（电力系统及其自动化专业论文）通用微机继电保护实验装置的研制.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的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 成果尽我所知除了文中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，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 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。 研究生签名： 锄 时问：p 7年月t p l t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文同意中国农业大学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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名丢7 千 帆沪7 年钼朔 导师签名： 时间： i 。 年6 月屈日 中国农业大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 研制通用微机保护实验装置的意义 微机继电保护硬件的通用性和软件的可重构性【i 】使得在通用的硬件平台上可以实现多种性 能更加完善、功能更加复杂的继电保护原理一套微机保护往往采用了多种保护原理，可以方便 地实现一些常规保护难以实现的功能微机继电保护装置在电力系统中得到了大规模的应用因 此在电力系统继电保护人才培养方面，应大力加强微机保护硬件软件原理的学习但目前微机保 护实验装置尚不具备比较不同c p u 和不同算法特点的功能。妨碍了更好的掌握、理解微机保护 的原理，特点和发展趋势因而研制一种可应用多种c p u 、实现多种保护功能、体现当今继电保 护最新技术发展的微机保护硬件实验教学装置成为一个迫切问题 1 2 微机继电保护实验装置开发与应用现状 目前国内外的微机继电保护实验装置不是很多。有些产品的速度不够快，功能不够全面，有 些产品的规模过大，价格昂贵不够灵活下面简单介绍一下国内外的几种微机继电保护实验装 置的情况： ( 1 ) 山东工业大学电力学院，研制了一种微机保护实验系统田实验系统由p c 机、m c 8 - 9 6 系列开发系统和微机保护实验装置三部分构成介绍了微机保护的基本构成，该系统可用于微机 保护实验教学的三段方向过电流保护和距离保护实验。装置可以通过p c 机系统汇编程序，下载 到开发系统，仅限于三段方向过电流保护和距离保护实验，实验不够全面，不能充分利用p c 机 及硬件系统的资源 ( 2 ) 吉林电气化高等专科学校自控系，研制了微机继电保护实验装置口1 微机继电保护采用 8 0 c 1 9 6 - k b 芯片作为核心控制部件，可同时实现三相线路的电流速断保护，反时限过流保护，过 负荷报警，自动重合闸，断路器故障预警，断相指示，正常工作时三相电流大小显示等功能各 种保护动作电流值可通过键盘进行整定该实验装置仅能进行电流保护的各种实验，无法进行其 它方式的保护，采用的8 0 c 1 9 6 - k b 芯片难以满足大量的数据运箅，而且缺少上位机的支持，只 能进行简单的实验验证，无法满足各种实验的要求。 ( 3 ) 华中理工大学电力自动化研究所，开发的系列产品有微机线路保护屏，微机变压器保 护教学实验台、电力系统综合自动化教学实验系统。每种装置都且有自己的特点和实验范围，不 能完成综合的实验 ( 4 ) 上海交通大学电气工程系，开发了开放式微机保护试验平台川介绍了开放式微机保护 试验平台的方案及构成。该平台系统包括基于数据库的电力系统图形界面管理，短路电流计算和 保护定值计算，上位机与保护单元的通讯及整定值修改，e m t p 暂态仿真，以及d a 转换等模块 该系统综合展示了电力系统继电保护的工作原理及过程：包括系统网图，故障点位置设定，短路 电流计算，保护的整定值的设定和修改，保护的动作情况本试验平台实现了对实际电力系统中 微机保护的整个过程的演示，模拟和仿真本系统只是基于图形界面的微机保护实验平台，即只 是停留软件层面上的仿真，不能像硬件一样生动形象的模拟继电保护过程 中国农业大学硕士学位论文 绪论 ( 5 ) 加拿大s a s k a t c h c w a a 大学，用于教学和科研的电力系统微机保护实验室嘲实验室里 的设备可分为4 类，即设计设备，开发设备，执行设备及测试设备 使用实验室设备可完成输电线路保护、算法与分析、变压器保护、发电机保护、频率继电器、 故障定位和自适应继电器 功能涵盖了继电保护的所有领域，但实验室规模庞大，它有3 个工作站和1 4 台p c 机每个 工作站通过以太网与大学计算机连接每台徽机都配有一个或多个高速数字信号处理( d s p ) 板， 用c 语言编写程序并将其交叉编译为d s p 板中汇编语言的设备d s p 扳执行的每个继电器功能 输出到端口，用于断路器跳闸基于本实验装置的庞大结构，对于一般的高校教学来讲难以承受 ( 6 ) 中国农业大学信息与电气工程学院，研制了一种新型微机继电保护实验装置嘲，该装 置以m o t o r o l a 的1 6 位h a s h 型m c u 为核心，功能完备，并配以适当的外围电路来完成各项功能 