o d u c e di t sd e v e l o p m e n tt e n d e n c y t h ea r t i c l ed e s i g n e d o n ek i n do fe m b e d d e dt y p ef a u l tr e c o r d e rw h i c hc a l ls a t l s f yt h en e e do fd i s t r i b u t i o n a l e l e c t r i c a ln e t w o r kf a u l tr e c o r d e rs y s t e ma c c o r d i n gt ot h en e e do f d e v e l o p m e n t i t sm a i n f u n c t i o ni sd a t aa c q u i s i t i o n , s t a r tj u d g e m e n t , d a t as t o r a g ea n du p w a r dt r a n s m i ta n d n e t w o r kc o r r e s p o n d e n c ec t e i ts u i t st or e c o r dt h eb r e a k d o w nw a v eo ft h e2 2 0 k v 5 0 0 k vv o l t a g er a n ke l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，i t sb i g g e s td i f f e r e n c e 诵t ht h ep r e s e n t d o m e s d cf a u l tr e c o r d e ri st h a ti tc o u l dt a k ea sa 1 1i n d e p e n d e n tu n i tt or e a l i z es t a r t j u d g e m e n t ，d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t as t o r a g e ，t r a n s m i s s i o n ，a n ds oo n i th a so v e r c o m e d o n es h o r t c o m i n go fm o d e mf a u l tr e c o r d e rw h i c hh a ss t r o n gd e p e n d e n c eo nb a c k s t a g e m a c h i n ea n de x p a n d e da4 0 gh a r d d i s ko u t s i d et h es y s t e ms ot h a th a v el a r g em e m o r y c a p a c i t ya n dc a l l t c a u s et h ed a t am i s s i n gb e c a u s eo ft h ec a p a c i t yi n s u f f i c i e n c yo r t r a n s f e r r a t eq u e s t i o n t h ee , o r es y s t e mi n s t a l l m e n tt a k e ss a m s u n g c o m p a n y s $ 3 c 2 4 1 0a st h em a i n c o n t r o l l e r ，i t sh i g i is p e e do p e r a t i o na b i l i t ya n dt h ef o r m i d a b l ed a t a - h a n d l i n gc a p a c i t y h a sb e e nu s e df u l l y t h ea r t i c l ed e s i g n e dt h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r e t h e s y s t e m u s e se m b e d d e dt y p e o p e r a t i n gs y s t e mw i n d o w sc ea n d i x a n s p l a n t e dw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e mo nt h ed e v e l o p m e n tb o a r dt r i u m p h a n t l y i t h a sd o n et h er e s e a r c ho nt h eb r e a k d o w ns t a r tj u d g e m e n ta l g o r i t h