（电力系统及其自动化专业论文）新型继电保护测试系统的设计.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型继电保护测试系统设计， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力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已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王粒 日期：型堡垒：丝 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 华北电力人学硕十学位论文 摘要 继电保护测试技术促进了继电保护技术的发展，基于嵌入式工控机的设计思想 造成了传统的继电保护测试系统体积大、成本高等缺陷。本文充分利用d s p 芯片强 大的数据运算与信号处理能力，提出了“p c 机+ d s p 主控板”的继电保护测试系统设 计方案，完成了d s p 主控板的设备固件程序开发及u s b 驱动程序应用工作。在分 析参考变压器内外部故障及励磁涌流仿真现状的情况下，采用互感支路模型模拟故 障变压器，建立了变压器的非线性暂态模型。以此变压器模型为仿真基础，开发了 变压器暂态故障实时仿真测试系统。针对继电保护测试仪的实际工况，分析了设计 方案的功率模块原理，设计了i o 模块的硬件电路，研究了测试系统的抗干扰策略。 关键词：d s p ，固件程序，驱动程序，变压器，抗干扰 a b s t r a c t r e l a yp r o t e c t i o nh a sb e e ng r e a t l yp r o m o t e db yi t st e s t i n gt e c h n i q u e t h ec o n g c e p t b a s e do nt h ee m b e d d e di n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rr e s u l t si n m a n yp r o b l e m so f t r a d i t i o n a lr e l a yp r o t e c t i o nt e s t i n gd e v i c e ，s u c ha sh i g hc o s t ，b i gs y s t e ma n ds oo n m a k i n gu s eo ft h em i g h t i n e s sd a t ac a l c u l a t i n ga n ds i g n a lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo ft h e d s pc h i p ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dad e s i g no fn e wt y p eo fr e l a yp r o t e c t i o nt e s t i n g e q u i p m e n tb a s e do n p c + d s pp l a t f o r m ”，d e v e l o p se q u i p m e n tf i r m w a r ep r o c e d u r eo f h a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h ea p p l i c a t i o no fu s bd e v i c ed r i v e r c o n s i d e r i n gt h es t a t u so f s i m u l a t i o nf o rt r a n s f o r m e ri n t e r n a lf a u l t sa n di n r u s hc u r r e n t ，t h i sp a p e ra d o p t st h el i n e r m o d e lt ob u i l dt h en o n l i n e a rt r a n s i e n tm o d e lo ff a u l tt r a n s f o r m e r b a s i n go nt h i sm o d e l ， t h i sp a p e rd e v e l o p st h er e a l t i m ee m u l a t i o nt e s t i n gs y s t e mo ft h et r a n s f o r m e r st r a n s i e n t f a u l t a i m e da tt h et e s t e r sa c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h