主要包括：中央处理单元、数据采集单元( 模拟量和数字量) 、通信单元( r s - 2 3 2 和u s b 通信) 人机接口( 键盘与显示) 单元，时钟单元、模拟量和开关量输出单元该装置基本能实现继电保 护教学涉及的各种保护原理，能方便进行各种继电保护原理实验和不同算法的比较在装置的硬 件上，由于数字板上整和中央处理单元，虽然节约了成本，增强了系统的稳定性，但仅限于用一 种单片机进行实验，不具备比较不同总线宽度c p u 优劣的功能，无法体现当今继电保护最新技 术发展趋势 通过以上介绍可以看出，在目前的微机保护实验装置中，包括中国农业大学信息与电气工程 学院研制的一种新型微机继电保护实验装置，都不具备比较不同总线宽度c p u 优劣的功能，无 法体现当今继电保护最新技术发展趋势本装置针对微机保护实验装置中的此项空白，设计了一 种通用微机继电保护实验装置本装置的开发成功将进一步推进高校电力系统继电保护的教学水 平，尤其是实验教学水平，真正能让学生针对各种保护原理进行创造性的实验，便于他们正确掌 握各种保护原理，而且可以比较不同总线宽度单片机及d s p 的优劣，了解当今微机保护最新技术 发展趋势1 7 i 同时培养了他们的创新精神，也让他们的技能更好的适应日后工作的实际需要 1 3 本课题的任务和目的 本课题的任务是借鉴国内外研制同类装置( 包括实用装置) 的经验，特别针对由中国农业大 学信息与电气工程学院研制的一种新型微机继电保护实验装置，对数字屯路进行优化，完善了模 块化的系统设计，并对中央处理单元进行大胆改进通过设计统一的接口电路以及电平转换芯片 的应用，使本装置可以采用8 位、1 6 位单片机和1 6 位d s p 芯片进行微机保护实验由于本装置 独创性的硬件设计，很好的解决了同类装置的缺点和不足，在功能上，可完成电流保护、阻抗保 护和差动保护等微机保护【”实验内容，满足微机保护实验要求在教学实验上，采用模块化的硬 件设计，使实验者可以直观的了解微机保护各个功能模块的动作过程，比较不同算法的优劣，通 过采用8 位、1 6 位单片机和1 6 位d s p 芯片分别进行微机保护实验，实验者可以认识到数据总线 宽度不同单片机的优劣以及d s p 芯片的特点。并从中感受到中央处理芯片对微机继电保护的发展 趋势的推动作用以上三种芯片都提供了基于c 语言的开发工具，使不太熟悉本装置的实验者， 可以尽快上手，并开发自己的应用程序它不仅可以供学生理解继电保护原理使用，还可以用作 继电保护科研调试的实验平台 2 中国农业大学硕士学位论文系统总体电路设计与分析 第二章系统总体电路设计与分析 2 1 硬件电路的改进与总体设计 本装置的硬件部分，是在中国农业大学信息与电气工程学院研制的一种新型微机继电保护实 验装置的基础上，对致字电路进行优化、改进和完善而设计的一种新型微机继电保护实验装置 的硬件设计给本装置在总体电路设计主要芯片的选择等诸多方面提供了参考和借鉴可以说本 装置是在一种新型微机继电保护实验装置基础上的继承和发展对一种新型微机继电保护实验装 置的硬件设计、主要芯片的选片原则和外围电路的连接方式加以介绍和分析有助于理解本装置 的总体硬件设计原则，加深对几项改进的认识 2 1 1 一种新型微机缝电保护实验装置硬件简介及分析 硬件电路总体设计 一种新型微机继电保护实验装置硬件核心采用美国m o t o r o l a 公司m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 芯片 作为微控制器嗍，并配以适当的外围电路来完成各项功能系统的硬件结构主要包括：中央处理 单元、数据采集单元( 模拟量和数字量) ，通信单元( r s - 2 3 2 和u s b 通信) 、人机接口( 键盘与 显示) 单元、时钟单元，模拟量和开关量输出单元。各部分如图2 1 所示 圉2 硬件电路总体结构围 一种新型微机继电保护实验装置的硬件功能齐备，微机保护的各功能都有专门的硬件来实 现，数据采集单元采集故障时的电压，电流模拟量中央处理模块计算、处理数据并发出控制信 号，输出单元输出开出量驱动继电器动作人机接口( 键盘与显示单元) 完成参数的选择和设置 的可视化界面，方便地完成系统设置时钟单元可以显示时间以及记录系统中各种运行状态的发 生时间通信单元可直接与各类计算机通信，构成一个微机继电保护的实验开发平台，方便的实 施各种保护实验一种新型微机继电保护实验装置的硬件设计为本装置硬件进一步模块化设计以 及接口电路设计提供了参考和模板 徽控制芯片简介 一种新型微机继电保护实验装置的微控制器m c 矾h c 9 1 2 d g l 2 8 a 芯片i 嘲的突出特点为t 中央处理器c p u l 2 是m c 6 8 h c l 2 的中央处理器，为1 6 位c p u ，其指令系统在源码级与 6 8 h c i i 兼容 3 中国农业大学硕士学位论文 系统总体电路设计与分析 存储器 ( 1 ) 1 2 8 k b f l a s h 存储器： ( 2 ) 8 k b r a m ； ( 3 ) 2 k be e p r o m 多元化总线可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展存储空间和增加i o 芯片，工作 在扩展方式地址总线1 6 位数据线1 6 位或3 位，地址和数据总线占用3 个或4 个8 位i ( 3 并 行口在单片方式下这3 2 