（电力系统及其自动化专业论文）基于usb+host车载继电保护状态大容量存储系统的设计.pdf

西华大学硕+ 学位论文 求，对该系统显示模块进行优化设计。最后分别对u s b 事务建立、主 机与设备底层驱动、控制传输、m a s ss t o r a g e 类协议和u 盘文件系统进 行程序设计，实现u s bh o s t 存储。 ( 4 ) 完成对该系统的调试与现场测试。分别从u s b 存储、抗干扰、 极限温度环境这三个方面测试，使其能达到系统所必须的特殊要求。 测试结果表明系统运行情况良好，在各种干扰条件下以及极端的温度 环境下，系统功能基本不受影响，偶尔的扰动在可接受的范围之内。 继电保护功能得以实现，使技术人员维修飞机空调车时间缩短为以前 的6 0 左右，大大缓解了由于设备台数的增加而给航空公司经费开支 带来的压力。 本文提出的继电保护大容量存储系统设计方案，对航空公司节约 开支、技术人员能迅速维修飞机空调车是有很大帮助的，具有实用和 推广的价值。 关键词：继电保护，u s bh o s t ，s l 8 11 h s ，m s p 4 3 0 f 1 4 9 i i 西华大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a s ss t o r a g es y s t e mo fr e l a yp r o t e c t i o no n v e h i c l eb a s e do nu s bh o s t p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t io n c a n d i d a t e ：t o n g j i el i us u p e r v i s o r ：b i nh u i nt h ef i e l do fa e r or e f r i g e r a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m ss u c ha s b a dr e s i s t a n tt e m p e r a t u r e 、w e a ka n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e 、l o n g m a i n t e n a n c et i m e 、l o wp e r f o r m a n c et op r i c er a t i oi nh u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ( h m i ) o fa i r c o n d i t i o nu n i tf o ra i r c r a f t ，a sw e l la st h eh i g h r e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m ed a t ac o l l e c t i o na n dd a t as a v e ，i nt h i sp a p e r ， m a s s s t o r a g es y s t e m o f r e l a yp r o t e c t i o n i s d e s i g n e di n t h em i l i t a r y e n v i r o n m e n t m c u ( m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t ) m s p 4 30i su s e da s t h em a i nc o n t r o l l e ro ft h es y s t e m ；l c dw i t ht 6 9 6 3 cc o n t r o l l e ri n t e g r a t e d i ni su s e da st h ed i s p l a ym o d u l e p p ip r o t o c o li nr s 4 8 5i su s e da st h e c o m m u n i c a t i o nt ot h i ss y s t e ma n ds i e m e n ss 7 2 0 0 s l 81 1h si su s e da s t h eu s bc o n t r o l l e r ，j t a gi n t e r f a c ei sa d d e df o r s y s t e md e b u g p r o t e l l a y o u ts o f t w a r ei su s e d i nt h i sw a y ，t h es y s t e mh a r d w a r ei sc a r r i e do u t ( 1 ) a n a l y s i ss e v e r a lr e l a yp r o t e c t i o no fa i r - c o n d i t i o nu n i tf o ra i r c r a f t a th o m ea n da b r o a d ，c o m p a r i n gt