i sp a p e ra n a l y s e sp r i n c i p l e so f p o w e rc i r c u i t ，d e s i g n sh a r d w a r ec i r c u i to fi 0m o d u l e ，d i s c u s s e sa n t i i n t e r f e r e n c e s t r a t e g yo fr e l a yp r o t e c t i o nt e s t i n gs y s t e m w a n gy a n z h a o ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e m sa n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yx i a os h i w u k e y w o r d ：d s p ，f i r m w a r e ，d e v i c ed r i v e r , t r a n s f o r m e r , a n t i i n t e r f e r e n c e 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 目录i i 第一章引言一1 1 1 课题研究的目的和意义一l 1 2 继电保护测试仪的原理及其功能一1 一 1 3 继电保护测试仪的的历史与现状一2 1 4 本论文的主要内容一3 一 第二章新型测试仪的设计方案一5 2 1 新型测试仪的设计方案一5 2 1 1 新型设计方案概述一5 2 1 2 设计方案与现有设备的对比优势一6 2 2d s p 主控板的硬件结构阳3 一7 2 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 f 2 8 1 2 的介绍一7 2 2 2d a 口的介绍一8 2 2 3u s b 接口的介绍一l o 一 2 2 4 仿真调试器的j t a g 接口一1 1 2 2 5 存储器r a m 和f l a s h 的介绍一1 2 一 第三章固件程序开发与驱动程序应用一1 3 3 1c c s 集中开发环境介绍一1 3 3 1 1c c s 软件简介一1 3 3 1 2c c s 软件的开发流程一1 4 3 2 设备固件程序的开发一1 5 3 2 1 初始化程序的开发一1 5 3 2 2 中断服务程序开发一2 0 3 2 3 请求处理程序开发一2 1 3 3u s b 驱动程序的应用一2 2 3 3 1u s b 驱动程序的结构一2 2 3 3 2 端点以及端点缓冲区一2 5 3 3 3 下位机数据读写程序一2 6 一 l i 华北电力大学硕士学位论文 3 4 硬件设备的测试 3 4 1d a 通道的路数和转换速度测试 3 4 2u s b 接口的通信速度测试 3 4 3 存储器容量的测试 第四章变压器保护测试功能的实现 4 1 变压器暂态仿真的主要内容 4 1 1 仿真程序的原理 4 1 2 仿真程序的编写思路 4 1 3 数据传输的实现 4 2 变压器励磁涌流仿真功能设计 4 2 1 基本磁化曲线的拟合 4 2 2 仿真程序介绍 4 2 3 励磁涌流波形的验证 4 3 变压器内部故障仿真功能设计 4 3 1 仿真模型的建立 4 3 2 仿真界面程序介绍 4 3 3 内部故障波形的验证 第五章d s p 主控板的外围扩展及抗干扰分析 5 1d s p 主控板的外围扩展 5 1 1d a 功放模块的扩展 5 1 2i o 模块的扩展 5 2 抗干扰分析 5 2 1 干扰类型 5 2 2 抗干扰策略研究 5 2 3 设计方案的抗干扰分析 第六章结论 参考文献 致谢 在学期间发表论文和参加科研情况 i l i 一2 7 一 一2 7 一 一2 8 一 一2 8 一 一2 9 一 一2 9 一 一2 9 一 一3 0 一 一3 1 一 一3 2 一 一3 2 一 一3 4 一 一3 8 一 - 4 0 一4 1 一 一4 2 一 一4 4 一 4 6 - 4 6 一4 6 一 一4 9 一 4 9 一 一4 9 一 一4 9 一 一5 1 一 一5 3 一 一5 5 一 一5 8 一 一5 9 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章引言 随着我国电力行业的快速发展，电力系统中继电保护工作的重要性日益凸显。 在我国全国联网的巨型电力系统中，任何电力系统的重大故障都会造成不可估计的 损失。因此保障电力系统的安全、稳定运行是继电保护工作最基本也是最迫切的任 务。由于多数继电保护装置在运行中是不能测量的，因此在装置出厂前的各种性能 测试，发现继电保护装置中隐藏的软、硬件错误，验证其工作性能，对保障电力系 统的安全、稳定运行具有十分重要的意义。 继电保护测试仪在本质上讲是一个基于工控机的测试仪器，而工控机一般分为 上位机和下位机。