（电力系统及其自动化专业论文）变电站培训仿真接口交换装置的研究.pdf

a b s t r a c t 1 1 1 et r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mf o rs u b s t a t i o n ( t s s s ) i sap o w e r f u lt o o li n t r a i n i n go p e r a t o r so ft h es u b s t a t i o n ，i m p r o v i n gt h e i ra b i l i t yo f j u d g m e n ta n dd i s p o s a l i ne m e r g e n c y i no r d e rt os i m u l a t et h ee n v i r o n m e n to fm o n i t o rr o o mo fs u b s t a t i o n ，a n i m e r f a c es w i t c h e rc o n n e c t e df u l l s c a l ep l a t f o r mw i t hs i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do n a r mi sd e s i g n e de s p e c i a l l yi nt h i sp a p e r t h ee t h e r n e tc o m m u n i c a t i o nw h i c hi sw i d e l yu s ei sa p p l i e di nt h ep a p e r , i no r d e rt o r e a l i z ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nf u l l s c a l ep l a t f o r ma n ds i m u l a t i o np l a t f o r m uc o s i ia n dt c p 1 pp r o t o c o ls t a c ka l et r a n s p l a n t e dt oa r ms ot h a tt h ei n t e r f a c e h a st h ec a p a b i l i t yo f m u l t i t a s k i n ga n dc o m m u n i c a t i n gw i t ht h ee t h e m e td i r e c t l y a f t e r a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r so f o n o f ri n p u tf l o w , o n - o f fo u t p u tf l o w , a n a l o go u t p u tf l o w a n dp r o t e c t i o nf l o w , s o m em e t h o d sr e d u c i n gi n f o r m a t i o ne x c h a n g e sa n dc o m p r e s s i n g t h ed a t aa r ep u tf o r w a r ds ot h a te t h e m e tc h a n n e lc a l lb ee x p e d i t e i no r d e rt os i m u l a t em i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o ne f f e c t i v e l y , t h es w i t c h e rh a s t w oi n t e r f a c e so fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nc o n t r o lp a n e l sw h i c hc o n t r o lt h e l c da n dk e y b o a r d s c a nm e c h a n i s ma n dm u l t i t a s k i n gi d e aa l ea d o p t e di ns o f t w a r e i n t e r f a c es w i t c h e rd e s i g n e di nt h ep a p e rb e c o m et h eb a s i co fc o n s t r u c t i n g d i s t r i b u t e d t r a i n i n g s i m u l a t i o n s y s t e m f o rs u b s t a t i o nw h i c hh a s m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nf u n c t i o n i tw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nt h e t r a i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mf o rs u b s t a t i o ni nt h ef u t o r e k e yw o r d s ：t r a i n i n gs i m u l a t i o n ；m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r g t e c