（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的多功能微机保护实验系统的信号发生装置研究.pdfVIP

董三2 1 1 墼耋塑墼堡垒堡芝耋矍垂竺墼篁兰茎兰兰兰窒垄 a b s t r a c t b y r e a s o no f t h ea c t u a l i t yt h a tm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e g r a t e d a u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g yh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e d ，a l o n gw i t ht h ef a c tt h a tr e l a yp r o t e c t i o n e x p e r i m e n t ss y s t e md e v i c e su s e di nt h ep o w e rs y s t e md e p a r t m e n t sa n de l e c t r i 咧e n g i n e e r i n g c o l l e g e s a r eu n w i e l d ya n do u t d a t e di nc h i n a , t h ei n n o v a t i v es t u d yi t e r a ，n a m e da s “m u l t i f u n c t i o n a lm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o na n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni n t e g r a t e d a u t o m a t i z a t i o n e x p e r i m e n t st r a i n i n gs y s t e m ”，h a s b e e nd e c l a r e d b ye l e c t r i c a l a n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n gc o l l e g e ，h u n a nu n i v e r s i t y , a n dg a i n e ds t a c k s t h es i g n a lg e n e r a t o r , w h i c hi st h em a i nb o d yo f t h i sp a p e r , i so n eo f i m p o r t a n tp a r t si nt h i si t e m t h es i g n a lg e n e r a t o ri sd e s i g n e ds p e c i a l l yf o rm u l t i f u n c t i o n a lm i c r o p r o c e s s o rr e l a y p r o t e c t i o na n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i z a t i o ne x p e r i m e n t st r a i n i n g s y s t e m u n d e rt h ec o n t r o lo fp c ，t h eo u t p u tc u r r e n ta n dv o l t a g es i g n a lo fi t si sf l e x i b l e t h a t m e e t st h es i g n a ld e m a n d so fr e l a yp r o t e c t i o ne x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r , t h es i g n a lg e n e r a t o r s s t r u c t u r e s ，p r i n c i p l e sa n df u n c t i o n sa r es t u d i e d i t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ea l s ob ed e s i g n e d o nt h eb a s eo ft h er e f e r e n c eo fag r e a td e a ld o c u m e n t sd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，i ti s s t u d i e dd e e p l yt h a tt h ep r i n c i p l e sa n df u n c t i o n so fe a c hh a r d w a r em o d u l e s as e to fp o w e r a m