mi nt h ea r t i c l ea n d i n t r o d u c e do n en e wf r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o dw i t hm o r ee m p h a s i s f i n a l l y , a u t h o rc o m p i l e ds o f t w a r eo fu p p e rm a c h i n ew i t hv i s u a lb a s i c6 0 l a n g u a g ew h i c h c o u l dr e a l i z es o m eb a s i cf u n c t i o no fl o n g - d i s t a n c em o n i t o r i n ga sw e l la sb a c k s t a g e a n a l y s i s a b s t t a c t f i g u r e 6 0 】t a b l e 6 】r e f e r e n c e 4 2 】 k e yw o r d s ：f a u l tr e c o r d e r ；e m b e d d e dt y p e ；$ 3 c 2 4 1 0 ；f u a l g o r i t h m ；u p p e r m a c h i n e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t m 7 6 4 一i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徽堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：j 午桃签字日期夕刁年钼秽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞微堡王盍堂有保留、使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞筮壅三太 l 可以将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、汇编学位论文( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) 同时本人保证，毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者签名：j 匕卑机导师签名：亨札课三 签字日期：夕刁年6 月驴日签字日期：汐7 年6 月8 日 l 绪论 1 绪论 1 1 概述 电力系统故障录波器“1 ，是一种常年投入运行，监视电力系统运行状况的自 动记录装置，它是电力系统的“黑匣子”。当电力系统出现事故( 尤其是重大事故) 时，故障录波器记录的数据是分析事故的起因、继电保护移安全自动装置的动作 情况以及事故发展过程的重要依据，因此在国内外电力系统中得到广泛的应用。 1 1 1 故障录波器的研制背景和意义 随着电力网络的扩大化、复杂化和局域网互联趋势的到来，电力系统的行为 也将越来越复杂。一些原有的假设条件和简化模型的适用性都将受到进一步的挑 战与检验。在此情形下，丰富详尽的现场实测数据，尤其是故障或非正常状态下 的数据，无疑将具有越来越重要的价值。它们不仅是分析故障原因、检验继电保 护动作行为的依据，也为电力工作者研究了解复杂系统的真实行为、发现其规律 提供了宝贵资料。因此，故障录波器作为电力系统暂态过程的记录设备，电力系 统对其要求也越来越高了。近年来，随着继电保护故障信息系统嘲、电网时间同 步系统的建立。1 、以太网和高性能嵌入式处理器的广泛应用“”嘲，己经为新型故 障录波器提供了必要的条件。 电力系统故障录波器长年投入运行，时刻监视着系统运行状况。系统正常运 行时，录波装置不录波；当系统发生事故时，通过外部启动装置和内部判据迅速 启动录波器进行录波，直接记录下反映录波装置安装处的系统故障模拟量数据和 直接改变系统状态的继电保护跳闸命令、安全自动装置的操作命令和纵联保护的 通道信号。我们利用录波数据可以正确评价或验证继电保护装置工作的正确性， 特别是发生转换性故障和非全相运行故障，更需要用录波数据来正确评价继电保 护和重合闸装置的工作。利用录波资料提供的零序短路电流值，较准确地计算出 故障地点，这样就缩小了巡线范围，有利于迅速找到故障点消除故障，同时可以 大大减轻工人巡线的劳动强度。另外，经过对录波数据分析，可以发现系统装置 的缺陷，及时进行消除并改进装置的接线。同时电力系统由于故障和误操作常常 引起内部过电压，录波装置可拍录其波形曲线，在分析研究之后为确定限制内部 过电压的措施提供依据。由此可见故障录波装置可以准确地反映故障类型、相别、 故障电流、电压的数值以及断路器的跳合闸时间和重合是否成功等情况，可以正 确分析和确定事故的原因，研究有效的防护措施，从而减少以至避免再发生类似 安徽理工大学硕士论文 事故，对保证电力系统安全运行极其重要。 