目前国内广泛使用的继电保护测试系统多采用“上位机+ 嵌入式 系统+ 底层芯片”的整体设计方案，其中“上位机 执行人机交互、参数传递等任 务，“底层芯片 装有嵌入式操作系统，仿真输出电力系统故障波形并加载到继电 保护设备。同时上下位机之间通过r s - 2 3 2 c 串行总线、以太网接口等通信接口联系。 本文提出的新型继电保护测试仪设计方案是在总结现有主流测试仪特点的基 础上，针对现有测试仪硬件结构复杂、现场调试工作量大等不足之处加以改进，提 出“将仿真运算转移到上位机，下位机仅负责数据处理和输出”的设计方案。与现 有主流测试仪相比，本测试仪具有硬件结构简单易统一、现场调试便捷等优点。同 时，伴随着p c 技术的不断发展，测试仪的整体性能也能够得到不断提升，从而在 不更换下位机硬件的条件下，方便实现测试仪的更新换代，满足电力系统继电保护 装置测试任务曰益提升的需要。 为了实现测试仪的实时性，本文采用u s b 2 0 通信接口实现上下位机之间的联 系。它的最高通信速率达到4 8 0 m b p s ，完全满足上、下位机间的频繁的数据交换需 要。同时u s b 通信支持设备的热插拔，与p c 机的接口简单，因此在现场使用非常 方便。 1 2 继电保护测试仪的原理及其功能 继电保护测试仪的主要功能是按照既定的测试实验条件，产生一定的测试电 压、电流信号来检测继电保护装置，从而达到检测继电保护装置的逻辑功能和动作 特性的目的，并根据国际、国家标准对测试结果进行标定和评价1 1 。 继电保护测试仪的工作过程大致分为以下三个步骤： 华北电力大学硕士学位论文 首先根据试验目的选择试验类型以及相应的试验模块。其中包括：试验项目( 整 组试验或其他试验) 、整组试验仿真的故障类型( 三相短路、两相短路、单相接地、 两相接地) 、故障相别、故障电流等；另外还有相应的开出量设置。对于不同的故 障类型，需要确定的试验参数的类型略有不同。然后根据试验要求设定试验的具体 条件和参数，准备试验所需要的数据，输出试验结果。测试开始之前，试验条件设 置完成以后，如果对设置的条件有需要更改的地方，在没有按下开始确认键之前， 可以重新设置某些试验参数。如果对设置的条件没有要更改的地方，按下确认键即 开始计算试验各个阶段所需要的电压电流信号的数字量，并按照d a c 芯片数据格 式要求送往d a c 。当模拟部分模块( 空载运行、故障后、断路器动作后、重合闸动 作后) 的控制信号设置完毕后，即可进入试验阶段。 试验开始后，由测试过程控制程序送出表示三相电压和三相电流以及3 u o 、3 i o 的数据流，数据流经过d a c 转换、功率放大，成为可供继电保护测试仪的模拟量 输出。与此同时，不断采集继电保护装置的反馈信号，并根据反馈的保护装置的动 作行为进行相应的处理，切换数据区或者中断过程。在试验过程中，根据继电保护 装置的动作信息设置相应的标志位，满足一定的条件就可以从试验中退出，处理试 验结果并输出。试验结果的输出可以选择液晶显示、打印机打印输出。至此，整个 测试过程完成。 1 3 继电保护测试仪的的历史与现状 作为继电保护装置检测手段继电保护测试装置与测试对象是紧密耦合的，它是 随着继电保护装置的发展而不断革新的。 在上个世纪6 0 年代，我国的继电保护技术处于机电式阶段，大量采用的是电 流、电压继电器等组成的简单保护。现场往往采用临时接线的方法，由移相器、调 压器、变阻器等调节提供可变的电气激励量，以测试量度继电器的特性，采用手动 短接( 或断开) 被试保护装置的某触点( 或回路) 来模拟电力系统的故障，以检查整套保 护装置的逻辑功能和动作行为。这种方法劳动强度大，调试时间长，而且功能简单 容易接错线【2 j 。在7 0 至8 0 年代，我国的继电保护技术处于半导体式阶段，8 0 年代 初，研究部门已经研制出研制出物理模拟型的继电保护试验装置，这也是我国最早 自行研制出的继电保护试验装置【3 】。 8 0 年代后期，我国出现了内置c p u 、无后台计算机控制的第一代智能型继电保 护测试装置。这一代继电保护测试装置是以单片机作为智能控制器为特征的。由于 单片机的计算速度较慢，该装置人机界面不够友好；数学模型简化，故障数据产生 方式简单。 8 0 年代后半期出现的第二代测试仪是以计算机作为智能控制器为特征的。它利 华北电力大学硕士学位论文 用p c 机的强大功能，以d o s 作为操作界面。由于受d o s 操作系统的限制，界面 操作及报告不够灵活。 9 0 年代以来研制的继电保护测试装置属于第三代继电保护测试仪。装置多采用 后台计算机与多c p u 、d s p 构成主从式计算机系统。p c 机用作人机界面，控制仿 真运行和实时数据处理，d s p 进行实时解答系统模型、i o 输入输出处理等。第三 代测试装置与第二代相比，有更好的软件界面，并可以方便地使用w i n d o w s 资源 如w o r d 、e x c e l 编辑报告等。 最新的第四代继电保护测试系统集成了更多功能如：高性能三相电压、电流发 生器，输出信号的精度高；多通道电压、电流示波器，实时监测信号输出质量；内 置继电器库，测试自动化，且具有先进的编程设计；通过网络远程操作及技术支持， 测试装置由稳态向动态测试发展，更加准确、真实的模拟各种故障，实现实时仿真 和全闭环测试。