h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e ，a n d c o m b i n ew i t ht h ee n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t sa ta i r p o r t ，t h ed e s i g no f r e l a yp r o t e c t i o nm a s ss t o r a g ei sp r o m p t e d ( 2 ) t h ep r i n c i p l eo fr e l a yp r o t e c t i o nm a s ss t o r a g eb a s e do nu s bh o s t i sr e s e a r c h e d a n dc o m b i n e dw i t ht h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sa b o u tw i d e i i i - 西华大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r e 一4 0 t o12 0 ca n ds t r o n ga n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ， d e s i g n i n gt h es c h e m a t i c t h er e l i a b i l i t yo ft h em i l i t a r ye n v i r o n m e n ti s d e s i g n e d ，a n dm a k et h e mm e e te s s e n t i a lc o n d i t i o nt h es y s t e mn e e d e df r o m s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ( 3 ) t h es o f t w a r ei sd e s i g n e d ，f i r s t l yt h ed a t a i si n t e r c e p t e d ，w h i c h s i e m e n ss 7 - 2 0 0s e n d st os e r i a lp o r to fp c ，a n da n a l o g sp r o f i b u ss t a n d a r d ， s o m ek e yf r a m ef o r m a to fp p ip r o t o c o li sr e a c h e d ，f a c i l i t a t i n gt h ec o m m u n i c a t i o np l ct ot h es y s t e m a n dt h e n ，c o n s i d e rt h er e q u i r e m e n t ss u c ha s h i s t o r i c a ld a t as h o w e d ，a n t i c o n t r o lp l ca n dt h ed a t ai st r a n s f e ：r r e dt o u s bw h e nt h ed a t at e m p o r a r yd e p o s i ti sf u l l ，t h ed i s p l a ym o d u l eo fs y s t e m i sd e s i g n e do p t i m i z e l y f i n a l l y ，d e s i g nt h ep r o g r a m a b o u tt h e s ea s p e c t s ： u s bs e r v i c ee s t a b l i s h e du s bd r i v eo fb o t t o mb a s e do nh o s t d e v i c e ， c o n t r o lt r a n s m i s s i o n ，m a s ss t o r a g ec l a s sp r o t o c o la n dud i s kf i l es y s t e m a n ds oo n ，a c h i e v i n gt h eu s bh o s ts t o r a g e ( 4 ) c o m p l e t et e s t o ns y s t e ma n df i e l d b a s e do nu s bs t o r a g e ，a n t i - i n t e r f e r e n c ea n dt h el i m i t e dt e m p e r a t u r e ，i te n a b l e st h e mt om e e tt h e s p e c i a lr e q u i r e m e n t s t h er e s u l t s h o w st h a tt h es y s t e mr u n sw e l l ，t h e f u n c