位可做普通i o 口用 两个8 路l o 位a d 转换器 控制器局域网模块( c a n ) 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 内部有两个c a n 模块，每个c a n 具有2 个接收缓冲区和3 个发送缓冲区每个c a n 有r x 、 i x 、出错、唤醒四个独立的中断通道c a n 模块具有自检功能，有低通滤波唤醒功能 增强型捕捉定时器 ( 1 ) 1 6 位主计数器，7 位分频系数； ( 2 ) 8 个输入捕捉通道或输出比较通道，其中四个输入捕捉通道带有缓存； ( 3 ) 4 个8 位或2 个1 6 位脉宽计数器； ( 4 ) 每个信号滤波器有4 个用户可选择的延迟计数器： 脉宽调制模块( p w m ) 可设置成4 路8 位或者2 路1 6 位，逻辑时钟选择频率宽 串行接口 ( 1 ) 两个异步串行通信接口( s c i ) 模块； ( 2 ) 一个1 2 c 总线接口； ( 3 ) 一个同步串行外设接口s p i 开发支持 ( 1 ) 支持单线背景调试模式( b d m ) ； ( 2 ) 支持高级语言编程 由以上描述可以知道，m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 是一款性能优异、开发调试方便的单片机。它 的单线背景调试模式( b d m ) 和1 2 8 k b 片内f l a s h 特别适合做实验时的反复调试和更改算法通 过对m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 芯片特点的分析，确定了本装置中央处理模块微控制器芯片的选择方 向 外围电路的设计 m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 的工作方式非常灵活i l “，可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展 存储空间和增加i o 芯片，工作在扩展方式地址总线1 6 位，数据线1 6 位或8 位地址和数据 总线占用3 个或4 个8 位i o 并行口，在单片方式下这3 2 位可做普通i o 口用这样，m c u 与 外围电路的连接方式也可以有两种选择：( 1 ) 采用总线扩展方式；( 2 ) 采用i o 口模拟总线方式 一种新型微机继电保护实验装置中采用i o 口模拟总线的接线方式，虽然增加了软件的开销。 但是。接线灵活，可以适应各种时序的操作而且由于系统总线不出m c u ，这样即使外围电路 因干扰( 如电磁干扰) 而出现错误也不至于影响m c u 内部的工作就是说，因外部干扰而使 m c u 出错的概率降低了这对于在电力系统中应用的装置尤为可贵 鉴于一种新型微机继电保护实验装置的外围电路设计考虑到本装置要应用8 位1 6 位单片 4 中国农业大学硬士学位论文 系统总体电路设计与分析 机和1 6 位d s p 芯片三种芯片进行实验，为了提高系统硬件的兼容性灵活性和稳定性，本装置 主要采用i o 口模拟总线的接线方式 2 1 2 本装置需解决的问题和难点 根据对一种新型微机继电保护实验装置硬件的特点分析，改进硬件使其在具备现有功能的前 提下实现硬件模块化设计，同时采用s 位、1 6 位单片机和1 6 位d s p 芯片进行试验。体现微机 继电保护核一i i , 芯片的发展趋势需要对一种新型微机继电保护实验装置硬件部分进行深入的研 究，包括各个功能电路的原理和相互联系，作到合理有效，最大程度的利用现有系统资源还对 要目前市场上的各种主流芯片作详细的调查分析，选择性能最优，成本最低。最具有代表性的芯 片使整套实验装置不仅可以满足实验的要求，而且有具有指导实践的意义使实验者在实验的 同时加深对实际硬件的认识，培养自己独立动手的能力和创新精神基于以上分析，本装置需解 决的闯题和难点有： ( 1 ) 中央处理模块芯片的选择【。中央处理模块完成数值的采集、保护逻辑判断、保护故 障巡检、开关量输入与输出及人机接口的串行通信等任务，是整个微机保护实验装置的。神经中 枢一中央处理芯片( c p u ) 则是该。神经中枢。的。大脑。为保证完成继电保护实验要求，所 选择的三种中央处理芯片( c p u ) 需要在存储空间、串口通讯，总线频率、f o 口、开发环境等 几项重要指标同时满足而且要体现微机继电保护核心芯片的发展趋势，使实验者在实验过程中 可以比较不同总线宽度单片机和d s p 的优劣在硬件的设计上要考虑到时序、电平匹配和系统的 稳定性在软件的编程中要考虑到程序的可移植性 ( 2 ) 硬件接n 的建立【i ”本装置的硬件是对一种新型微机继电保护实验装置硬件部分的继 承和发展，装置沿用了一种新型微机继电保护实验装置的设计理念，保留了外围电路功能完备， 整机结构易于拆卸，调试简单灵活等特点。增加了8 位单片机和主频更快的d s p 芯片。这就在硬 件设计特别是外围电路与c p u 的接口电路提出了较更高的要求，在满足各模块之间的数据信 号和控制信号的稳定传输的前提下，尽量简化接口对数字板芯片合理布局，规范布线，控制装 置的体积，方便实验者操作接口的设计是否合理直接关系到整个装置的整体性能，影响实验者 的实验效果 ( 3 ) c p u 芯片与外围电路的连接【l q 三种芯片的总线宽度不同，基本结构及编址方式不同， 其中d s p 芯片哈佛结构，程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，存储器独立编址， 独立访问而单片机为统一编址，外围电路芯片的时序又各不相同，所以本装置在此问题上既要 满足硬件的稳定，抗干扰，便于调试和使用，又要考虑到软件的开销，避免因为大量的模拟时序 而使软件过于庞大 ( 4 ) 电平匹配模块芯片的选择【l ”。