本课题所研究的测试装置属于第四代的范畴 目前，国外厂家生产的通用型继电保护测试装置有：美国m e g g e r 公司( a v o ) 的s r - 9 8 通用继电测试仪和p u l s a r 三相保护继电测试系统，d o b l e 公司的薹1 d o b l e 6 0 0 0 系列和f 2 2 5 0 测试仪，o m i c r o n 公司的奥秘克朗测试仪c m c l 5 6 等。 这些国外厂家的产品有一个突出特点就是采用高速处理器和高速、高精度器件，系 统速度快，精度高，而且可靠性也很好。同时轻便小巧、便于携带。 国内从事继电保护测试系统研究工作比较早的是华北电力学院，9 0 年代初即研 制出m i 玎一0 1 多功能继电保护测试仪，之后又研制出m i 玎一0 2 、m r 卜0 2 b 、m r t - - 0 2 c ，m 肛0 3 。另外还有四方继保自动化股份有限公司研发生产的c s c 系列微 机保护装置、南瑞继保电气有限公司研制的d s f 3 系列便携式继电保护测试仪，武 汉豪迈电力自动化技术有限公司的继保之星8 0 1 、1 0 0 0 系列继电保护测试仪。广东 昂立的3 1 0 0 d 继电保护测试仪。江西华东电力仪器厂生产的j j c i h 继电保护测 试系统。北京北自电力设备开发公司提供的g t e t 一1 0 0 继电保护测试仪【l 】【4 1 。 1 4 本论文的主要内容 本文提出了一种新型继电保护测试仪的设计方案，并在d s p 开发板的基础上实 现了测试仪的基本仿真功能，并论证了设计方案在电力系统生产实践中的可行性。 详细工作如下： 1 针对当前继电保护测试仪中存在的问题，本文提出了一种“p c ) - l + d s p 控制板， 架构的设计方案。通过详细分析设计方案与传统方案在设计思想、通信接口等 方面的差异，总结出设计方案所具有的各种优势。 2 以合众达公司的嵌入式控制模板s e e d d e c 2 8 1 2 为例，搭建出继电保护测试仪 的硬件平台，并利用双绕组变压器保护算例测试了主要硬件模块的性能。 3 - 3 结合现有的变压器励磁涌流仿真和内部故障计算程序，开发出具有友好人机界 面的仿真软件，同时使测试装置输出达到相关标准的变压器故障暂态电流，电 压波形。 4 针对继电保护测试仪的实际工况，重点分析了设计方案中d a 模块和u s b 模块 在生产实践中的应用策略。 华北电力大学硕士学位论文 第二章新型测试仪的设计方案 继电保护测试仪要能够完成现场大多数试验检定工作，可对各种继电器及微机 保护进行鉴定，并可模拟各种复杂的瞬时性、永久性、转换性故障进行整组试验。 本文提出的设计方案要求测试仪能够模拟双绕组变压器发生励磁涌流和内部故障 时的暂态电压和电流。 要求测试仪对基波可产生每周波至少1 0 0 点高密度拟合正弦波，波形失真度极 小，对高次谐波也能够达到4 0 点以上的高密度输出，这些都要求下位机运算速度 快，传输频带宽。测试仪可以连接上位机联网运行，在上位机故障时也可以单机运 行一段时间。另外测试仪还要具备开入量读取、开出量输出的功能，它对于考查实 际电力系统中保护的前一次动作对其后的动作性能的影响以及各种保护之间相互 影响、相互作用的连锁效应具有重大的意义。 2 1 新型测试仪的设计方案 2 1 1 新型设计方案概述 根据前面所述的功能要求以及试验要求，为了达到用户操作界面直观、方便等 特点，上位机采用p c 机，配合一定的算法，计算出高精度暂态仿真数据。下位机 采用d s p 主控板，通过u s b 2 0 串行通信接口接收p c 机发过来的数据，结合特定 的滤波和插值算法建立仿真数据缓冲库。经过一定的延时后，将缓冲库的数据转换 成d a 通道的模拟量输出，经过外部线性功放单元驱动继电保护设备。 为考察各种保护之间相互影响作用，新型测试仪中还应该具有开关量输入输出 回路。考虑到继电保护测试系统应用场合电磁干扰的影响不容忽视，因此在测试系 统的开入开出环节加上光耦进行隔离。另外，测试系统的开出量不像保护装置的开 出那样至关重要，可简化对开出量读回检测部分的电路设计【4 1 。 本文提出一种基于d s p 模板和应用界面程序的继电保护测试系统，采用“p c 机+ d s p 主控板”的系统结构。利用t i 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和c y p r e s s 公司e z u s bs x 2 系列芯片c y 7 c 6 8 0 0 1 ，完成u s b 接口扩展的软硬件设计，实现 d s p 与上位机间的高速数据传输。利用t i 公司的d a c 7 7 2 4 将测试系统的数字量转 换成模拟量输出。