t i o n sa r en o ta f f e c t e du n d e rv a r yi n t e r f e r e n c ea n d e x t r e m et e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t ，t h eb a s i cs y s t e mf u n c t i o n sa r en o ta f f e c t e d ，t h eo c c a s i o n a l d i s t u r b a n c e t h ef u n c t i o no fr e l a yp r o t e c t i o nc o m e st r u e ，a n dm a k e st h e t i m es h o r tt o6 0 ，w h i c ht e c h n i c i a nm a i n t e m c e se q u i p m e n t s ，r e d u c i n gt h e p r e s s u r et h a tm a s se x p e n s e sb r i n g st h ea i r l i n ec o m p a n y b e c a u s eo ft h e i n c r e a s i n ge q u i p m e n t s 。 i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no f f e r sm u c hh e l p st ot h ea i r l i n ec o m p a n y a b o u ts a v i n ge x p e n s e sa n dt e c h n i c i a nm a i n t e n c e sa i r - c o n d i t i o nu n i tf o r a i r c r a f tq u i c k l y k e y w o r d s ：r e l a yp r o t e c t i o n ，u s bh o s t ，s l 8 11h s ，m s p 4 3 0 f14 9 i v 西华火学硕士学位论文 论文内容独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在指导教师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。除了本文特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 华大学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己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得 的，论文成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：铡i 习农i 唧年r 月乡七日 刷醛辄舌帜呻年歹月岁 7 6 强华大学硕士学位论文 西华大学 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，西华大学可以将 本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、缩印或扫描等复印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 、不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 繁带掣触搿鬻 西华大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 国内外现状和发展趋势 随着我国航空武器装备的发展，飞机地面保障技术已成为部队战 斗力的重要组成部分，成为影响航空武器装备全寿命期费用的重要因 素 1 1 。飞机空调车是种用于飞机着陆后或起飞前的机舱温度调节的机 场地面保障设备，是可移动式独立运行全新风空调机组1 2 1 。 当今国外生产飞机空调车的公司主要有美国的a i r a p l a n e 、 a c c e s s o r yc o n t r o l s 、e q u i p m e n tc o r p ( a c e ) 和澳大利亚的 a a i 公司等，其中前两家公司的产品已占空凋车市场8 0 的份额，其 产品由于由继电器逻辑控制，采用仪表显示，因此其以可靠性高、结 构简单、易操作等特点而具有很高的知名度，进而其继电保护状态就 以开关的开断为标志以确定是否处于保护状态。而国内的很多公司大 多采用p l c 和触摸屏进行控制与显示，对于此种方式的继电保护状态 由触摸屏进行实时显示，无大容量存储功能，不利于历史数据分析， 而且也不能适应一4 0 到1 2 0 ，电磁干扰强这样的工作环境。