故障录波器不仅用于电网故障的诊断，在其他领域也有其他的应用，例如汽 车行驶记录仪、大型电机运行状态监控和柴油发动机状态监控等啪。埘，因此研究 新一代的故障录波器具有很重要的意义。 1 1 2 故障录波器的发展以及发展趋势 在8 0 年代引用微机技术之前，第一代的故障录波器是光电式故障录波器，例 如p g l 型光电式故障录波器。这类故障录波器存在以下缺点“： ( 1 ) 因为启动带延时，很难录到故障前和故障开始瞬间的故障波形，而这段 时间的波形对分析故障是极为重要的。 ( 2 ) 故障波形记录在感光胶片或紫外线感光纸上，波形分辨能力和记录长度 均受胶片的限制，且前者冲印繁琐，不便保存，仅能以波形输出，精度低，不便 于定量分析故障电流和电压。 ( 3 ) 设备使用和维护复杂。 第二代微机录波器以质的变化解决了光电录波器起动延时长、故障数据不能 存储、不能定量分析、不能即时打印等缺点，不仅如此，由于微机录波器采用了 工业控制微机，以及前后台的结构形式，提高了微机故障录波器录波的可靠性、 提高了储存数据和分析数据的能力。经过2 0 年的发展，微机式故障录波器已经完 全取代了光电式录波器，成为电网故障信息记录的主力，在许多重大事故的调查 和分析中发挥了重要的作用。典型的有y s 8 a 型“：后台机采用工控机，运行 w m d o w $ 操作系统，前台机采用d s p 芯片，做成标准板卡形式，通过i s a ，p c i 总线方式与前台机交换数据。尽管如此，前后台一体化微机式故障录波器也暴露 了一些问题。存在的主要问题： ( 1 ) 硬件结构不合理 数据采集、计算和判断由以单片机形式为主的前台机完成，而后台机进行对 数据的整理、分析以及保存和输出、打印等任务。 前台机由于受单片机速度、数据宽度和性能的限制，计算和判断故障算法都 比较简单，更重要的是前台机本身不具备保存故障数据的功能，要依靠与后台机 的通讯，把数据传输到后台机迸行存储数据。因此，前台机依赖于与后台机的通 讯和后台机状态，如果发生通讯中断，或后台机故障，对连续发生的故障就很难 保证得到完整保存，造成故障数据丢失。 ( 2 ) 系统设置不合理 1 绪论 后台机只有在前台机启动录波时才启动上电，由于后台机是一台工控机，一 般运行w i n d o w s 操作系统，其启动受到种种因素的影响，而且启动本身需要一定 的时间，因此，也造成了微机故障录波器存储数据的不可靠性。 ( 3 ) 数据传输速率低 以单片机形式为主的前台机一般使用串口与后台机交换数据，这样，对于需 要大容量数据传输的故障录波装置来说，就自然会出现种种问题，数据不能完整 传输到后台服务器，或者发生数据丢失。 随着高速以太网、3 2 位高性能微处理器的广泛应用和继电保护理论的完善， 下一代的故障录波器应该具有以下特点：高可靠、免维护、强大的网络、g p s 同 步等功能，既可以独立工作，也可以与其他变电站自动化设备组网和其他智能型 自动化设备一起称为i e d ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ) 。一种基于嵌入式处理器 软硬件一体化平台的新型录波器将淘汰现有的前后台模式，成为一种类似“黑匣 子”的功能单一、运行可靠稳定的智能故障测量与记录仪表，而将现有的后台分 析功能转移到综合自动化交电站的继电保护工程师站上“钌“躬“”柳。 1 2 课题的提出及论文的主要工作 1 2 1 课题的提出 录波器的发展经历了光电式故障录波器到前后台一体化的微机式录波器。微 机式录波器的广泛应用对于电网事故故障分析、事后快速电力恢复起到了很大的 作用。随着电力系统综合自动化建设及改造步步深入，以及电子技术迅速发展， 以“嵌入式高速以太网和3 2 位高性能微处理器广泛应用”位标志，基于这些技术 的智能电子设备( i e d ) 得到广泛应用，其中包括各种继电保护、智能电能表、交 流采样单元和监控系统等呻”剐“。 本课题提出了一种适合于电力系统故障诊断的嵌入式动态故障记录装置，它 是基于3 2 位嵌入式微处理器( $ 3 c 2 4 1 0 ) 和高速以太网的智能型电子设备，它既可 以独立工作也可以与录波工作站( 图1 中变电站a ) 或者变电站综合管理机( 图1 中变电站b ) ，通过电力系统网络组成分布式的故障诊断系统( 图1 ) 。 安徽理工大学硕士论文 图l 基于故障录波数据的故障诊断系统 f i g 1t h eb r e a k d o w nd i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nb r e a k d o w nr e c o r d sd a t a 1 2 2 论文工作的主要内容 本论文的主要工作是：开发一种高性能的适合于电力系统故障诊断的嵌入式 故障录波器。 第一章：介绍录波器的研究背景，发展历史以及故障录波器在电力系统中的 重要作用；基于故障录波数据的故障诊断系统。介绍了本文的主要工作和内容安 排。 第二章：嵌入式故障录波器的功能以及技术要求；系统总体硬件设计、软件 设计方案；系统各部分的软硬件开发环境。 