p l i f i c a t i o nc i r c u i t si n c l u d i n ga n dt h e i rp r o t e c t i v ec i r c u i t sd e s i g n sa r eb r o u g h tf o r w a r d ，t h e m e a s u r e st oa n t i - j a m m i n ga n dp r o t e c t i o n sf o rn t i s o p e r a t i o na r ea d d e di n ，a l lo fw h i c hc o u l d i m p r o v et h es i g n a lg e n e r a t o r ss t a b i l i t i e sa n dr e l i a b i l i t i e s i t i sa n a l y z e dt h a tt h ew h o l e s o f t w a r ed e s i g n sa n dm e t h o d so fs i g n a lg e n e r a t o r t h es o f t w a r ec o m p i l e db ym e a n so f m o d u l a r i z a t i o ni sc l e a ri ns 虹u c t i i r e ，a n di s e a s y t o d e b u g g i n g b e s i d e s ，a ne f f e c t i v e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e ns u p e r i o rp ca n ds u b - s i g n a lg e n e r a t o ri sd e s i g n e d ，w h i c h m a d et h es i g n a lg e n e r a t o r sf u n c t i o ni nt r a n s i e n ts i g n a lg e n e r a t i n gi n t or e a l i z a t i o n b yt h ew a y , i ti si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra b o u tt h es u p e r i o re x p e r i m e n t st r a i n i n gs y s t e ms o j , c w a r e o nt h eb a s eo fa c c o m p l i s h m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，as a m p l eh a sb e e n m a d ea n dt e s t e d t e s tr e s u l ts h o w st h a ts i g n a lg e n e r a t o r sp e r f o r m a n c e sc o m f o r tt h es t a n d a r d ， a n dm e e tt h ed e m a n do f e x p e r i m e n t st m a n i n gs y s t e m t h es i g n a lg e n e r a t o rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hr e s o l u t i o n , s m a l lb u c k ，l i g h tw e i g h t , a n dl o wc o s t ，a n di tc a nw o r ki nw i t ht h ee x p e r i m e n tt r a i n i n gs y s t e m , a c c o m p l i s hd e c a d e so f m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o ne x p e r i m e n t s a n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n i n t e g r a t e d a u t o m a t i z a t i o ne x p e r i m e n t su n d e rt h ec o n t r o lo fo n es u p e r i o rp c t i l ln o w , t h e r ei sn os u c h k i n d o f s y s t e mb ep u n i s h e d o ro o m eo u ti nc h i n a t h es y s t e mi si n n o v a t i v ea n da v a i l a b l e i i k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n ；d s p ；s i g n a lg e n e r a t o r ； p o w e ra m p l i f y i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不钮含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 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 法律后果由本人承担。 