整个继电保护测试系统的结构框图如图2 1 所示，测试平台实物 图如图2 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 l f l a s hb p c 机 u s b 2 0d a i 片_ e s r a m j i i总线 叫 c p l d f f 2 8 1 2p n 外扩s r a m跌它外围设名 图2 - 1新型继电保护测试系统的结构框图 图2 2新型继电保护测试系统实物图 2 1 2 设计方案与现有设备的对比优势 本文提出的测试系统采用了“p c 机+ d s p 主控板的系统结构，p c 机中装有 电力系统仿真软件和测试系统界面程序，负责产生特定的电力系统暂态波形的采样 值数据，并将这些数据传递给d s p 主控板的缓存中。d s p 芯片对这些数据进行插值 等处理，并把处理后的数据发送到特定的d a 通道中输出。 这种系统结构的突出优点在于将复杂的电磁暂态计算交给上位机完成，降低下 位机的复杂程度，利于下位机硬件上的统一。在对继电保护测试要求不断提高的今 天，本设计方案可以在保持下位机硬件不变的情况下，利用上位机应用程序的不断 更新，满足测试精度日益提升的需要。 与现有的继电保护测试仪相比，本文提出的设计方案还具有其它多方面的优 势。首先，本测试系统采用“p c 机+ d s p 主控板 的系统架构，节省了测试仪的设 计成本。而现有的测试仪多采用“上位机+ 工控机+ 底层芯片 的架构，生产使用的 6 华北电力大学硕十学位论文 成本比较高。其次，现有的测试仪中使用了嵌入式系统，它的抗电磁干扰能力比较 弱，在电磁干扰强烈的现场工作时，本文提出的方案核心部件是d s p 主控板，它具 有较高的抗电磁干扰能力，现有设计方案的测试仪具有更高的可靠性和稳定性。再 次，本测试仪将复杂的电磁暂态计算交给上位机完成，上位机和下位机之间采用 u s b 2 0 通信，支持设备热拔插，因此现场使用更加方便。 2 2d s p 主控板的硬件结构吲 本论文的硬件系统采用的是合众达公司的s e e d d e c 2 8 1 2 评估板，并利用t l 公司的c c s 2 2 1 集成开发平台完成了软件系统的编程和调试。该板是合众达公司针 对电机、电力等工业控制领域应用而设计的控制板，其功能框图如图2 3 所示【9 1 。 图2 - 3s e e d d e c 2 8 1 2 开发板功能框图 擎。： 该板采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为嵌入式d s p 板的c p u ，集成s r a m 、p w m 、u a r t 、 d a 和串行e e p r o m + r t c 实时时钟等外设。本节对其做简要介绍 2 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 f 2 8 1 2 的介绍 s e e d d e c 2 8 1 2 评估板的核心是t i 公司的t m s3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片。它是t l 公司2 0 0 2 年推出的新一代应用于控制等领域的3 2 位芯片，隶属于2 0 0 0 系列，是 t i 当前广泛应用的主流芯片。作为一款3 2 位定点d s p 芯片，它整合了d s p 和微控 制器的最佳特性，能够在一个周期内完成3 2 3 2 为的乘法累加运算f5 1 。它的主要功 能是 1 ) 高性能静态c m o s 技术，更低的功耗，3 3 v 供电，1 8 v l3 5 m h z ， 1 9 v 15 0 m h z 的执行速度。 华北电力大学硕+ 学位论文 2 ) 支持标准的j t a g 边界扫描技术，符合i e e e l l 4 9 1 3 ) 高性能3 2 位c p u ，支持： 单周期完成l 条3 2 3 2 乘法或2 条l 6 1 ； 哈佛总线结构，单周期完成读一修改写操作； 极快的中断响应和处理； 4 m 的程序数据寻址空间； 高效率程序设计( 可应用c c + + 和汇编语言) 4 ) 片上存储器( f l a s h 、o t p r o m 、8 k 1 6 位s r a m 可密码保护) 大容量1 2 8 k * 1 6 位f l a s h r o m ； lk 1 6 位o t pr o m ； 18 k 1 6 位s a r a m ； 4 k 1 6 位b o o t r o m ，软件引导模式； 5 ) f c 2 8 1 2 支持4 m 1 6 位外部存储空间，三个外部中断，外部中断扩展( p i e ) 支持4 5 个外部中断。 6 ) 事件管理器( 2 个：e v a + e v b ) ： 6 对互补的p w m + 4 个独立的p w m 6 通道q e p ，4 个通用目的定时器 7 ) 串行外围设备： 串行外围接口( s p i ) ； 两个串行通信接口( s c i ) ，标准的u a r t ； 增强的局域网络( e c a n ) ； 多通道缓冲串行接1 2 1 ( m c b s p ) ； 8 ) 三个3 2 位的全局定时器 9 ) a d ：2 8 通道、1 2 位o 3 v 量程。 