第三章：故障录波启动算法的研究，重点介绍了一种新的基于傅式算法的测 频方法，并且通过仿真验证了算法的可行性。 第四章：具体说明系统的各部分硬件设计；各个模块的功能，原理框图；各 个模块之间的电路接口设计 第五章：系统硬件的调试以及p c b 板制作注意的问题以及解决办法。 第六章：嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的移植、应用软件的设计以及上位机 通讯界面设计。 第七章：结论与展望。 2 嵌入式故障录波器总体设计方案 2 嵌入式故障录波器总体设计方案 本文设计的新型故障泵波器，能够采集1 6 路模拟量和3 2 路开关量；不依赖 于后台和网络。能够独立完成录波与数据存储：该录波器可以独立工作也可以与 其它录波装置组成厂站录渡系统，通过以太网与监控系统相连，将录波数据远传 到调度继保管理部门，用于电力系统故障诊断。各项技术指标均满足 2 2 0 k v 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则，适应故障诊断系统的需要。 2 1 录波器的功能需求和技术要求 2 1 ，1 数据录波类型 ( 1 ) 高速故障录波记录：要求记录因短路敌障或系统操作引起的、由线路分 布参数参与作用在线路上出现的电流及电压暂态过程，主要用于检测新型高速继 电保护及安全自动装置的动作行为，也可用于记录系统操作过电压和可能出现的 铁磁谐振现象。其特点是：采样速度高，一般采样频率不小于5 k h z ，全程记录时 间短，例如大于l s 。 ( 2 ) 故障动态记录：记录因大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，如有 功功率、无功功率以及系统频率的全过程变化现象。主要用于检测继电保护与安 全自动装置的动作行为，了解系统暂( 动) 态过程中系统中各电参量的变化规律， 核对电力系统计算程序及模型参数的正确性，其特点是采样速度允许较低，一般 不超过1 0k h z ，但记录时问长，要直到暂态和频率大于0 1 h z 的动态过程基本结 束时才可终止。己在系统中普遍采用的各种类型的故障录波器及事件顺序记录仪 均属于此类别。 ( 3 ) 长过程动态记录：在发电厂，主要用于记录诸如汽漉、汽压、汽门位置， 有功及无功功率输出，转子转速或频率以及主机组的励磁电压；在变电所，则用 于记录主要线路的有功潮流、母线电压及频率，变压器电压分接头位置以及自动 装置的动作行为等。其特点是采样速度低( 数秒一次) ，全过程时间长。 2 1 、2 对故障动态过程记录设备的基本要求 装设在2 2 0 k v 5 0 0 k v 变电所的电力系统故障动态过程记录设备应满足如下 的要求； ( 1 ) 具有按反应系统发生大扰动的系统电参量幅度及变化率判据而自起动和 安徽理工大学硕士论文 反应系统动态过程基本结束而自动停止的功能：也能由外部命令而起动和停止。 ( 2 ) 每次记录的数据必须随即快速地转出到中间载体，以迎接可能随之而来 的下一次故障数据记录。其内存容量应满足连续在规定时间内发生规定次数的故 障时能不中断地存入全部故障数据的要求。 ( 3 ) 有足够的抗干扰能力；满足规定的电气量线性测量范围；记录的数据可 靠，不失真；记录的故障数据有足够安全性，不因供电电源中断或人为偶然因素 丢失和抹去。 ( 4 ) 记录数据带有时标，并适应记录时间同步化要求。 ( 5 ) 按要求输出原始采样数据和经过处理取得的规定电参量值。 ( 6 ) 故障录波设备应收集和记录全部规定的故障模拟量数据和直接改变系统 状态的继电保护跳闸命令、安全自动装置的操作命令和纵联保护的通道信号。模 拟量直接来自主设备，而开关量则由相应装置通过空触点送来。 ( 7 ) 故障录波设备原则上应作为变电所监控系统中的故障数据收集及单个数 据处理( 输出每一采样周波的有关电参量数值) 的一个组成单元，并按要求接受监 控计算机命令输出相应数据。 ( 8 ) 故障录波设备又是电网事故自动分析系统的一个组成单元，根据要求可 经由专设的通信接口直接接受自动分析系统主站计算机的命令调出数据。自动分 析系统主站计算机的基本分析功能另作规定。 ( 9 ) 为了便于调度处理事故，在装设故障录波设备的变电所的配出线路或电 力元件故障时，应立即直接输出有助于事故处理的极少量故障电参量。 ( 1 0 ) 为适应集中处理的要求，输出的动态过程记录数据应符合标准格式，规 定与a n s i f l e e e c 3 7 1 1119 9 1c o m t r a d e 兼容；记录短路故障等突发事件的数 据，其时间标志应满足同步化要求。 ( 1 1 ) 录波装置本身可靠，便于维护，各品备件容易解决，具有自动测试功能； 其绝缘试验标准及抗干扰要求与继电保护装置等同。 2 1 3 启动量与启动方式 除高频信号外，装置的模拟量和开关量均可作为故障时的起动量，具体的起 动量及其起动方式说明如下： a 、b 、c 相和零序电压突变量启动 a 、b 、c 相和零序电流突变量启动 线路相电流变化越限启动 2 嵌入式故障录波器总体设计方案 电压过限起动，其中相电压有欠压和过压两种启动方式 频率越限和变化率启动 正序分量起动 负序分量启动 开关量启动 手动和遥控启动 2 1 4 故障录波器的技术指标 l 。