因此针 对目前这一系列的状况，尤其是在提高飞机空调车的工作稳定性及其 维修时间上，现在国内外很多厂商纷纷有不同的研究和看法，然而据 当今的科技发展状况，由于空调车可移动性强及其应用数量少，应用 g p r s 进行数据采集，无论从研发费用还是后期的维护经费来看，都是 很不经济的做法，然而由于u s b 技术的稳定可靠及其价格低廉等优点， 利用主机u s b 技术进行基于u s b 车载继电保护状态海量存储应该是 许多厂商一致看好的，更能够适应使用的需求和飞机空调车的发展 方向【4 7 】。 1 2 研究目的和意义 由于飞机空调车电力系统的构造非常复杂，因此对其维修是一件 极其麻烦的事情，如果没有及时的继电保护状态数据系统分析，很难 判断是哪出的问题，进而出现了人机界面故障定位、故障状态显示系 统，从而使得实时性得到是明显地增强。但是有些时候系统会出现误 西华大学硕士学位论文 报警状态，这样我们就很难判断是哪出的问题，因此我们急切地需要 一台飞机空调车系统的终身“健康”状况以“病历”的形式进行存储的这 样一个数据库来帮助我们分析故障出现的地方，从而以方便我们对飞 机空调车系统的故障作出更好地判断。据市场调查显示，当今国内外 飞机空调车由于不具备大容量存储功能，造成平均维修时间为一天以 上的空调车量是相当大的，有的甚至一两个月才能完成维修，进而造 成机场飞机空调车的备用量大大增加及影响机载电子设备的工作状 况，由于飞机空调车的单台价格的昂贵，导致我国对航空领域投入的 金费大大增加。因此在飞机空调车中引入大容量存储技术将不仅仅关 系到飞机空调车的维修时间，更关系到飞机的使用寿命和国航及军队 的费用开支状况。根据以上分析：为了保障飞机空调车的安全稳定运 行，就必须对飞机空调车中的各个设备运行状态进行监测、分析。无 疑，对飞机空调车系统各设备的继电保护状态监测是其重要一环节。 为了保证飞机空调车系统的稳定性必须采用先进的技术手段，采用精 确合理的计算方法f g 】。 根据以上分析：为了保障飞机空调车的安全稳定运行，就必须对 飞机空调车中的各个设备运行状态进行监测、分析。无疑，对飞机空 调车系统各设备的继电保护状态监测是其重要一环节。为了保证飞机 空调车系统的稳定性必须采用先进的技术手段，采用精确合理的计算 方法，研制功能齐全的、性价比高、结构简单、使用方便的监测系统 显得十分必要。 传统的继电保护状态监测主要采用是断路器或开关直接跳闸或中 文人机界面直接显示存储，该方式的优点是：实时性高，但不适应电 磁干扰强、极低极高温度环境工作，对历史数据不能大容量存储，不 利于分析历史继电保护状态，从而使得维修设备的时间大大增长，以 至于影响国航及军队的金费开支。针对上述的几种对飞机空调车继电 保护状态监测手段的缺陷，寻找二种新的继电保护状态监测手段显得 尤为重要，随着电子技术新成果的不断引进，数据采集系统不断地向 着高速、大容量、实时分析处理和集成化等方向发展【9 - 1 0 。u s b 技术以 2 两华大学硕士学位论文 其高速、即插即用、低功耗和价格低廉等优点1 1 1 1 3 】，已越来越多地被用 于数据采集系统中。由上分析可见：对该课题的研究具有较大的社会 价值和经济价值。 基于u s b 车载继电保护状态大容量存储系统的研究课题充分地利 用了可编程逻辑控制器的控制及数据采集强的特点，并将u s b 主机技 术融入继电保护状态监测之中。涉及到信息技术、电子技术、电力监 测理论、计算机控制等多门学科，对其进行研究具有一定的创新性和 先进性。 1 3 课题主要研究内容 基于u s b 车载继电保护状态大容量存储系统的设计，首先要完成 p l c 对继电保护状态数据的采集，及p l c 对数据的预处理，将相关数 据通过r s 4 8 5 串口经p p i 协议处理发给m s p 4 3 0 f 1 4 9 超低功耗单片机， 然后由m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机发送给u s b 芯片，进行u s b 数据存储， 最后由u 盘导入电脑经v b 编译的数据接收平台进行显示分析，同时 建立系统数据分析数据库。本课题主要完成u s b 数据存储端硬件软件 的设计；m s p 4 3 0 f 1 4 9 与u s b 、t 6 9 6 3 c 、p l c 的数据通信、u 盘与上 位机的数据格式转换的编程；降低系统的硬件开销、功耗和体积，提 高产品的性价比，达到本产品适应极限温度环境，抗电磁干扰的目的。 1 4 论文章节安排 本课题旨在跟踪国内外技术的发展动态，掌握u s b 技术的发展趋 势。阅读并分析大量有关继电保护监测、u s b 技术的资料及相关学术 论文，对u s b 技术的协议特点进行详细的讨论和分析，熟悉u s b 数 据通信结构，着重研究u s bh o s t 技术以及支持u 盘操作的m a s s s t o r a g e 类，并在此基础上规划u s b 主机系统的软硬件。设计原理图 级u s bh o s t 方案构建u s bh o s t 的硬件平台。 本论文的主要内容安排如下： 第1 章：绪论。包括课题的研究意义、相关技术国内外研究现状。 3 西华人学硕士学位论文 第2 章：u s b 总线理论分析。深入研究u s b 协议、体系、特性等 理论，主要包括u s b 的特性、u s b 数据流模型等。 第3 章：继电保护存储系统的硬件设计。主要包括主控单元( 主 m c u ) 、u s b 存储单元、l c d 显示单元、r s 4 8 5 通信电路、硬件电路 的军用环境可靠性设计等。 第4 章：继电保护存储系统的软件设计。