由于采用8 位、1 6 位单片机和1 6 位d s p 芯片进行试验， 以及硬件的模块化设计，不可避免的要使用到不同电平的电子芯片在本装置中的数字电子部分 共有3 3 v 、5 v 的t r l 电平和5 v 的c m o s 电平三种不同电平，在与中央处理芯片连接时就必须 要考虑电平匹配闯题，大部分外围芯片与中央处理芯片的数据传输是双向的，所以在选择电平转 换芯片时要兼顾到转换方向的问题微机继电保护对速度的要求较高，本装置选用的中央处理芯 片( c p u ) 的总线频率都比较高，所以要选择转换延时较小的电平转换芯片 5 中国农业大学硕士学位论文系统总体电路设计与分析 2 1 3 硬件电路的总体设计 实验所需要的故障电压电流信号来自继电保护测试仪或物理实验系统，信号进入数据采集模 块，经电平匹配模块后，由中央处理模块进行处理如果满足动作条件，中央处理模块将发出动 作信号并驱动保护按既定逻辑动作，同时通过串口与实验微机操作平台( 即上位机) 通讯，最后 由上位机综合所有信息，并对信号和动作行为傲进一步离线分析 本装置搭建了一个微机保护实验的硬件平刽“中央处理模块电路板，包括单片机或d s p 芯片，外扩存储器模块、电平匹配模块、复位电路、降压稳压芯片t p s 7 3 3 3 q 、f r a g 口中央处 理模块和电平匹配模块以外的数字电路和模拟电路分别设计在两块电路板上数字电路板和模拟 电路板为+ 5 v ，士1 2 v 供电，可以减少相互的干扰，使实验达到最佳效果本装置大多采用的直 插型芯片和便于更换的接线端子。便于设备的维护装置设有多个测试点，可用万用表和示波器 对实验过程中的各个量进行测量 中央处理模块电路板整合了电平匹配模块通过统一的硬件接口与数字电路板连接，数字电路 板与模拟电路板通过数据线相连接硬件电路总体结构如图2 2 所示 电源模块 嵌入式 中央处理模块 数据采集模块l c ( 最大速度可达1 0 0k b ) 和2 路1 2 位d a c ( 4 ) 功耗低，供电电压为2 7 3 3v ，典型工作电流为1 2 m a ，并具有多种节电休眠和停机 模式，全部f o ，r s t ，y f a g 引脚均允许5v 电压输入 7 中国农业大学硕士学位论文系统总体电路设计与分析 ( 5 ) 片内j t a g 调试支持功能；允许使用安装在最终应用系统上的m c u 进行非侵入式( 不 占用片内资源) 、全速、在线系统调试该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点， 单步、运行和停机命令在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的上诉特点能够较好地实现微机继电保护的性能，适合计算量较大的各种算法 6 4 k b 片内f l a s h 特别适合傲实验时的反复调试和更改算法。它的内部框图如图2 3 所示 2 2 3c 8 0 5 1 f 0 2 0 最小系统 图2 3c 8 0 5 1 f 0 2 0 内部框图 c 8 0 5 1 f 0 2 0 最小系统1 2 l 】电路包括：c 8 0 5 1 f 0 2 0 芯片；外部复位电路；晶体振荡电路；存储器 扩展电路；电源 外部复位电路采用阻容充放电式复位电路如图2 a 所示。 r e s e t 围乏4c 8 0 6 1 f 0 2 0 量小系统外部复位电路 8 ；|；： 一 是譬l l i l l 中田农业大学硕士学位论文 系统总体电路设计与分析 i 皇曼量曼量皇量曼置量量量皇量皇置皇置置曼量曼曼曼皇曼舅| 曼曼_ 晶振电路的外部振荡源为1 0 m 有源晶振 本系统外扩存储器为i s 6 1 c 1 5 2 ，i s 6 i c l 5 2 为“k 高速静态r a m 本系统为”3 v 系统，但许多外围器件如m a x l 9 7 、d s l 2 8 8 7 等均为+ 5 v 供电，因此为了使 系统电源更加简洁，设计了一个电压转换电路+ 5 v 经过滤波整流电路输入到t p s 7 3 3 3 q 网 t p s 7 3 3 3 q 用于将5 v 输入电压调整为稳定的3 3 v 输出该芯片内部带有精密电压监控电路，用 于监控输出引脚的电压当输出引脚电压发生跳变时，该监控电路自动在r e s e t 引脚输出时间 为2 0 0 m s 的低电平复位信号，使m c u 产生低压自动复位保护电源部分电路如图2 5 所示 c c + 5 图25c 8 0 6 1 f 0 2 0 量小系统电源电路 c 8 0 5 1 f 0 2 0 最小系统结构原理图如图2 6 所示 c 5 l f o 加 i s 6 l c l 5 2 晨o a c t ，a ! _ a 睁1 5 以 ha 0 - 1 5 1 l l 一 x r 札l n ( i 删 r li 卜 d 睁7 l x t a l 2 d 0 - 7 l c l k o u t i t e s e l 、 i 位信号i _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 j t a gi t m s i t d llw k -1 棵 t d 0 i r u ,o e 、 t c k i a 1 6c e 、 - - - - - - - - j 图z6c 8 0 6 1 f 0 2 0 最小系统结构原理图 2 3m c 6 8 h c 9 12 d g l2 8 a 最小系统 m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 最小系统电路包括：m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 芯片；外部复位电路；晶体 振荡电路：存储器扩展电路；电源 对于片内带有e 2 p r o m 的m c u ，且e 2 p r o m 中的值在系统断电和加电瞬间要求不丢失的应 用中，必须使用低电压检测器件控制复位端本装置使用的m c u 正是这种类型，所以外部复位 电路采用了有电源低压检测功能的m c 3 4 0 6 4 和m c 3 4 1 6 4 集成电路，如图2 7 所示 9 中国农业大学硕士学位论文 系统总体电路设计与分析 圈27w 1 猫1 2 8 a 量小系统复位电路 m c 3 4 0 6 4 用于上电复位，m c m l 6 4 用于手动复位这两个器件外观如同一只小的三极管， 功能是当电源电压低于4 5 v 时，复位端输出低电平系统加电时，保证电源在达到额定电压以 后再释放m c u 复位端当系统断电时，一检测到系统电压下降就尽快让m c u 复位这就是外 部上电复位电路的作用 手动复位电路，其作用在是手动复位按键按下时，在复位端给出一个整齐的跳变，保证复位 电路的可靠性 晶振电路的外部振荡源为1 6 m 有源晶振 本系统外扩存储器为3 2 k br a m6 2 2 5 6 m c 6 8 h c g l 2 d g l 2 8 a 最小系统电源为+ 5 v 供电 m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 最小系统结构原理图如图2 8 所示 m c 醯h c 9 1 2 d g l 2 8 a 6 控5 6 陉 p b i 0 - t _ ： a 1 0 - 7 1 x t a l l 甩k i n 、r x t a l 2 e l i 0 - 6 ， a 1 8 - 1 4 1 、r 圈= c l k o u t 八 d f o - l 习 r e s e t 、p h 0 - 7 1 呲 w r p a lo e 、 b k g d p a 0c e 、 图2 8m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 最小系统结构原理图 2 41 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 及其最小系统 2 4 1 1 6 位d s p 的选择 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片随着c m o s 技术的 进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高， 成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。年代后期。第三代d s p 芯片问世，运算速度进一 步提高，其应用于范围逐步扩大到通信，计算机领域9 0 年代d s p 发展最快。相继出现了第四 代和第五代d s p 器件现在的d s p 属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将d s p 1 0 中国农业大学硕士学位论文系统总体电路设计与分析 芯核及外围组件综合集成在单一芯片上这种集成度极高的d s p 芯片不仅在通信、计算机领域大 显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域，前景十分可观瞄】数字信号处理是利用计算机或专 用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得 到符合人们需要的信号形式d s p 器件就是为了满足数字信号处理而制造的一类专用微处理器， 一般具有以下几个特点： 一 l 。指令周期短，在单指令周期内完成乘加运算 2 、高速的运算能力 3 、一般采用哈佛结构和流水线技术 4 、芯片具有满足数字信号算法特殊要求的功能 5 、支持并行处理指令 6 、 哈佛结构，程序空间和数据空间分开，可同时取指令和操作数 7 、流水线结构。