作者签名：锨f 嘶凡 日期：。n j 年月，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，同意 学校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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 礅m 冈市灰 日期：。一年广月，日 日期：咿年，月“日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 继电保护测试系统及变电站综合自动化技术概述 继电保护是电力系统重要组成部分，为电力系统的安全稳定运行发挥着极其重要的 作用。随着微机保护智能化研究工作的全面展开，微机保护的软件、算法取得了长足的 进展，可以说，从2 0 世纪9 0 年代开始，我国继电保护技术进入了微机保护时代。随着 计算机硬件、网络、通讯技术的发展，继电保护“计算机化、网络化，保护、控制、测 量、数据通讯一体化和人工智能化”成为国内外继电保护技术的发展趋势f l 】。 微机保护的迅速发展尤其是高度智能化、数字化的微机保护装置在电力系统的广泛 应用，使传统的测试手段很难担当得起对微机保护装置进行全面测试的重任，对继电保 护测试技术提出了更高的要求，并正在逐渐形成有别于一般电气测量的专门技术领域一 一继电保护测试技术 2 1 。国内外的科研单位、电力系统及其相关产品的生产厂家纷纷投 入大批的科研力量，相继研制出多种新型的继电保护测试装置，使得继电保护测试技术 经历了一个由模拟式测试系统向数字式测试系统发展的飞跃。采用计算机实现故障再 现、实时仿真、自动测试等先进技术的数字式继电保护测试装置已经成为电力系统的生 产、调试、运行以及科研等部门不可缺少的专用设备。 变电站综合自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继电保护、 自动装置河源动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电 子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和数、配电线路的自动 监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。 变电站实现综合自动化是传统变电站二次系统的重大变革。国外变电站综合自动化 系统的研究工作始于2 0 世纪7 0 年代，最早是用微机型远动装置代替布线逻辑型的远动 装置；同时变电站监控系统的功能在扩大，供电网的监控功能正以综合自动化为目标迅 速发展。在1 9 7 5 年，日本开始研究用于配电变电站的数字控制系统( 称为s d c s 1 ) ， 1 9 8 0 年开始商品化。8 0 年代以后，研究变电站综合自动化系统的国家和大公司越来越 多，如较大规模的德国西门子公司研制生产的l s a 6 7 8 系列：a b b 公司的s c s l 0 0 、 s c s 2 0 0 变电站综合自动化系统。 我国变电站综合自动化的研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，1 9 8 7 年，清华大学电机工 程系研制成功地一套符合国情的变电站综合自动化系统，在山东威海望岛变电站成功地 投入运行。8 0 年代后期，投入变电站综合自动化研究的高等院校、研究单位和产品如雨 后春笋般蓬勃发展。规模较大的有南瑞公司、四方公司等。近几年来，研究变电站综合 自动化进入了高潮，其功能和性能也不断完善。变电站综合自动化将成为今后新建变电 基于d s p 的多功能微机保护实验系统的信号发生装置研究 站的主导技术【3 】。 1 2 本课题来源及其意义 1 2 1 课题的来源 电力系统的发展，特别是超高压电网和大容量机组的出现，对继电保护和自动装置 提出了更高的要求；电工理论和元件制造技术的进步，特别是微电子学和计算机技术的 新成就在继电保护和自动装置中的实际应用，为继电保护和自动装置的技术夏新、适应 要求提供了必要的条件。因此，在继电保护方面目前除有触点的机电型继电保护仍被继 续使用外，集成电路保护、微机保护j 下处以方兴未艾阶段。自进入9 0 年代以来，集成 电路继电保护装置已代替了晶体管型继电保护装置，成为静态型继电保护装置的主要形 式；数字型微机继电保护装置已经在我国得到大量的应用，成为继电保护装置的重要形 式。现在我国无论是输电线路的保护还是电力主设备保护都有一系列成套使用的微机保 护装置，新建的变电站也均采用了以微机保护为核心的变电站综合自动化设备与技术。 