主要包括继保状态采集 设计、p p i 协议分析、显示模块程序设计、u s bm a s ss t o r a g e 类协议等。 第5 章：系统调试与现场调试。主要是软、硬件的调试及整个系 统在现场的调试。 4 西华大学硕士学位论文 2u s bh o s t 技术基础 要把u s b 功能集成入单片机系统中，首先必须了解u s b 技术的基 本内容，尤其是对于本设计的主机u s b ，本章主要介绍主机u s b 相关的 内容。 2 1u s b 系统描述 一个u s b 系统主要定义为三个部分： ( 1 ) u s b 的互连； ( 2 ) u s b 的设备； ( 3 ) u s b 的主机； u s b 的互连是指u s b 设备与主机之间进行连接和通信的操作，主 要包括以下几方面： 1 ) 总线的拓扑结构：u s b 设备与主机之间的各种连接方式； 2 ) 内部层次关系：根据性能叠置，u s b 的任务被分配到系统的每 一个层次； 3 ) 数据流模式：描述了数据在系统中通过u s b 从发送端到接收端 的流动方式； 4 ) u s b 的调度：u s b 提供了一个共享的连接【1 4 1 。对可以使用的连 接进行了调度以支持同步数据传输，并且避免的优先级判别的开销。 2 2 总线拓扑结构 u s b 设备和u s b 主机通过u s b 总线连接。u s b 的物理连接是一 个星形结构，集线器( h u b ) 位于每一个星形结构的中心。每一段都是主 机和某个集成器，或某一功能模块设备之间的一个点到点的连接，也 可以是一个集线器与另一个集线器或功能模块之间的点到点的连接。 从图2 1 可看出u s b 总线的拓扑结构c 1 53 。 5 西华大学硕士学位论文 f i g 2 1b u st o p o l o g y 图2 1 总线拓扑结构 2 3 有关u s bh o s t 的两个重要概念 端点( e n d p o i n t ) 和管道( p i p e ) 这两个概念对u s b 主机很重要，我们 分别对其介绍。 端点是主机和设备之间一个逻辑通道。每一个u s b 设备都支持几 个确定的端点，因而每一个u s b 设备在主机看来就是几个端点的集合。 每个端点实际上就是位于u s b 设备或主机上的一个数据缓冲区，用来 存放和发送u s b 的各种数据，每一个端点都有惟一的确定地址，有不 同的传输特性( 如输入端点、输出端点、配置端点、批量传输端点) 。 端点地址是由设备地址和端点号给出的，传输特性是在设备出厂前己 定义好的。端点必须在设备配置后才能生效( 除端点o 外) 。端点0 通 常为控制端点，用于存放传输初始化参数等，端点1 、2 等一般用作数 据端点，存放主机与设备之间往来的数据。 在u s b 主机上的一个软件功能和一个u s b 设备之间建立的一个 虚连接称为“管道”。它代表了一种在两者之间移动数据的能力。一旦 设备被配置，管道就存在了。在u s b 技术中有两种类型的管道一流管 道和消息管道。流管道是指没有确定的总线帧结构而以数据流的方式 进行数据传输的管道。消息管道中的数据具有一定的帧结构。因而其 数据传输就可以与所需的带宽、传送类型和端点特征( 传送方向和缓 6 西华大学硕士学位论文 冲区大小) 相适应。 管道是在一个设备插入系统后，由位于u s b 主机上的软件建立的。 所有的u s b 设备都必须支持“管道0 ”，从而使u s b 主机可以利用该管 道对u s b 设备进行配置。 2 4u s b 主机与设备结构 u s b 主机是u s b 中唯一的一个用于协调工作的实体。除了它的特 殊物理位置，对于u s b 和与之相连的设备而言，主机还有一些特殊的 责任。对u s b 的访问都由主机控制，只有当主机允许其访问时，一个 u s b 设备才能获得对总线的访问权。另外，主机还负责监视整个u s b 的构成情况。u s b 主机的逻辑构成如图2 。2 所示：u s b 主控制器( 主机 的总线接口) ；u s b 整体系统软件( u s b 驱动程序，主控制器驱动程序 和主机软件1 ；设备驱动程序 1 6 i s 。 _ _ _ a c t u a i m m u n i 戗o n 竹m 实际数据流 仁= = = = l o g 瞄i m m u n i c a t i o nn a 惦 逻辑数据流 f i g 2 - 2u s bh o s ts t r u c t u r el a y e r 图2 - 2u s b 主机结构层 u s b 设备可以分为集线器和功能设备，而功能设备又可以细分为 定位设备、字符设备等。u s b 设备必须拥有用于自我识别和通常的配 7 西华大学硕士学位论文 置操作的相关信息，且工作时的状态应与其配置信息相符。 一个u s b 设备的逻辑结构如图2 3 所示。最底层是总线接口，用 来发送与接收数据包。中间层处理总线接口与不同的端点之间的数据 流通。一个端点是数据最终的使用者或提供者，它可以看作数据的源 或接收端。最上层就u s b 设备所提供的功能，比如鼠标和键盘等【1 9 】。 仁爿i 爿 二匕 止一u s b l o g i c a l 卜叫d e v i c e 二 - - 一u i n s t e b 哟b u s h 枷副。嚣裟磐。 