能保证数字信号处理中用的最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完 成 8 、硬件配置强，一般具有多通道高速缓冲串口m c b s p 、并行主机接口h p i 、d m a 控制器、 软件可编程等待状态发生器、镇相环p l l 时钟发生器，以及实现在线仿真的测试口 目前在微机继电保护领域，速度更快、功能更强的d s p 芯片已经逐渐取代m c u ，占据了中 央处理芯片( c p u ) 的主导地位，未来继电保护技术的趋势是向计算机化，网络化，智能化，保 护、控制、测量和数据通信一体化发展随着微机继电保护的不断发展，d s p 运算速度快，控制 能力强的特点将得到更大的发挥，在微机继电保护领域有广阔的用武之地 由此可见，d s p 芯片代表了微机继电保护中央处理芯片( c p u ) 的发展趋势在这种大的背 景下，本装置采用1 6 位d s p 芯片作为中央处理芯片( c t u ) ，给实验者一个接近真实微机保护的 实验环境，对从事微机继电保护工作具有指导实践的意义 目前市场上主流的1 6 位d s p 芯片有：a d i 公司生产的a d s p - 2 1 x x 系列产品；m o t o r o l a 公司生产的5 6 8 x x 系列产品：1 1 公司产生产的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 3 0 0 0 c 5 0 0 0 c 6 0 0 0 系列产品。代 表产品的主要技术参数如表2 2 所示 表2 2 主流的d 辨主要片内资薄 存储器 最大 外部加 型号 i ，o 频率 串行接口公司 r a mr o m 中断转换 ( m 坤s ) ( k b )( k b ) 4 04 0 a d s p 2 1 8 5 8 6无3 3 3 s c ia d i f l a s hf l a s h 6 41 2 两ts c i ，s p i 5 6 f 8 2 7 5 4 554 0m o t o r o l a f l a s hl o c h，s s i 6 4 l o b 证 s c i ，s p i t m s 3 2 毗4 0 7 a54 l53 0 t i f l a s h1 6 c h | c k 幔 中国农业大学硕士学位论文系统总体电路设计与分析 如表2 2 所示，a d i 公司生产a d s p 2 1 8 5 芯片，运算速度快、存储器容量大，特别是数据存 储器，该系统具有很高的数据吞吐量，适合在图像处理中运算大量的数据但i o 口资源不丰富， 作为微机保护实验装置的中央处理芯片( c p u ) ，在控制能力方面略显不足m o t o r o l a 公司生 产的5 6 f 8 2 7 芯片与1 1 公司生产的1 m s 3 2 咀f 2 4 0 7 a 在各项重要的技术指标上都十分接近，也都 满足本实验装置中央处理芯片( c p u ) 的条件，考虑到开发成本等因素本装置采用1 r i 公司生产 的t m s 3 2 0 u 鎏研a 作为中央处理芯片( c p u ) 2 4 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是1 r i 公司开发的一款为满足控制应用而设计的1 6 位定点d s p 芯片鲫，与 其它型号的d s p 相比，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 特别适台于数字控制其主要特点和内部资源包括： ( i ) 采用高性能静态c m o s 技术。使得供电电压降低为3 3 v ，减小了控制器的功耗；指令 执行速度高达4 0m i p s ，从而提高了实时控制能力 ( 2 ) 片内有3 2 k 字的f l a s h 程序存储器；5 4 4 字双端口r a m ( d r a m ) ；2 k 字的单端口r a m ( s r a m ) ( 3 ) s c i s p l 引导r o m 。 ( 4 ) 有两个事件管理器摸块每个事件管理器包括两个1 6 位的通用定时器；8 个1 6 位的脉 宽调制( p w m ) 通道；防止击穿故障的可编程p w m 死区控制；对外部事件进行定时捕获的3 个 捕获单元；片内光电编码器接口电路 ( 5 ) 带有存储区扩展接口( e m i ) ，总共可扩展1 9 2 k 的外部存储空间，分别为6 4 k 字的程序 存储空间、6 4 k 字的数据存储空间和6 4 k 字的i o 空闻 ( 6 ) 可扩展的看门狗定时器模块 ( 7 ) 1 6 通道l o 位的a d c 转换器 ( 8 ) 串行通信接口( s c i ) 模块 ( 9 ) 1 6 位串行外部设备接口( s p i ) 模块 ( 1 0 ) 4 1 个可单独编程或复用的输入输出引脚 ( 1 1 ) 5 个外部中断( 两个驱动保护，两个可屏蔽中断和一个复位) ( 1 2 ) 基于锁相环( p l l ) 的时钟发生器。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的上诉特点能够很好地实现微机继电保护的性能，适合计算量较大的各种算 法它的内部框图瞄1 如图2 9 所示。 中国农业大学硕士学位论文 系统总体电路设计与分析 一一一”m + 。 搿喇螂鹕蹲 ，瓢触。i m 2 硐b i 由。 。”i 百暖o p c l a 摭v 燃 v c c a p 日o o w 。e 糍瑚， v v d 0 q3v 1 ( t w k f a 融，。、 m g * m e e , m 神 v s s a l i 糟 v h 日 筻黼 0 口d 0 0 ，瑚 | j 。、il ”，一黝1 、h a , 0 d k 帅嘲、 i 瓣l 曩q ，c 7 j 气每龟气、。、气4 。一 ? 急蕊心s s 、j x i c n x ，氆 v c # 鳓 蓉嘏釜 卜一、洲“、7i a o 搿d p c 7 嫩汶秣圣圣妓蚤 l 一，；啪一。