与电力自动化技术日益蓬勃发展、广泛应用的现状极为不相称的是，国内大部分开设 了电力系统或电气工程专业的高校继电保护实验室的配置相当落后，只能进行一些功能 简单的电磁型或整流型继电保护实验，更不用说变电站综合自动化实验了。目前国内现 有的微机保护实验和培训装置种类很少、功能单一，体积庞大，要配齐所有的保护功能 需要昂贵的投资，并占据大量空间。 为了适应微机继电保护教学实验的特点，湖南大学电气与信息工程学院于2 0 0 1 年2 月向湖南大学和省电力公司申报“湖南大学教学仪器设备开发改造”项目，2 0 0 1 年4 月获得批准立项。“多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训装置”项目由此而来。 根据教学要求，该装置能实现常规保护继电器特性测试实验、多种微机继电器特性测试 实验、1 0 k v 、3 5 k v 及1 1 0 k v 微机线路保护实验和多种电力设备保护实验。所有实验 信号由自带的信号发生装置提供，可根据现场实际，灵活输出各种电流、电压信号，满 足实验装置的信号需要。 本选题，即基于d s p 的信号发生装置的研究，是“多功能微机保护与变电站综合 自动化实验培训装置”的子课题，是在研制成功“t q w x - i 微机型继电保护测试仪”的 基础上开发研制的。 功能上，信号发生装置由上位机和下位机两大部分组成：上位机软件，起控制作用， 用于人机交互，用户通过它对信号发生装置进行操作，各种实验的指令、算法及数据都 要先由它生成后再发送到装置的下位机部分的，装置的反馈信息也要由它直观的反映给 用户。下位机，具执行功能，负责接收上位机发出的指令，解析指令并按照指令要求发 出符合要求的电压电流及开关动作，并将数据反馈给上位机。这两部分之间通过串行口 ( 根据不同的条件可选择r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ) 进行通讯。从设计的角度分类，信号发生装 硕士学位论文 置的设计包括以下三个部分：下位机硬件设计，下位机程序设计，上位机软件设计。 基于d s p 的信号发生装置针对实验培训装置的专门需要提供了更强大、更灵活的 信号输出手段。区别于前身的测试仪及以往的各种继电保护测试产品，基于d s p 的信 号发生装置具有以下优点： ( 1 ) 采用了先进的d s p 技术为控制和处理的核心，较大程度的提高了信号发生装置 的运行效率； ( 2 ) 改善了整体工艺，从而降低了电磁干扰对信号的影响，空间分布更合理，体积 更小，重量更轻； ( 3 ) 优化了电流、电压放大模拟电路，使得输出的电流、电压精度更高，稳定性和 对称性更好； ( 4 ) 软件方面增加了新的指令集，满足了实验培训装置的特别需要，能够进行更复 杂的综合暂态实验；完善了人机交互界面，操作更简单，使用更方便。 1 2 2 本研究的意义 长期以来高校继电保护实验通常是采用移相器、自藕调压器、升流器和滑杆电阻等 调整三项电压和三相电流的幅值和相位，以调试各种继电保护和自动装置。这个过程需 要较精密的电压表、电流表、相位表、频率计和毫秒计等进行测试才能完成。这种方法 不但所用设备多，而且接线复杂，易接错线，劳动强度大，调试时间长。而电力系统己 广泛采用继电保护测试仪对各种继电保护装置的特性进行测试。 基于d s p 的信号发生装置的研究是在深入研究国内外微机型继电保护测试装置的 基础上，结合微机型继电保护测试装置的发展趋势和“多功能微机保护与变电站综合自 动化实验培训装置”的特点，参考了1 9 9 7 年制定的国家标准继电保护微机型试验装 置技术条件d l 厂r 6 2 4 1 9 9 7 所有规程研制而成，与国内现有的主流微机型保护测试装 置相比较，本装置采用了先进的d s p 技术，大大提高了测试精度，尤其是与“多功能 微机保护实验装置”相结合，构成了一套完整的“多功能微机保护与变电站综合自动化 实验培训装置”系统，能够根据实验需要灵活配置，完成大部分微机保护实验和变电站 综合自动化实验，是国内首创的高科技成果。 目前，国内尚无将继电保护实验装雹与信号发生装置整合的系统。因此，该项目具 有一定创新性和实用性。它体积小、重量轻、造价低、精度高，非常适合在设有电气工 程专业的大中专院校和电力系统继电保护装置现场定期年检推广使用。 1 3 本文所做的工作 ( 1 ) 简述了继电保护测试系统及变电站综合自动化技术的发展历程，以及多功能微机 保护与变电站综合自动化实验培训系统的结构特点。 ( 2 ) 设计了基于d s p 的信号发生装置的硬件。详细介绍了信号发生装置的各个硬件 基于d s p 的多功能微机保护实验系统的信号发生装置研究 模块的原理和功能。 ( 3 ) 设计了信号发生装置的下位机软件，定义了上、下位机之间的通讯协议。并给 出了例程。 ( 4 ) 结合笔者在设计和调试过程中遇到的问题，针对信号发生装置的性能优化及抗 干扰问题做了一些探讨，并对其中较关键的部分提出了自己的解决方案。 ( 5 ) 制作出了样机。参照国家标准，对微机保护测试系统进行了性能测试。测试结 果满足标准要求。 j 第2 章实验培训系统及信号发生装置的结构及特点 2 1 实验培训系统的特点 多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训系统可实现常规保护继电器特性测 试实验、多种微机继电器特性测试实验、1 1 0 k v 及以下微机线路保护实验和多种电力设 备保护实验。