1 0 ) 最多有5 6 个独立的可编程的通用输入输出( g p i o ) 弓i 脚。 2 2 2d a 口的介绍 d a 转换单元必须能接收高速传送的数据，完成模拟量到数字量的信号转换， 并且驱动终端的输出放大器。这个具体的要求是由所要驱动的继电保护终端的数 量，预定输出信号的带宽和主放大器单元的特性来决定【l2 1 。微控制器输出的是数字 量，仿真电力系统的电压电流信号需要的是模拟量，数模转换部分设计的好坏关系 到整个试验装置性能指标的优劣；从数字到模拟的转换是试验装置的重要组成部分， 也是实现物理仿真的关键环节1 4 】。 s e e d d e c 2 8 1 2 模板上使用了一片b u r r - b r o w n 公司生产的d a c 7 7 2 4 做模拟量 华北电力大学硕士学位论文 输出，d a c 7 7 2 4 为4 通道，1 2 位分辨率、1 0 v 信号量程、建立时间1 0 u s 、15 v 供电的d a 转换器。它内部有2 级锁存，先将数据锁存到缓冲器中，然后再锁存到 输出寄存器，实现多通道同时输出。它的内部原理框图如图2 4 所示，数据传送原 理框图如图2 5 所示嫡】。 d a c 7 7 2 4 采用直接二进制编码，理想的输入数字量与输出模拟量之间的关系如 下式所示： t 3 n 0锄 瞄e tu c雌v i l l i 图2 4d a c 7 7 2 4 的原理框图 v o u t = v r e f l + ( v r e f h - - v r e f l ) n - - 4 0 9 6 其中： n ：数字输入 v o u t ：模拟输出 v r e f h ：高参考电压，可以为1 0 v 或0 v ，缺省为1 0 v v r e f l ：低参考电压，可以为+ 1 0 v 或+ 5 v ，缺省为+ 1 0 v 复位时，输出锁存器中的数值为8 0 0 h ，所以当配置为1 0 v 输出时， 的复位值为0 v 。 图2 5d a c 7 7 2 4 数据命令传送原理框图 - 9 ( 2 1 ) 模拟输出 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3u s b 接口的介绍 在s e e d d e c 2 8 1 2 模板上采用c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 0 1 芯片实现u s b 2 0 接 口。c y 7 c 6 8 0 0 1 上集成了u s b 2 0 收发器和u s b 2 0 串行接口引擎s i e ，智能的s i e 自动处理所有底层的u s b 协议工作，外设产品设计者们不必为增加产品的u s b 功 能而学习u s b 协议。c y 7 c 6 8 0 0 1 作为f 2 8 1 2 的外设，u s b 的应用层协议由f 2 8 1 2 编程实现。c y 7 c 6 8 0 0 1 采用并行异步存储器接口与f 2 8 1 2 相连接，主机可以唤醒 f 2 8 1 2 ，也可以配置u s b 。 c y 7 c 6 8 0 0 1 芯片具有如下特点： 符合u s b 2 0 标准，最高速度可达4 8 0 m b p s ； 支持控制节点0 ，用于处理u s b 传输的申请； 内部具有4 k 字节的f i f o 资源； c y 7 c 6 8 0 0 l 芯片具有两个外部接口： 命令接口：用来访问c y 7 c 6 8 0 0 1 寄存器、e n d p o i n t 0 缓冲器及描述表； f i f o 数据接口：用来访问四个1 k 字节的f i f o 中的资源； 这两个外部接口均可以通过同步或者异步的方式进行访问。在s e e d d e c 2 81 2 模板中均采用异步的方式进行访问。 c y 7 c 6 8 0 0 1 芯片的数据传送原理框图如图2 - 6 所示，其中c p l d 为复杂可编程 逻辑电路，它主要用来给目标芯片分配地址空间，实现目标芯片与d s p 之间的逻辑 转换，本例中使用c p l d 可以提高对高容量的f l a s h 支持并提供其他外设的地址空 间。 华北电力大学硕士学位论文 在这里，c y 7 c 6 8 0 0 1 作为t m sf 2 8 1 2d s p 的外设，占用f 2 8 1 2 的z o n e0 空间， 地址为o x 0 0 2 0 0 0 0 x 0 0 2 0 0 4 。当c y 7 c 6 8 0 0 1 的地址线为1 0 0 b 时，选中命令接口。 通过c y 7 c 6 8 0 0 1 的命令接1 ：3 ，可以访问3 7 个寄存器、e n d p o i n t 0 缓冲器( 6 4 个字节 的f i f o ) 和描述表( 5 0 0 个字节的f i f o ) 等。对这些寄存器进行读写访问采用二次寻 址方式，即首先通过命令口将要寻址的寄存器子地址和操作类型( 读操作或写操作) 写入，然后再通过命令口将数据读出或者写入相应的寄存器。通过对各个寄存器的 设置便可实现不同的设计要求。 