ir 捌哪幻啡习 d - a 1 5l ，s 一篇鬣i p 口t a 呐蝴p c 旺刀 氏n d 西l o 嘲 0 i 可始噶l恕t e , - 7 鼢啡刁 jp f 啪d 唧蕊 e 匮露 ，“矗i m m , f a 蕾k r 坍 两 g m * 仨 | 蔑麟 蕊蕊黼 啊豫 _ ”r f 。 p e , j c g c ；f f 譬 c p 船g ， b o f o u ? “嘲4 “w u , a “l w r “b3 月哺精m ，毪 c p 2 0 9 毪0 雕 o p “m 钥o 州 p “已k 精v g 阳目 掣瑚v 3 x c _ 哪i 目确目月a 唔， p h 钠。啦 。瓣 p w m o 嘲 t * v * r 勺a # 碣镬莘2 1 1 m 隅n a d a 珞l i 蠛：莓荽r u 甫x 撼h 叼嘲 e p 喇t 2 0 幛a 均5 t b m ，攒 1 a j 甜瞄a g 辫 围2 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部框图 2 4 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最小系统 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最小系统跚电路包括：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片；外部复位电路；晶体振荡 电路；存储器扩展电路；电源。 相对租容复位电路，监控器产生的复位脉冲可以在电源出现瞬时跌落或有干扰的情况下产生 所需的复位脉冲，本系统采用了监控器芯片m a x s 0 9 作为复位芯片电路连接如图2 1 0 所示 中国农业大学硕士学位论文 系统总体电路设计与分析 g n d 豳21 0t i s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 鼍小系统手动复位电路 晶体振荡器采用1 0 m 有源晶体振荡器，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的时钟有两种输入方式，箕一是在 引脚x t a l i c l k i n 和x t a l 2 之间连接个晶体和两个电容的并联电路，利用d s p 内部的振荡 电路组成并联谐振电路，产生与外加晶体同频率的时钟信号；其二是采用将晶体振荡器的时钟直 接输入x t a l i c l k i n 引脚，x t a l 2 悬空在本系统设计中采用第二种方法，如图2 1 l 所示， 采用电压起振的晶体 u 1 5 日? t m $ 3 2 0 l f 2 彩搿 鹾 c l l = 】咐p l l i c l k o u r p l l 2 图2 1 lt t l s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 小系统井部时钟 外扩存储器选用c y p r e s s 公司的静态r a m 芯片c y 7 c 1 0 2 1 2 7 1 m s 3 2 0 u 鬯4 0 7 a 具有1 6 位地址线，可以访问4 个独立的地址空间，总计1 9 2 k 字的地址范围，其可寻址空间包括： 程序存储器( 6 4 k ) ：存放指令机器码、数据表格及在执行程序时要使用的数据； 局部数据存储器( 3 2 k ) ：保存指令使用的数据； 全局数据存储器( 3 2 k ) ：用作附加的数据空间，存放与其他处理器共享的数据； 输入输出( 1 o ) 空间( 6 4 k ) - 用于和外设接口，并包含片内外围设备的寄存器 存储器的存储时间和容量直接控制系统的操控性能，d s p 可以将s r a m 用作数据存储器， 也可以将它作为程序存储器为了充分利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的寻址能力，提高系统对于大运算 量实时控制的适应能力，在设计最小系统时对其数据存储器和程序存储器进行了扩展 1 m s 3 2 0 i 屁4 0 7 a 的单周期指令的执行时间最小约为2 5 n s ( 系统时钟频率为4 0 m h z ) ，为了 不影响系统访问外部存储器的速度，必须选用高速存取的s r a m 芯片，以使系统工作于全速运行 方式( 即零等待状态) 因为读操作比写操作快，因此选择s r a m 芯片时以读操作参数为准，要 1 4 中国农业大学硕士学位论文 系统总体电路设计与分析 求s r a m 的存取时问应能满足零等待的要求 正是根据以上的要求我们选用了c y 7 c 1 0 2 1 作为片外程序存储器和数据存储器的扩展，其最 小存取时间为1 2 n s ，满足零等待要求c y 7 c 1 0 2 1 存储容量为6 4 k 字，每个存储单元的长度与 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的存储位数相同；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内含有3 2 k 字f l a s h ，2 5 k 的r a m ， 5 4 4 字的d a r a m 和2 k 字的s a r a m 。