所有实验信号由信号发生装置提供，可根据现场实际，灵活输出各种电流、 电压信号。实验者还可以借助系统特有的组态软件组建任意结构的变电站进行综合自动 化实验l ”。 多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训系统实现了将多种微机保护功能集 于一套实验系统中，实验者可任意选择软件模块构建微机保护实验项目，还可同时进行 保护原理的学习，具有良好的启迪性。 实验过程符合电力系统中的现场实际，操作性强，使用灵活方便。通过在线下载不 同的保护软件程序可进行微机电流保护、电压保护、零序电流保护、距离保护、短线路 差动保护、变压器保护、发电机纵差动保护、低周减载和自动重合闸等实验。多套系统 还可通过r s 4 8 5 通讯网络对任意结构的变电站或配电所进行变电站综合自动化系统实 验。 2 2 系统的结构 2 2 1 单套系统的结构 一套多功能徽机保护及变电站综合自动化实骑培训装置主要包括以下几部分： ( 1 ) 信号发生装置：作为多功能微机保护实验装置的信号源，采用d s p 作为控制运 算核心，可产生0 1 0 0 v 的四路可调交直流电压输出、0 3 0 a 的四路可调交流电流信号， 并能接收开入信号和发送开出信号。 ( 2 ) 多功能微机保护实验装置：该装置是实现保护功能的主体，其内部采用双c p u 结构，硬件、软件采用模块化设计。装置包括出口操作【旦路、驱动保护出口。 ( 3 ) 上位p c 机：多功能微机保护实验装置与上位p c 机可直接通过r s 2 3 2 总线通讯。 另外，实验装置与上位机之间也可借助通讯卡进行r s 4 8 5 总线通讯。 另外，实验装置与上位机之间也可借助通讯卡进行r s 4 8 5 总线通讯。 硕士学位论文 第2 章实验培训系统及信号发生装置的结构及特点 2 1 实验培训系统的特点 多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训系统可实现常规保护继电器特性测 试实验、多种微机继电器特性测试实验、1 1 0 k v 及以下微机线路保护实验和多种电力设 备保护实验。所有实验信号由信号发生装置提供，可根据现场实际，灵活输出各种电流、 电压信号。实验者还可以借助系统特有的组态软件组建任意结构的变电站进行综合自动 化实验 5 】。 多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训系统实现了将多种微机保护功能集 于一套实验系统中，实验者可任意选择软件模块构建微机保护实验项目，还可同时进行 保护原理的学习，具有良好的启迪性。 实验过程符合电力系统中的现场实际，操作性强，使用灵活方便。通过在线下载不 同的保护软件程序可进行微机电流保护、电压保护、零序电流保护、距离保护、短线路 差动保护、变压器保护、发电机纵差动保护、低周减载和自动重合闸等实验。多套系统 还可通过r s 4 8 5 通讯网络对任意结构的变电站或配电所进行变电站综合自动化系统实 验。 2 2 系统的结构 2 2 1 单套系统的结构 一套多功能微机保护及变电站综合自动化实验培训装置主要包括以下几部分： ( 1 ) 信号发生装置：作为多功能微机保护实验装置的信号源，采用d s p 作为控制运 算核心，可产生0 - - - 1 0 0 v 的四路可调交直流电压输出、0 3 0 a 的四路可调交流电流信号， 并能接收开入信号和发送开出信号。 ( 2 ) 多功能微机保护实验装置：该装置是实现保护功能的主体，其内部采用双c p u 结构，硬件、软件采用模块化设计。装置包括出口操作回路、驱动保护出口。 ( 3 ) 上位p c 机：多功能微机保护实验装置与上位p c 机可直接通过r s 2 3 2 总线通讯。 另外，实验装置与上位机之间也可借助通讯卡进行r s 4 8 5 总线通讯。 兰圭呈垩塑耋塑堡丝! ! 堡篓兰兰童堡墼童主垄兰茎兰些耋 ( 4 ) 多个常规保护继电器：该系统包含常规电流继电器、电压继电器、功率方向继 电器、阻抗继电器和差动继电器等实验功能。搭配信号发生装置可进行多种常规保护功 能实验。 单套装置结构见图2 1 ： 图2 1 单套装置构成 2 2 2 多套系统构成 通过把各套系统中的多功能微机保护实验装置用双绞线或屏蔽电缆组成r s 4 8 5 或 c a n 总线网，并把系统中的p c 机联成局域网，可构建变电站综合自动化实验。变电站 综合自动化系统构成如图2 2 所示。 图2 2 变电站综合自动化系统构成 实验时，利用上位机组态软件可任意构建1 1 0 k v 及以下电压等级变电站的主接线 图，把各种多功能微机保护实验装置用保护软件模块设置成变电站中各级设备的微机保 一 一 蠹融 一 黼 一 雌 一桷； 阱m 糊一黼gj0棚粥 蘩添一 硕士学位论文 护装置，实验中模拟变电站正常运行时，可观察各装置的运行情况：模拟变电站线路或 设备故障时，由上位机通过局域网控制各数字式信号发生器模拟整个系统的短路电流、 电压参数变化，继而观察和分析各保护实验装置的动作情况。 2 _ 3 信号发生装置的结构原理及功能特点 本文主要的研究对象即是实验培训系统中的信号发生装置。作为多功能微机保护实 验装置的信号源，它在整个系统中占有重要地位。 