模拟量输入信号 ( 1 ) 通道配置：1 6 路 ( z ) 交流电压额定值：5 7 7 v 或1 0 0 v ；允许过电压2 u 。 ( 3 ) 交流电流额定值：5 a 或l a ；允许过电流2 0 1 。 2 开关量 ( l ) 开关量通道数：3 2 路 ( 2 ) 开关量分辨率；不劣于l m s ( 3 ) 开关量输入方式：空接点 3 数据采集 ( 1 ) a d 分辨率1 4 位 ( z ) 交流采样速度1 9 ，8 k h z 4 数据传输 ( 1 ) 经1 0 m 以太网上传现场数据 ( 2 ) 拷贝至u 盘存 5 存储容量 ( 1 ) 4 0 g 硬盘保存当蔚及历史数据的记录 2 1 5 录波数据记录方式 依据电力部d i f i 5 5 3 9 4 2 2 0 k v - 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则， 本装置采取图2 所示的录波采样方式。 系统大扰动开始时刻 图2 模拟量采样时段顺序 安徽理工大学硕士论文 f i g 2t h es a m p l i n gs c h e d u l i n go f a n a l o gq u a n t i t y 1 模拟量采样方式 。 按如图所示顺序执行： a 时段：系统大扰动开始前的状态数据，输出高速原始记录波形，记录时间 不少于4 0 m s ，最大可达l o o m s 。 b 时段：系统大扰动后初期的状态数据，输出高速原始记录波形，记录时间 大于0 1 s ，最大不限，由用户整定。 c 时段：系统动态过程数据，输出低速原始记录波形，记录时间大于2 s 。 d 时段：系统长过程的动态数据，每o 1 s 输出一个工频有效值，记录时间大 于6 0 0 s 。 输出数据的时间标签，如短路故障等突变事件，以系统大扰动开始时刻为该 次事件的时间零坐标。各时段的时间、采样速度可人工设定。 2 记录方式 ( 1 ) 第次启动 符合任一启动条件时，由s 开始按a b c d 顺序执行。 ( 2 ) 重复启动 在已经启动记录的过程中。有开关量或突变量输出时，若在b 时段，则由t 时刻开始沿b c d 时段重复执行；否则应由s 时刻开始沿a b c d 时段重复执行。 3 自动终止记录方式 ( 1 ) 所有启动量全部复归 ( 2 ) 记录时间大于3 s 4 特殊记录方式 如果出现长期的电流、电压、频率越限或振荡，持续录波数据量大于设定的 缓冲区，则由s 时刻开始沿a b c d 时段重复执行。 5 数据存储容量及方式 故障后可连续记录，录波次数不限，录波数据记录在硬盘上，也可通过远传 送到上级管理部门。硬盘容量大，可保留几千次以上最新的录波数据。硬盘满时， 新数据自动覆盖老数据。 2 2 系统硬件设计方案 嵌入式故障录波器硬件大致可以分为数据采集调理模块和数据处理、存储( 主 板) 模块两个部分( 见图3 ) 。数据采集调理模块主要功能是将来自p t 、c t 的1 0 0 v 、 2 嵌入式故障录波器总体设计方案 5 1 a 的强信号转换成1 0 v 5 v ，5 m a 的小信号，供信号处理电路使用，再经过a d 模块将模拟信号转换成数字信号。主板是新一代故障录波器的核心，它负责数据 处理、启动判断、故障数据存储以及数据远传的主要功能，是本论文的主要工作， 在下面的章节中我们将主要介绍主板的软、硬件设计。 2 2 1 嵌入式硬件设计方案 嵌入式应用系统的设计包含硬件系统的设计和软件系统的设计两个部分，并 且这两部分的设计是互相关联、密不可分的，嵌入式应用系统的设计经常需要在 硬件和软件的设计之间进行权衡与折中。这也是嵌入式应用系统设计与其它的纯 粹的软件设计或硬件设计最大的区别。 首先对录波器的整体功能进行分析，大致可以分为两大模块：数据采集和调 理模块，数据处理存储模块。 图3 系统硬件结构框图 f i g 3t h e 亿d l n eo f t h es y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r o 第一部分，数据采集和调理模块，包括1 6 路模拟量信号和3 2 路开关量同步 采集，技术指标要求达到每通道1 9 8 k s ，a d 转换芯片选用m a x l 2 5 。1 6 路模拟 量送入到两片m a x l 2 5 进行模数转换，为了满足事故分析的需要，我们采用了 c p l d 设计硬件控制器完成同步数据采集。输出再经过7 4 l v t h l 6 2 2 4 5 电平转换 芯片将5 v 电平转换成3 3 v 后送入到$ 3 c 2 4 1 0 的数据总线上，供c p u 分析判断 是否启动录波。开关量经光电隔离后方可送入。 