2 2 4 仿真调试器的j t a g 接口 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的仿真调试器通过与d s p 芯片上的7 个仿真引脚间实现通信， 这种方法就是j t a g 标准i e e e11 4 9 1 。它支持先进的扫描仿真器，其边界扫描仿真 技术消除了传统电路仿真存在的问题，如仿真电缆过长会引起信号的失真，仿真插 头会引起可靠性差的问题。 仿真器的硬件部分由并口电缆和一个仿真盒组成，并口电缆直接与p c 机并口 相连接，另外一端与仿真盒相连，仿真盒末端引出一个双列1 4 脚的仿真插头，用 于与d s p 通信，仿真头与d s p 各个引脚间连接关系如下图2 7 所示。 图2 7d s p 的j t a g 引脚与仿真器连接关系 2 】 r 2 】 c 2 】 仿真插头为双列1 4 引脚，其中的第六脚应该为空，作为定位引脚，e m u o ，e m u i 为仿真引脚，内置上拉电阻，以保证信号上升时间，v c c 与电源相连，用于检测 电源，指示电缆是否连接和系统是否加电，其它端与d s p 的对应端相连。 仿真调试器采用北京合众达公司的s e e d d e c 2 8 1 2 评估板，仿真器驱动程序为 f 2 8 1 2 x d s5 1 0 e m u l a t o r ，端1 ：3 地址0 x 2 4 0 ，编程环境为支持f 2 8 x 系列的c c s 2 0 0 0 ， 版本2 2 0 0 0 ，支持c c + + a s s e m b l y 编程语言。 在软件开发前期，采用f 2 8 1 2d e v i c es m u l a t o r 软件仿真环境，利用p c 模拟d s p c p u ，利用p c 机的内存模拟d s p 的存储器，这种方法不需要考虑存储器分配等问 1 1 惦一舛删t r t + 】，j】 2 2 2 2【trl 华北电力大学硕士学位论文 题，利于前期开发中集中精力解决算法逻辑。在软件开发后期，采用f 2 8 1 2x d s 5 1 0 e m u l a t o r 硬件仿真程序，让程序运行在d s p 芯片里，检验程序运行时的功能。同时 采用t i 公司自行开发的烧写软件c 2 0 0 0 2 0 0 s a t o t i f l a s h 2 x 和合众达公司对应 开发的库文件r t s 2 8 0 0f 1 0 4 0 8 3 0 1 i b ，这些文件安装后与c c s 2 2 集成，可以在线将已 经编译好的程序烧写进f 2 8 1 2 的指定f l a s h 空间中，使得f 2 8 1 2 可以脱离开发环 境从f l a s h 启动运行系统程序。c c s 2 0 开发环境与在线程序烧写器运行界面如下 图2 8 所示： 图2 - 8d s p 开发环境c c s 2 0 与f l a s h 烧写插件 2 2 5 存储器r a m 和f l a s h 的介绍 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内共有1 8 k x1 6 位单周期单次访问随机存储器s a r a m ，分成 m 0 、m 1 、l 0 、l 1 、h 0 一共5 个块，分别映射到不同的存储器空间。在s e e d d e c 2 8 12 模板上外扩了1 6 位的s r a m ，基本配置为6 4 k 1 6 位，最大可配置5 1 2 k 1 6 位， 单指令操作周期达1 2 n s ，同时功耗很小，能够满足大容量快速传输数据的需要。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内有1 2 8 k 1 6 位嵌入式f l a s h 存储器和1 k 1 6 位一次可编 程e p r o m 存储器，他们均受片上f l a s h 中的密码保护。 华北电力大学硕士学位论文 第三章固件程序开发与驱动程序应用 固件又称f i r m w a r e ，它是存储于设备中的e e p r o m ( 电可擦除可编程存储 非只读芯片) - 心- h - - 片中，可由用户通过特定的刷新程序进行升级的程序，通常负责控 制和协调集成电路的功能。在继电保护测试系统中，固件也就是下位机的控制程序， 要完成的任务为：根据上位机的用户设定值控制d a 输出，控制a d 转换的实现， 读取a d 转换的数据，软件计时，u s b 的初始化，u s b 接收和发送数据等等，下面 将分别介绍【1 0 儿1 1 1 。 驱动程序全称为“设备驱动程序”( d e v i c ed r i v e r ) ，是一种可以使计算机和设 备通信的特殊程序，相当于硬件设备的接口。在继电保护测试系统中，u s b 2 0 通信 模块负责满足上位机与下位机之间的数据传输和控制传输需求。在高级的支持上， w i n d o w s x p 操作系统一般提供u s b 设备的驱动程序，具有供应用程序调用存取设 备的函数。合众达公司提供有c y 7 c 6 8 0 0 1 芯片的驱动程序，开发程序时需要了解 它的内部结构，并正确的安装使用。 