2 3 1 信号发生装置的结构原理 从功能结构上看，信号发生装置主要由由人机接口单元、信号控制及处理单元 d a 转换单元、功率放大单元、开关量输入输出单元五个部分组成： ( 1 ) 人机接口单元由上位机( p c 机) 软件构成，负责试验参数的设置和仿真数据的 发送： ( 2 ) 信号控制及处理单元主要由d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 0 6 及其外围电路组成，主要负 责波形数据的产生、实时信号的控制； d ) d a 转换单元将d s p 产生的数字波形信号转换为模拟信号； ( 4 ) 功率放大单元包括电流功率放大和电压功率放大部分，分别将d a 转换后的模 拟信号进一步放大，以得到继电保护所需要的各种电压、电流等信号； ( 5 ) 开关量输入输出单元主要完成从微机信号发生装置到继电保护装置的闭环控制 和实时监测，通过开关量输入输出单元实现对保护装置反馈信号的统一管理，使硬件设 计使硬件设计清晰、明了、模块化。； 信号发生装置的设计原理是用人机对话方式设定试验参数，以微处理器为主体，由 它演算出数字波形，通过d a 转换产生电压、电流的模拟信号，然后经电压功率放大和 电流功率放大对信号进行放大，得到继电保护实验中所需要的电压和电流激励。实验结 果可存盘并可打印，不需外接表计，接线简单，操作方便。 2 3 2 信号发生装置的功能 基于d s p 的信号发生装置可实现的功能有： 1 信号发生功能 能根据继电保护实验需要正确产生所需要的各种电压、电流、相位、频率等信号。 2 测试功能 通过变化步长、时间以及方式的设置，对各种交直流继电器进行手动和程控测试： 输出电压、电流的频率可调，对频率继电器和低周减载装置进行定值测试和d f d t 测试； 3 试验功能 基于d s p 的多功能微机保护实验系统的信号发生装置研究 能自动搜索各种原理继电器的定值、动作时间及动作特性曲线；能正确模拟电力系 统各种类型的瞬时、永久以及转换性故障；可模拟负荷电流从空载到满载的随意设置。 通过功率角的设置，可模拟因负荷电流而引起的附加阻抗对送电侧或受电侧保护装置的 影响；谐波叠加功能，最大能叠加2 0 次谐波。 2 3 3 信号发生装置的特点 基于d s p 的信号发生装置在硬件设计上采用了许多较先进的技术和工艺，在软件 设计上使用了成熟的算法和原理，使系统的整体性能处于较高的水平。总结起来，其主 要特点如下： ( 1 ) 可完成各种线路微机保护、主设备的综合试验、安全自动装置试验以及变电站 综合自动化等多种试验。培训系统集成度高，结构简单、占地面积小、投资小；由微机 信号发生装置提供测试所需要的信号，省去了多台笨重的一次设备。 ( 2 ) 应用面广，即可作为设有电气工程专业大中专院校的实验测试设备，又可用于 变电站综合自动化系统培训，还可单独作为现场继电保护测试的专用设备。 ( 3 ) 软硬件均采用模块化设计，结构清晰，维护方便。 ( 4 ) 采用美国t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 0 6 做为控制核心。d s p 芯片具有强大 的指令集合、高度的灵活性、快速的数字处理能力以及全新的内部结构，大大提高了测试 装置的性能，提高波形的仿真精度。 ( 5 ) 操作简单方便，通过上位机发命令，下位机执行，只需点击鼠标即可完成。 ( 6 ) 上位机有友好的人机操作界面和试验软件，功能非常强大。 ( 7 ) 采用多种抗干扰技术，整个系统抗干扰能力强，运行稳定、可靠。 第3 章信号发生装置硬件设计 信号发生装置的硬件主要由起控制作用的数字电路和用于发生信号的模拟电路组 成。这两部分通过d a 转换及一些开关量构成联系。下面将对信号发生装置硬件的各个 组成部分分别进行介绍。 3 1 整体概述 信号发生装置硬件整体结构图如图3 1 所示： 以d s p 1 m s 3 2 0 f 2 0 6 为核心的微处 理器控制模块 淼燃障 转换芯片为 a d 6 6 9 的d a 转换及滤波模 块 串行口 ( r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ) 电流放大模块l 一电流输出 电压放大模块卜一电压输出 图3 1 信号发生装置硬件结构图 按模块结构区分，整体硬件结构主要由六部分组成： ( 1 ) 以d s p 为核心的控制与处理模块； ( 2 ) d a 转换及滤波模块； ( 3 ) 电压放大模块； ( 4 ) 电流放大模块； ( 5 ) 开入开出模块； ( 6 ) 电源模块( 图中未标识) 。 基于d s p 的多功能微机保护实验系统的信号发生装置研究 3 2 控制与处理模块 如图3 2 所示，框中包括的部分就是控制与处理模块f 6 l ： 图3 2 信号发生装置控制与处理模块 控制和处理模块在整个信号发生装置中占据核心地位，主要负责与上位机的通讯， 解析执行上位机发送的命令流，收发开入开出量，及提供波形信号给放大电路等。该模 块以一块d s p 芯片及其外围电路构成。d s p 芯片采用的是美国t i 公司出品的1 6 位定 点芯片t m s 3 2 0 f 2 0 6 。 