第二部分，数据处理存储模块，考虑到系统的速度与可靠性，选用了一片3 2 位嵌入式c p u ，选择三星公司的a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 ，它包含丰富的外设资源： 安徽理工大学硕士论文 1 0 1 0 0 m z 自适应以太网、s d r a m 控制器、1 2 c 接口等，能构满足系统各个方面 的要求。另外外接了6 4 m 的n a n df l a s h 芯片用来保存操作系统和应用程序；外 接6 4 m 的s d r a m 用来运行程序、作为数据缓冲等；外接硬盘作为大容量数据存 储器保存录波数据，需要设计接口电路，目前配置为4 0 g 。录波数据可以通过以 太网远传到调度中心供专业人员分析。 2 2 2 嵌入式a r m 处理器结构及选型 1 r i c s 体系结构 精简指令计算机r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构的产生是相对 于传统的复杂指令集计算机c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构而言的。 尽管在1 9 7 9 年美国加州伯克利分校的帕特逊等人即提出了这个名字，但不同的看 法使得目前尚未有对r i s c 的严格定义。比较普遍的认为是，r i s c 应该是一种计 算机的设计基本原则，它的出现标志着计算机体系结构发展上的一个重要里程碑。 传统的c i s c 计算机的指令随着计算机的发展而引入了各种各样的复杂指令， 然而，在c i s c 指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大概有2 0 9 6 的指令 会被反复使用，使用量约占整个程序代码的8 0 。而有8 0 的指令则很少使用， 其使用量约占整个程序的的2 0 。这就是所谓的2 0 - 8 0 定律。 r i s c 体系结构具有如下特点： 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单，指令小于1 0 0 条，基本寻址方 式有2 3 种。 使用单周期指令，指令字长度一致，单拍完成，便于流水线操作执行。 大量使用寄存器，寄存器不少于3 2 个。数据处理指令只对寄存器进行操作， 只有加载存储指令可以访问存储器。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为 r i s c 架构就可以取代c i s c 架构，事实上，r i s c 和c i s c 各有优势，而且界限并 不那么明显。现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性，如 超长指令集c p u 就是融合了r i s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发展方向之 一】。 2 a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位， 2 嵌入式故障录波器总体设计方案 目前只使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均有 一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包括 1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存 器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是 在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 3 a r m 微处理器的指令结构 ， a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r v i 指令集和 t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。 4 a r m 微处理器的应用选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展， a r m 微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r m 微处理器有多达 几十种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合， 给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以，对a r m 芯片做一些研究是十 分必要的。以下从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要 问题做一些简要的探讨。 ( 1 ) a r m 微处理器内核的选择 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不 同的应用领域，用户如果希望使用w i n d o w sc e 或标准l i n u x 等操作系统以减少 软件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t ，a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t ，a r m 9 4 6 t ，s t r o n g a r m 都带有m m u 功能。而m l m 7 t d m i 则没有m m u 不支持w i n d o w sc e 和标准 l i n u x 。但目前有u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c l i n u x 已经成功移植到多种不带m m u 的微处理器平 台上，并在稳定性和其它方面都有上佳表现。本文所讨论的$ 3 c 2 4 1 0 即为一款带 m m u 的a r m 微处理器，可在其上运行w i n d o w sc e 操作系统。 ( 2 ) 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系 列微处理器的典型处理速度为o 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为 2 0 m h z 1 3 3 m h z ，m l m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见的 安徽理工大学硕士论文 a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 2 3 3 m h z ，删1 0 最高可以达到7 0 0 m h z 。 不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时 钟控制器可以分别为a r m 核和u s b ，u a r t ，d s p ，音频等功能部件提供不同频 率的时钟。 ( 3 ) 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统 时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的 a r 9 1 f 4 0 1 g 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用这 种类型，以简化系统的设计。 ( 4 ) 片内外围电路的选择 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域， 扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如u s b 接 口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、s d r a m 控制器、r t c 、a d c 和d a c 、 d s p 协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需 的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。经过比较分析，本 文最后选择a r m 9 的s 3 c 2 4 1 0 作为本系统的微处理器。 2 3 嵌入式系统软件设计 为了减少软件开发的复杂程度，也为了充分利用3 2 位嵌入式处理器的强大功 能，在嵌入式系统开发中通常使用嵌入式操作系统。w i n d o w sc e 是微软开发的 一个全新的操作系统，拥有独立开发的内核，是一种模块化的、具有抢先式多任 务功能，并且具有强大通信能力的操作系统。w i n d o w sc e 提供多线程、多任务、 全优先的非实时嵌入式操作系统坏境，专门针对资源有限而设计的，这种模块化 设计使得它能够对从掌上电脑用户到专用的工业控制器用户的电子设备进行定 制。所以本文选择了w i n d o w sc e 操作系统1 。 2 4 系统开发环境 进行嵌入式系统开发时，必须针对特定的应用，设计出有针对性的软、硬件 环境。选取功能强大、性能优良的开发工具，对于加快开发进度是必不可少的。 下面将分别介绍系统开发中所用到的软、硬件开发工具。 2 嵌入式故障录波器总体设计方案 2 4 ia r m 开发环境 根据功能的不同，a r m 应用软件的开发工具分别有：编译软件、汇编软件、 连接软件、调试软件、嵌入式实时操作系统、函数库、评估板、j t a g 仿真器和 在线仿真器等。目前世界上有钧多家公司提供以上不同类型的产品。使用集成开 发环境开发基于a r m 的应用软件，包括编辑、编译、汇编、连接等工作全部在 p c 机上即可完成。调试上作则需要配合其它的模块和产品方可完成。目前常见的 调试方法有以下几种：指令集模拟器，驻留监控软件、j t a g 仿真器和在线仿真 器。本文采用的是j t a g 仿真器配合软件a r m 公司开发软件a d s 进行硬件、软 件的调试。 