目l o g 嘲燃咖棚 f i g 2 3e q u i p m e n ts t r u c t u r e 图2 3 设备结构层 2 5u s b 数据流模型 u s b 主从系统结构的层次关系如图2 4 所示。 主机端：u s b 总线主端，通常为p c 、p d a 。 设备端：u s b 物理设备，u s b 上的一种硬件，可运行一些用户 程序，实现特定的功能。 客户软件：为一个特定的u s b 设备而在主机上运行的软件。这 种软件由u s b 设备的提供者提供，或由操作系统提供。 u s b 系统软件：此软件用于在特定的操作系统中支持u s b ，它 由操作系统提供，与具体的u s b 设备无关，也独立于客户软件。 u s b 主机控制器：总线在主机方面的接口，是软件和硬件的总 和。用于支持u s b 设备通过u s b 连到主机上。 8 西华人学硕十学位论文 u s b 总线接1 2 1 ：指u s b 设备端的接口，用来发送和接收数据包。 u s b 逻辑设备：处理总线接口与不同端点之间的数据，端点是 数据的终点1 2 0 啦】。 应用：指u s b 设备中的外设。 主机端 i 型： 蒿： 二 系统软件p r 逻辑设备 蒿： 工 l 主帆控制器i 、 1 总线接口 实际通信流 、；= 二- 二；一逻辑通信漉 f i g 2 4u s bh o s t d e v i c es t r u c t u r e 图2 4u s b 主从系统结构的层次关系图 u s b 总线接口层提供了在主机与设备之间的物理连接、发送连接、 数据包连接。u s b 设备层对u s b 系统软件是可见的，系统软件基于它 所见的设备层来完成对设备的一般的u s b 操作。应用层可以通过与之 相配合的客户软件向主机提供一些额外的功能。u s b 设备层和应用层 的通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信由u s b 总线 接口层来完成。 从逻辑上讲，u s b 数据的传输是通过通道进行的。u s b 系统软件 通过缺省通道( 与端点0 相对应) 管理设备，设备驱动程序通过其它的通 9 西华火学硕士学位论文 道来管理设备的功能接口，实现普通数据的交互。实际的数据传输过 程是这样的：设备驱动程序通过对u s b d 接口( u s bd r i v e ri n t e r f a c e ) 的调用，发出输入输出请求i r p ( i or e q u e s tp a c k e t ) ，u s b 驱动程序接 到请求后，调用h c d 接口( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e ri n t e r f a c e ) ，将i r p 转 化为u s b 的传输，一个i r p 可以包含一个或多个u s b 传输，然后h c d 将u s b 传输分解为总线操作，由主控制器以包的形式发出。 需要注意的是，所有的数据传输都是由主机开始的，任何外设都 无权开始一个传输。i r p 即是由操作系统定义的，而u s b 传输与总线 操作是u s b 规范定义的。为了进一步说明u s b 传输，我们引出帧的 概念。u s b 总线将l m s 定义为一帧。在这i m s 里u s b 进行一系列的总 操作，但没有任何一次总线操作是跨帧进行的。引入帧的概念主要是 为了支持与时间有关的总线操作【2 3 】。 u s b 是为主机软件和它的u s b 应用设备的通信服务的，对客户与 应用间不同的交互，u s b 设备对数据流有不同的要求。u s b 为此提供 了更好的总线整体使用，它允许各种不同的数据流相互独立地进入一 个u s b 设备。每种通信都采取了某种总线访问方法来完成主机上的软 件与设备之间的通信。每个通信都在设备上的某个端点结束吨 。不同 设备的不同端点用于区分不同的通信流。 2 6 本章小节 本章涉及了u s b l 1 协议的部分内容，首先从宏观上了解u s b ， 介绍了u s b 总线拓扑结构，然后介绍主机和设备的结构，最后介绍了 u s b 数据流模型。其他更详细的介绍参见u s b l 1 规范。考虑到本论 文内容的连续性，主机协议和m a s ss t o r a g e 类协议放在第四章做详细 介绍。 1 0 _ 西华大学硕士学位论文 3 继电保护存储系统的硬件设计 本车载继电保护状态大容量存储系统的硬件设计主要采用了 m s p 4 3 0 f 14 9 单片机为核心处理部件，c y p r e s s 公司的s l 81 1h s 为u s b 主控芯片，由m s p 4 3 0 f 1 4 9 控制s l 8 1 1 h s ，通过r s 4 8 5 将p l c 采集两 个独立机组的继电保护数据发送给m s p 4 3 0 f 14 9 ，再将m s p 4 3 0 f 14 9 接收的指令变为相应的u s b 数据流，传送给指定的u s b 设备进行相 应的操作。图3 1 为具有u s b 主机功能的数据采集存储系统框图。 