3 2 11 m s 3 2 0 f 2 0 6 介绍 3 - 2 1 1d s p 简介及其发展历程 d s p 芯片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进 行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法 【7 o f 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法： ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； f 3 1 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； f 4 1 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的终端处理和硬件i o 支持： f 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器： 硕士学位论文 ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国 i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。1 9 8 0 年，日本 n e c 公司推出的l lp d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产品。t i 将常用的d s p 归纳为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括 t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m $ 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x ) 。如今，1 1 公司的一系列d s p 产品已经成为当今世界 上最有影响的d s p 芯片。 3 - 2 ，1 2d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片， 才能进一步设计起外围电路及系统的其它电路。总的来说，d s p 芯片的选择应根据实际 的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场合、应用目的等不尽相同， 对d s p 芯片的选择也是不同的。需要从芯片的运行速度、价格、硬件资源、运算精度、 开发工具、功耗、封装等方面综合考虑。 t m s 3 2 0 c 2 x x 是美国t i 公司出品的t m s 3 2 0 系列数字信号处理器中的一种定点 d s p ，t m s 3 2 0 c 2 x x 最高速度可达4 0 m h z 。t m s 3 2 0 f 2 0 6 是c 2 x x 系列d s p 中惟一具有 片内f l a s h 存储器的d s p ，除了片内r o m 以外，c 2 x x 固有的片内其它资源它都具备 1 8 。t m s 3 2 0 f 2 0 6 主要特性包括： ( 1 ) 运算速度快，处理能力强。单周期指令执行时间为5 0 3 5 2 5 n s ，运算能力为 2 0 2 8 5 “o m i p s 。 c 2 ) 兼容性好。其源代码向下兼容t m s 3 2 0 c l x 和t m s 3 2 0 c 2 x 系列所有品种，与 i m s 3 2 0 c 5 x 产品向上兼容。 ( 3 ) 丰富的存储器。t m s 3 2 0 f 2 0 6 片内具有3 2 k 字节的f l a s h 。利用此闪烁存储器 存储程序，不仅减小了体积，而且系统的升级也比较方便；可寻址的存储器空间为2 2 4 k 字( 程序空间6 4 k 字，数据空间6 4 k 字，i o 空间6 4 k 字，还有3 2 k 字的全局存储空间) ； 片内还具有双访问的5 4 4 字r a m ( 2 8 8 字用于数据，另外2 5 6 宇可用于程序数据1 和4 5 k 的片内单访问r a m 。 ( 4 ) 合理的c p u 结构。c p u 具有3 2 位的算术逻辑单元( c a l u ) ，3 2 位累加器、1 6 位1 6 位的并行乘法器( 乘积为3 2 位) 、3 个比例移位器和8 个可对数据区迸行间接寻址 的1 6 位辅助寄存器。 ( 5 ) 程序控制采用4 级流水线操作，8 级硬件堆栈。 ( 6 ) f 2 0 6 具有1 个同步串行口s s p 、1 个异步串行口a s p 、1 个软件可编程定时器 暴于d s p 的多功能微机保护实验系统的信号发生装置研究 以及大量中断资源和独特的j t a g 接口等、由于与目标系统之问采用了j t a g 逻辑扫描 电路接口( 基于i e e e l l 4 9 ，l 标准) ，在仿真时不占用硬件资源，且随时可终止仿真察看 c p u 内部及外设的工作情况，使得程序的调试和查错十分方便。通过j t a g 接口可向片 内f l a s h 串行下载程序，无需专门的编程器，进一步减少了开发成本，便于开发设计 和产品的软件升级。 ( 7 ) 功耗低。在5 v 工作是每个m i p s 消耗1 9 m a ，在3 v 工作是每个m i p s 消耗 1 1 m a 。 ( 8 ) 在本信号发生装置中，由于更侧重于考虑到工作电压单一性的方便、及在较恶 劣环境下的运行稳定性这些方面，模块选用了t i 公司c 2 0 0 0 系列中的f 2 0 6 芯片作为装， 置的核心控制芯片。 