1 a r m a d s a r ma d s 的全称是a r md e v e l o p e rs u i t e 是a r m 公司推出的新一代a r m 集成开发工具，现在的版本是1 2 。它是一种快速而节省成本的完整软件开发解决 方案。 图4a x d 界面图5c o d e w a r r i o r i d e 界面 f i g 4a x di n t m - f a c e f i g 5c o d ew a r r i o ri d ei n t e r f a c e a r m a d s 起源于a r ms d t ，对a r ms d t 的一些模块进行了增强，并用了 c o d ew a r r i o ri d e 代替了s d t 的a p t ，用a x d 代替了a d w ，现代集成开发环境 的些基本特性( 如源文件编辑器语法高亮，窗口驻留等功能) 在a d s 中得以体 现，图4 和图5 分别为c o d e w a r r i o r i d e 界面和a x d 界面。 a d s 支持所有的a r m 系列处理器，有如下6 部分组成： ( 1 ) 代码生成工具由源程序编译、汇编和链接工具集组成。 ( 2 ) 集成开发环境c o d ew a r r i o ri d e 是一套很有名的集成开发环境，是一 个直观、易用的环境，并集成了所有的a r m 开发工具。c o d ew a r r i o ri d e 包含项 安徽理工大学硕士论文 日管理器、代码生成接口、语法敏感编辑器、源文件和类浏览器、源代码版本控 制系统接口以及文本搜索引擎等。 ( 3 ) 调试器a d s 包含a x d 等3 个调试器，a x d 除了包含以前a r m 调试 器的所有特性，还增加以下新的特性：新型的g u i ；改进的窗口管理；改进的数 据显示、格式和编辑；完成集成的命令接口；调试会话设置的驻留。 ( 4 ) 指令集模拟器用户使用指令集模拟器无须任何硬件即可在p c 机上完 成一部分调试工作。指令集模拟器对于基于内核处理器的a r m 和t h u m b 提供精 确的模拟。用户可以在硬件做好前开发基准测试代码。 ( 5 ) a r m 开发包由一些底层的例程和库组成，可以帮助用户快速开发基于 a r m 的应用和操作系统。具体包括系统启动代码、串行口驱动程序、时钟例程和 中断处理程序等。 ( 6 ) a r m 应用库a d s 的a r m 应用库完善加强了s d t 中的函数库，同时 还包括提供了一些相当有用的源代码的例程。 2 m u l t i i c e m u l t i i c e 是a r m 公司自己的j t a g 在线仿真器。m u l t i i c e 的j t a g 链时钟 可以设置为5 k h z 1 0 m h z ，j t a g 操作的一些简单逻辑由c p l d 实现，这样使得 并行口的通信量最小，以提高系统性能。 m u l t i i c e 2 2 z 支持删7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和i n t e rx s c a l e 处理器 系列。它通过t a p 控制器串连，提供多个a r m 处理器以及混合结构芯片的在片 调试。它还支持低频或变频设计以及超低压核的调试，并支持实时调试。 m u l t i i c e 的主要优点如下：快速的下载和单步速度；用户控制的输入输出 位；可编程的j t a g 位传送速率；开放的接口，允许调试非a r m 的核和d s p ； 网络连接到多个调试器；目标板供电或外接电源。 2 4 20 p l d 开发环境 使用a l t e r a 公司的开发平台q u a r t u $ i i 进行开发，界面友好，可以支持多种 设计输入手段。支持a l t e r a 全系列的器件开发，包括最新的低成本c p l d 器件 m a xi i 系列。课题开发中主要使用v h d l 语言文本格式输入，以及图形输入两 种方法，在生成好待编程程序后，就可以通过b y t e b l a s t e r ( m y ) 下载电缆将程序写 入c p l d 中，将其固化瞄1 。 2 嵌入式故障录波器总体设计方案 2 4 3 电路设计开发环境 p r o t e l9 9 s e 是由p r o t e l t e c h n o l o g y 公司开发的功能强大的电子电路设计软件， 是基于w i n d o w s 的纯3 2 位电路设计软件。它提供一个集成的设计环境，主要包 含三个部分，即原理图设计、印刷电路板设计和电路仿真。支持网络设计功能和 自动布局布线功能汹“2 ”。课题中的所有的原理图及p c b 图都是用p r o t e l9 9 s e 设 计。 2 5 小结 本章分析了录波器的原理、功能和技术要求，提出了一种新型的嵌入式故障 录波器的软硬件设计方案，选定各主要功能模块的核心芯片。并且介绍了系统开 发中使用到的各种开发环境。 安徽理工大学硕士论文 3 故障录波器启动判断及算法的研究 衡量电力