3 1 c c s 集中开发环境介绍“二 3 1 1 c c s 软件简介 为使用户快速开发d s p 的应用系统，t 1 公司推出了强大的集成开发环境一 c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ，其中包括了代码编写与调试分析、代码优化调整等。 c c s 具有实时、多任务、可视化的软件开发特点，使用c c s 提供的工具，开发者可 以非常方便地对d s p 软件进行设计、编码、编译、调试、跟踪和实时性分析。目前 完全支持t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 芯片功能的版本至少是c c s 2 2 0 0 8 。c o d ec o m p o s e rs t u d i o 由以下几个部分组成。 ( 1 ) d s p 代码产生工具( 包括c 编译器、汇编优化器、汇编器和链接器) 。c c s 不 仅支持高级语言c 编程、汇编语言编程，还支持高级语言c c + + 汇编语言混合模式 编程，降低了代码开发难度； ( 2 ) 软件模拟器( s i m u l a t o r ) 。模拟整个硬件的开发过程，使得系统的实现更加 可靠； ( 3 ) 实时基础软件。d s p b i o s 和主机目标机之间的实时数据交换软件r t d x ，它 们所提供的实时分析功能为目标系统提供了一个实时窗口，不仅可以直接实时显示 原始数据，还可以对原始数据进行处理在传统的主机调试器必须通过在应用程序中 插入断点，中断应用程序运行才能与目标系统交换数据。这种方法不仅麻烦，而且所 - 1 3 华北电力大学硕士学位论文 得到的数据只是应用程序在高速运行中的一个侧面，为故障诊断和系统性能评测等 带来了许多不便。利用r t d x 技术，就可以在不中断应用程序的前提下，完成主机与 目标机之间的实时数据交换，另外r t d x 完成主机与目标机数据交换所使用的是 d s p 内部的仿真逻辑和j t a g 接口，它不占用d s p 系统的总线、串口等i 0 资源，所 以，可以在应用程序背景下运行，对d s p 系统的影响很小【7 1 。 3 1 2c c s 软件的开发流程 基于c c s 的软件开发流程见图3 1 ，下面就流程中涉及到的工具做一个简单的 介绍。 汇编器( a s s e m b l e r ) ：汇编器将汇编语言的源程序文件汇编成机器语言的目标程 序文件，其格式为c o f f ( 公用目标文件格式) 。汇编语言源程序可以包括汇编语言指 令( i n s t r u c t i o n ) 、汇编指令( a s s e m b l e rd i r e c t i v e s ) 和宏指令( m a c o r d i r e c t i v e s ) 。汇编器的 输入文件为汇编源文件，其缺省的文件扩展名为“8 s m ”。由汇编器建立的目标文 件，其缺省扩展名为“o b j 。 链接器( l i n k e r ) ：基本任务是将目标文件连接在一起，产生可执行模块。链接器 可以接收的输入文件包括汇编器产生的c o f f 目标文件、命令文件和库文件、以及 以部分连接好的文件。输出为可执行的c o f f 目标模块，可由d s p 器件执行。 文档管理器：允许将一组文件归入一个文档文件( 库) 。也可用来将一组目标文件 收入一个目标文件库。 格式转换：汇编器和链接器产生的目标文件采用c o f f 文件格式是一种二进制 目标文件格式。但大多数的e p r o m 编程器并不接收c o f f 作为输入，因而，c o f f 格式文件必须转换为标准的a s c i i 十六进制格式文件。 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 1 基于c c s 的软件开发流程图 3 2 设备固件程序的开发 继电保护测试系统的下位机固件程序主要包括分为主程序、中断服务程序和请 求处理程序三部分。其中主程序部分是个无限循环，用来循环查询一些标志，如请 求处理命令、数据的读取命令等，一旦标志位有效就进入相应的子程序中进行处理。 中断服务程序用来处理c y 7 c 6 8 0 0 1 产生的硬件中断，例如s e t u p 信号等，根据中断 的不同，将不同的寄存器的标志位置位或清除【9 1 。 3 2 1 初始化程序的开发 d s p 评估板的系统初始化程序主要包括对d s p 自带资源的初始化，如i o 口， d s r m ，s r a m ，e v a ，e v b ，s c i ，a d c ，和看门狗程序等。合理的配置和初始化 这些寄存器是发挥这些资源最优性能的关键因素。而初始化的关键就是了解各位相 关寄存器各个位的含义并对其的设置。在工程应用中，这些模块在t i 公司的免费程 序中已经写好，用户只需根据工程开发需要稍加修改，加入自己的主程序，就可以 编写出自己的工程文件。本设计方案对u s b 设备和d a 设备改动较多，其他设备基