图3 3 为t m s 3 2 0 f 2 0 6 的存储空问映射表。 i r o n z 2 h 1 雠 f 1 趔 ( m p m c = 书 ( u p , m c = 自 o n c l e k f h ，h 胂p 瑚c = m _ c = t i o n - c h t c 鞘r “ i p o n - 俨b # = o i o 日c 豳 l c n f 一 社 i 轴h a p p e d 对 * ”f f m c f = 甜 0 n c f c h f = ” h o i p 删时 柚饪扣捌鞋f n l c - 萍= e h _ n q _ ”d r e 口_ m n a n d 翻- c h 妇 o n - c h 却, 掘h f = o 汴 b o h q ，p a t 2 0 $ - 啦佯h 挥f t l m _ c h ( c n f ? m “o m a p p e d a t 辨，0 4 4 ，f f 埘 l c 旷= 1 i d n k p a k o m a p p e d 矗 m 0 0 甜f f 吣 o n - c t e p n r m b i t o i l a p p e c l m 租4 _ o 非陆i o n - _ 。h i p s r # o n = ” i h - o ) s “呻 o n c h 培岍 p b h e q i i k g b 黧篙端f 詈怒勰麓翟端裟；勰粼一衅唧蛔l 一一岫 m d d 啊9 酐d g _ 5 e e 牺q 砷目# ；p h mh m 女”州捌d 自 图3 3t m s 3 2 0 f 2 0 6 存储空间映射表 硕士学位论文 从图中可知，f 2 0 6 可寻址的存储器空间为2 2 4 k ，其中程序空间6 4 k ，数据空间6 4 k ， i o 空间6 4 k ，另外还有3 2 k 的全局空间【9 j 。单位均为字( w o r d ) 。 通过设置f 2 0 6 的m p m c 引脚电平，可决定f 2 0 6 的工作模式： ( 1 ) m p m c 为高电平，器件工作在微处理器模式( 从外部存储器读取复位向量) ； ( 2 ) m p m c 为低电平，器件工作在微计算机模式( 从内部存储器读取复位向量) 。 3 2 1 3 时钟电路设计 c p u 主时钟输出信号( c l l ( o u t l ) 的脉冲高电平表示器件的逻辑相位：在此期间数 据发生变化：低电平锁存相位：在此期间数据被锁存。c l k o u t i 的信号决定了器件的 运行速度。 用片内时钟发生器可以控制c u u t l 的速率。时钟发生器通过对时钟源信号 c l k i n 进行分频或倍频，产生内部c p u 时钟信号c l k o u t l 。时钟发生器由两个部件 构成：振荡器和锁相环( p l l ) 电路。在外部连接晶振的内部振荡器产生c l k i n 信号和若 干倍( 0 5 ，1 ，2 或4 倍) 于c l k i n 的c l k o u t i 信号。由p l l 电路实现倍频，并使c l k o i j t l 与c l k i n 信号锁相。c l k i n 信号可以用内部振荡器产生，也可以由外部时钟源提供。 1 内部振荡器 外部晶振分别连接到引脚c l 砌n 2 和x 1 ， 晶振可以工作在基频，也可以工作在谐频，应该工 作在并联谐振状态，等效阻抗为3 0o ，耗散功率为 l m w ，负载电容为2 0 p f 。如图3 4 所示为使用基频 晶振的电路图。如果采用谐频晶体，则需要外加l c 晶振网络。 采用内部振荡器，c l k o u t l 的频率为晶振频 率的一半。例如，4 0 m h z 晶振给出的c l k o u t l 频率为2 0 m h z ，计算能力为2 0 m i p s 。 2 外部振荡器 如果采用外部振荡器，则其输出应接到 c l k i n x 2 引脚，引脚x 1 悬空，如图3 5 所示。 t m s 3 2 0 f 2 0 6 有四种时钟模式：除2 ( 2 ) 、乘1 ( x1 ) 、乘2 ( x 2 ) 、乘4 ( x 4 ) 模式。 除2 模式为c p u 输入时钟速率的1 2 ，即 c l k o u t l = c l k i n 2 ：其它模式的c p u 分 别工作在输入时钟的1 倍、2 倍和4 倍，且 输出相位锁定在输入时钟相位上。通过改变 x l l。， 卜工 f 2 0 6 c l k i n x 2 图3 4 内部振荡器接线方式 悬空_ x 1 f 2 0 6 l c l k i n x 2 j 图3 5 外部振荡器接线方式 基于d s p 的多功能微机保护实验系统的信号发生装置研究 d i v l 和d i v 2 引脚的电平，便可设置时钟模式。 表3 1 列出了所产生的c p u 时钟速率与d i v l 、d i v 2 、外部c l k 矾输入、内部振 荡器、内部锁相环( p l l ) 电路的关系： 表3 1t m s 3 2 0 f 2 0 6 的输入时钟模式 时钟外部内部振内部 模式 c l k o u t l 的速率 d i v 2d l c l k i n 输入荡器 p l l 否使能禁止 2c l k o u t i = c l k i