程序存储器和数据存储器各占用了3 2 k 的寻址空间；在 对t m s 3 2 0 l f 2 4 ( y t a 进行片外存储器嗍扩展时，需要考虑程序和数据存储器的需要s 数据存储器：直接在数据存储器的高8 位地址上扩展3 2 k 存储空问，以满足d s p 运行中控 制变量的空间需求 程序存储器：d s p 程序空问使用的是f l a s h ( 快闲存储器) ，只能对其烧写后验证程序，且 不能实现在线调试为了方便调试，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 a 提供专用引脚m p m c ，通过将该引脚拉低， 可以实现用片外的数据存储器代替f i a s h ；此时程序被在线下载到数据存储器中，可随时对程 序进行修改和调试 我们使用c y 7 c 1 0 2 1 对1 m s 3 2 0 i 脱4 0 7 a 进行扩展，根据前面所述将6 4 k 字的c y 7 c 1 0 2 1 分成两个部分，如图2 1 2 所示分别甩于替换3 2 k 字的程序存储器和扩展3 2 k 字的数据存储器 我们使用7 4 f 0 8 来实现对外扩数据和程序存储器的选通 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ac y 7 c 1 0 2 1 d l o q 5 】 k d 0 - 1 5 r a 【o 1 5 】 1“ a 0 - 1 5 1 、jy r 璜o 戡c e 、 弧w e 、 p s 、 7 4 f 0 8 d s 、 图z ，2 存储器扩展接口原理 扩展功能的选通逻辑通过程序空间选通引脚p s 、数据空间选通引脚d s 、来实现，简单对二 者相与作为c y 7 c 1 0 2 1 的片选就可以实现上述功能。通过该逻辑选通可以分配c y 7 c 1 0 2 1 的存储 空间为两部分：程序存储空间( 0 0 0 0 h t f f f h ) ，数据存储空间( 8 0 ( o - - f f f f h ) 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最小系统结构原理图如图2 1 3 所示 中国农业大学硕士学位论文 系统总体电路设计与分析 i l l 曼量皇曼量曼奠曼量量量量| 蔓皇量量| 一 铲 、 n 啪r m m 日- m y 1 面i 睁1 5 】 刮e 小 a 0 - i 爿 o r l 叫 c l t y s t a l i j j f 、a - nd 睁1 5 1 x t a l 2 o o - t 5 lw 啊：丽n c u ( 0 l ，r 1 位信9： _ w b -0 b 翻) 抓p 吼 l c b ! 曼， w b 删 尚 d t m p m c l m e 黼y a a 睁嘲 j 1 们 ， e m u o j a 0 - 1 5 1 w e m u l i 墨l _ w n 1 m s 0 b 。r d i d s c b t d 0 1 。1 l 【 i s 、 圈z1 3t i i s 3 2 0 1 f 2 4 0 7 a 量小系统结构原理圈 2 5 外围电路的设计 2 5 1c p u 与外围电路的连接方式 c 8 0 5 1 f 0 2 0 、m 【 o r o l a l 6 位单片机m c 6 8 h c 9 1 2 d t l 2 8 和t i l 6 位d s p 芯片 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 r 7 a 三种芯片的工作方式都非常灵活。可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展 存储空间和增加i o 芯片，工作在扩展方式芯片与外围电路的连接方式也可以有两种选择：( 1 ) 采用总线扩展方式；( 2 ) 采用i o 口模拟总线方式本装置根据以上特点，结合外围电路芯片的 具体情况确定的中央处理模块芯片与外围电路芯片的连接方式具体连接情况详见相应图表 表2 - 3c 8 0 5 1 f 0 2 0 与外围笛片的接口信号描述 信号 管脚号管脚数信号功能连接芯片 8 8 、8 7 、8 6 、8 5 、 8 4 、8 3 、8 2 、8 l ， a 1 4 ：0 】 1 5i o 模拟地址线6 1 【2 5 6 地址口 8 0 、7 9 、7 8 、7 7 、 7 6 、7 5 、7 4 、7 3 【a x l 9 7 、p d r u s b d l 2 ， 7 2 、7 l 、7 0 、6 9 、 d s l 2 8 8 7 、7 4 l s 2 4 5 、 d b 8 ：o 】 8 i o 模拟数据线 g a l l 6 v 8 、液晶模块数据 6 8 ，6 7 、6 6 、6 5 线( 经洲砌t d 3 3 8 4 转 换) 6 l l 、，2 5 6 s 数据线 c l 7 9 1 l 控制信号线p d i u s b d l 2 片选信号 7 4 l s l 3 8 ( 译码后作为 h 【a x l 9 7 d s l 2 8 8 7 、 c l 6 ：3 】 9 6 9 5 、9 4 、9 3 3 控制信号线 6 1 l v 2 5 6 s 、7 4 l s 2 4 5 和液 晶模块的片选信号) 1 6 中国农业大学硕士学位论文 系统总体电路设计与分析 信号管脚号 管脚数 信号功能连接芯片 m a x l 9 7 ( r 、w 、h b e n ) 、 d s l 2 8