键盘l 斗叫液晶显示器i m c u 随机存储器l 斗 - 一u s b 存储器i f i g 3 - 1h a r d w a r es t r u c t u r eo fa i r c o n d i t i o nu n i tf o ra i r c r a f tc o n t r o ls y s t e m 图3 1 飞机空调车控制系统硬件结构示意图 3 1 主控单元电路设计 3 1 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 概述 m s p 4 3 0 系列单片机可以分为以下几个系列： “x 1x x ，x 3 x x ， x 4 x x 等等，而且在不断发展，从存储器角度，又可分为r o m ( c 型) 、 西华大学硕士学位论文 o t p ( p 型) 、e p r o m ( e 型) 、f l a s hm e m o r y ( f 型) 。系列的全部成员均 为软件兼容，可以方便地在系列各型号间移植。m s p 4 3 0 系列单片机的 m c u 设计成适合各种应用的l6 位结构。它采用“玛纽曼结构，因 此r a m ，r o m 和全部外围模块都位于同一个地址空间内f 2 5 - 2 7 】。 m s p 4 3 0 系列单片机具有以下一些共同特点：低电压、超低功耗、 强大的处理能系统工作稳定、丰富的片上外围模块、方便高效的开发 环境、适应工业级运行环多种时钟模块，型号种类多。 m s p 4 3 0 f 14 9 是t i 推出的m s p 4 3o f l4 x 系列中功能最强大的一款 产品，在该论文方案中我们选择该芯片。它的管脚图如图3 2 所示。 f i g 3 - 2m s p 4 3 0 f 1 4 9l e a dm a p 图3 - 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 管脚图 其主要特点和功能有： ( 1 ) 工作电压低( 1 8 3 6 v ) ，电流d x ( 2 8 0 u a 1 m h z 活动模式) ，5 种 低功耗模式，待机模式下电流为1 1 u a ，掉电模式下更能达到0 1 u a ； ( 2 ) 有丰富的中断源并可任意嵌套，用中断请求将系统从备用状态 唤醒仅需6 u s ； 1 2 西华大学硕七学位论文 ( 3 ) 片内看门狗及上电复位电路，多种时钟源( x t a l l 、x t a l 2 或 内部d c o 、f l l + ) 可供选择； ( 4 ) i o 口多，有双向并行i o 口p l 和p 2 ( 有中断功能) 及p 3 p 6 口， 多数口有复用功能； ( 5 ) 两个16 位定时器a 、b ，均各带3 个比较捕获模块，每个模块 可独立编程，用于产生定时脉冲，捕获外部事件； ( 6 ) 片内集成液晶驱动器，驱动能力可达l6 0 段； ( 7 ) 通用通信模块u a r s t 0 和u a r s t l ，软件可选同步异步方式； ( 8 ) 具有自动循环采集功能的8 通道12 位a d c l2 ，自带采样保持 器和可选电压基准，可以自动扫描； ( 9 ) j t a g 接1 5 1 或片内b o o tr o m 使程序下载调试极其简便，程序 代码由安全熔丝保护； ( 1o ) 不需加装存储器，片内自带2 k 字节r a m 及在线可擦除编程 3 2 k 字节主f l a s h + 2 5 6 字节信息f l a s h 。片内f l a s h 模块包含3 个控制 寄存器、时序发生器、擦除编程电压发生器及f l a s h 存储器本身。其 中主f l a s h 分为每段512 字节的段0 6 3 ，信息f l a s h 分为每段l2 8 字节 的段a 、b 1 2 9 3 0 】。 3 1 2 晶振电路 作为时基发生器的时钟振荡电路，为整个单片机芯片内部各个部分 电路的工作提供系统时钟信号，也在为单片机与其他外接芯片之间的 通信以及与其他数字系统或者计算机系统之间通信，提供可靠的同步 时钟信号。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机有3 个时钟输入源：低速晶体振荡器( 3 2 k ) 、 高速晶体振荡器和d c o 振荡器本设计为了适应不同的场合，设计了 低速和高速晶振，并根据晶体的特性选定了配套电容。如图3 3 。 1 3 西华大学硕士学位论文 到 3 2 k 口 1 w 山一 f i g 3 3h i g h 、l o ws p e e dc r y s t a l 图3 - 3 高速、低速晶振 3 1 3 复位电路 系统上电时，单片机内部的寄存器需要初始化才能正常工作，当 系统掉电时，也要保证系统能正常复位。本系统选用c a t 8 0 9 微控制 器监控电路，能有效地监控系统电源，保证系统正常复位。而且c a t 8 0 9 能保护单片机，防止其掉电出错。典型的4 u s 或更短时间的幅值为 10 0 m y 的短时间瞬变不会引起错误的复位 3 1 1 。图3 4 是芯片复位电路 图。 v c c r s t l 砒蕊t o f i g 3 - 4r e s e tc i r c u i t 图3 4 复位电路图 c a t 8 0 9 有如下特性： 1 ) 对以下电源进行精密监控： + 5 0 v ( + - 5 ，+ 一1 0 ，+ 一2 0 ) ， + 3 。3 v ( + - 5 ，+ 一1 0 ) ， 1 4 3 3 v u f 两华大学硕士学位论文 + 3 0 v ( + - 1 0 ) 和+ 2 5 v ( + 一5 ) 2 ) 低电平有效 3 ) v c c 低至1 0 v 时复位有效 4 ) 6 u a 的电源电流 5 ) 抗电源的瞬态干扰 6 ) 工业级温度范围：4 0 到+ 8 5 7 ) 复位时序 当电源电压下降到低于阀值开关电压时，c a t 8 0 9 的复位信号为低 电平，并且，在电源电压上升到大于阐值后的至少l4 m s 内复位信号的 状态仍保持有效。复位时序见图3 5 。 电5 v 源0 v 阀门电压 面爵1 i ! 蛰一 f i g 3 - 5 r e s e tt i m i n go fc a t 8 0 9 图3 - 5c a t 8 0 9 复位时序图 3 1 4u s b 主控接口芯片s l 81 1h s 的电路设计 ( 1 ) s l 8 1 1 h s 简介 s l 8 1 1 h s 控制芯片是一款可以作为主机控制芯片或者作为设备控 制芯片；通过程序控制s l 8 1 1 h s 可以设置为主模式或从模式，全速方 式还是低速方式 3 2 3 。 s l 8 1 1 h s 芯片可以与微处理器、微控制器、d s p 等外设相连，也 可以直接与i s a 、p c m c i a 等总线相连。s l 8 1 1 h s 有8 根数据线，2 5 6 字节d m a 数据缓冲用于控制寄存器和缓冲，工作电压为3 3 伏。它由 以下几个部分组成：收发器、时钟发生器、串行接口引擎、r a m 缓冲 器和控制寄存器、中断控制器、d m a 接口、处理器接口、主从模式 1 5 两华大学硕士学位论文 控制器。 s l 8 1 1 h s 芯片支持端点0 3 ，端点0 是默认管道，支持控制传输。 端点1 3 支持批量、中断、同步传输。每个端点都有两组控制寄存器a 和b 进行交替( “乒乓”机制) 操作，当组数据处于传输状态时，另一 组数据则准备好。一组结束后，另一组则开始。即将传输的数据的 “a r m e d ”位显示s l 8 1 1 h s 是否准备好传输该组数据而没有其他的中断请 求。 每个端点都有组与之相对应的寄存器用于对u s b 的处理做出响 应。端点“e p 0 ”在建立和配置后被主机初始化，特别是在设备建立到结 束过程中，主机向该设备请求设备信息，并给设备配置一个唯一的i d 号。 ( 2 ) s l 8 1 1 h s 管脚图3 - 6 及管脚说明列表3 1 啪 眦，v 表3 1s l 81 1h s i j i 脚说明 跹 埘 躺甜 酬一 【。烈工游 工，嚣工嘶 工。s l 8 11h s h 麓i 锄 j 二，麓呲c 二t 1 _ 妒 为工磁 量n 姻苫。， 哪州h 辋 a i o x l 髓荡tg 耐 f i g 3 - 6s l 8 11 h sl e a dm a p 图3 - 6s l 8ii h s 管脚图 舒薜神炎名称迸啊 阱 n o = o 绣埯扯 归l 选数据 2掰仰i c k d m a 成磐，仪弼予从绥式 3 0 啊丑o r qd i v , a 淆衷 4科幔d 谖证睦 5酣 _ 喁限耳使鬣和n c s 一起篌用 酣喇葛片最佬毖 7州cm 时钟翰式最撵 毒m+ 3 3 v d c电潦 9b i d i rd 1 a u s b 电缓线 1 0 8 l d i rd a l u s bl 包凌线 l lg n dusm缝线 1 2v l +33虻电豫 1 3 c l k 麒i时势或外接晶摄 l la 打x 2 外接嚣嚣 1 5斟糠盯 簸妊 1 6 o u r 口盯繁q 串囊 1 7 g n d 饼啦地线 i sb l d 限鼗撂缝 1 98 l rd lj 眭据壤 b i d i r 0 2 数撼统 2 1 r t r m r d 3 数据线 笼g 胁g 物地线 玎8 l d l rd 4 数据键 翻8 l d 蠼蹦 数擀鳢 s l 8 1 1 h s 芯片内部集成了时钟倍频器，可以外接一个12 m h z 或是 4 8 m h z 的晶振，引脚x 1 和x 2 用于连接低功耗的晶振和设备的。如果 1 6 黼 瞄 凹 善| 揪 黼 翎 西华大学硕士学位论文 采用的是4 8 m h z 时钟，则只需要用引脚x 1 ，同时替代晶振电路工作。 s l 8 1 1 h s 的微处理接口提供了8 位双向数据线端口和一些相应的控制 信号接口与外部处理器或控制器相连。这些控制线：片选、读写、地址 线a 0 、数据总线都支持可编程i o 或是存储映射i o 设计。访问存 储器或控制寄存分为两个步骤，首先a 0 置0 写地址，然后a 0 置1 后 读或写数据。另外在从模式下d m a 双向数据接口要在有握手信号如 d r e q 、a c k 、w r 、r d 、c s 和创t r 等信号时工作。 s l 8 1 1 h s 读写操作在n w r 和n c s 无效时结束。当有u s b 事件激活， s l 8 1 1 h s 控制器将产一输出信号( i n t r q ) ，控制状态寄存器允许用户选 择单个或是多个产生中断的事，用户也可以看到中断状态。在写相应 的状态寄存器( 0 x 0 d ) 后，中断将被清除。 ( 3 ) s l 8 1 1 h s 应用单元电路设计 s l 8 1 1 h s 的8 位数据线直接和单片机的8 位数据线相连。其中需要 注意的是s l 8 1 1 h s 的a 0 引脚和低8 位地址线的最低位a 0 相连，即与 锁存器的地址输出端的最低位相连。时钟频率由4 8 m h z 的有源