t i o n ；e t h e m e t c o m m u n i c a t i o n ；a r m ；p c o s ii 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和取得的 研究成果，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，也不包含为获得盘盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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：弓希签字日期： ( 年胡刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞叁壁有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘望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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：、 签字日期：却年 教嗥 二月曰日 i 导师签名：彩诵舀 签字日期：砌一z 年。月叼日 第一章绪论 第一章绪论 电力系统运行人员的岗位操作技能是影响电力系统安全运行可靠性的重要 因素之一。电力系统的操作不允随意进行，电力系统的事故又很少，不能将运行 的系统当作试验品，不能在真实的设备上进行实际操作试验，更不允许人为设置 一些事故让学员观察并进行处理。这些都使运行人员难以在电力系统的正常操作 和事故处理中得到充分的训练。而变电站培训仿真系统正是基于此对变电站工作 人员进行培训的模拟系统，目的是增强其对实际系统的操作控制能力和对事故的 判断和处理能力，从而保证电力部门安全经济运行。 1 1 变电站培训仿真系统概述 许多重要的工程系统需要有一个或一组熟练的工作人员对系统进行操作、控 制、管理和决策，为了提高他们的管理水平，一般都需要在上岗以前对这些工作 人员进行训练和培养。早期的培训方法是在实际系统运行中进行。随着生产和科 学技术水平的发展，系统规模的日益扩大，复杂程度不断提高，系统的造价昂贵， 现场训练因培训人员操作不当引起的破坏和危险性增加而受到很大限制。因此需 要一种能模拟实际系统工作状况及环境的系统，操作人员可以在这个系统上进行 教学培训，这就是培训仿真系统。 自8 0 年代初清华大学研制成功我国第一台2 0 0 m w 火电仿真机以来，我国 的电力系统仿真装置发展迅速，制造公司和研制单位不断增加，产品数量众多， 种类日趋丰富。用于电力系统运行人员培训的仿真系统有许多具体应用实例，如 火电机组的培训仿真，水电机组的培训仿真，调度员培训仿真( d t s ) ，变电站培 训仿真等等。这些培训仿真装置对于提高运行人员在正常状态下的监控能力，在 异常和事故状态下的判断和处理能力发挥了重要作用，取得了巨大的社会效益和 经济效益，成为电力部门提高安全经济运行的重要手段之一。 目前变电站培训仿真系统大致有三种主要类型：实物性仿真、虚拟性仿真、 实物性仿真和虚拟性仿真相结合。 实物仿真就是专门建造一座仿真变电站，用变电站1 ：1 的控制屏和保护屏 硬件组成变电站培训仿真系统的主控室和保护室。屏柜上的开关量和模拟量( 操 作开关把手、投退压板、小开关、保险和按钮等) 的变化通过数据采集卡送到后 台计算机，后台计算机完成仿真的实时计算，并用计算结果刷新屏柜上的模拟量 第一章绪论 ( 表计指示) 和开关量( 光字牌、信号灯等) 。后台计算机通常有多台，它们以网络 的形式相互联接在起，共同完成对控制屏和保护屏的检测和控制。 虚拟性仿真则完全通过计算机软件来模拟变电站的主控室，保护屏，室外和 室内的主设备及接线等，除计算机外没有任何硬件。受训人员在计算机上实施模 拟操作。 由于实物性仿真和虚拟性仿真各有优缺点，有些文献综合这两种仿真的优点 产生了实物性和虚拟性相结合的变电站培训仿真系统，目前，这种仿真系统也是 比较通用的。即：部分装置与实际设备相同，保留了一部分就地操作，部分简单 的操作和监控功能在屏幕上来实现。 实物性仿真的显著优点是真实感强，仿真变电站中各种设备和现象与真实变 电站完全一致，受训人员有一种身l 临其境的感觉，所以在提高培训人员的实际操 作能力上，实物性仿真系统较虚拟性仿真系统能够取得更加良好的效果。 变电站培训仿真系统主要是为培训变电站运行人员而设计的，因此其功能应 围绕变电站运行人员的工作而设置。变电站运行人员的日常工作有以下几个方 面： ( 1 ) 监视记录及调整变电站运行工况； ( 2 ) 正常巡视及事故巡视； ( 3 ) 倒闸操作； ( 4 ) 事故处理及恢复供电； ( 5 ) 变电站知识学习。 为了更好的开展仿真任务，变电站仿真培训系统通常应包括各类相关的仿真 软件和仿真支撑软件。不论哪种模式的仿真培训系统，基本的体系结构主要由教 员设置、学员培训、仿真界面、仿真控制系统和仿真支持数据库构成。这些模块 可以根据实际需要合并或分解，并可以通过网络进行通讯，实现灵活的培训方案。 1 2 培训仿真系统的开发和研究概况 国内外电力系统的培训仿真器从7 0 年代开始发展，开始主要集中在火电厂 机组，之后相继扩展到电网、变电站的仿真培训。国外7 0 年代就出现了实用的 火电仿真系统( 1 9 7 1 年美国、日本和英国分别安装了第一套大容量的火电培训仿 真机) ，电网仿真系统( 1 9 7 7 年美国c d c 公司开发出第一套d t s 装置) 和变电 站的仿真系统( 7 0 年代日本关西电力公司建立了变电站仿真系统) 。我国于1 9 8 2 年研制成功了第一套火电仿真机组，期间电网调度仿真机和变电站仿真机也在 开发，并从8 0 年代末期歼始陆续建立了电网和变电站的仿真培训系统，1 9 9 0 年 2 第一章绪论 研制出了第一台d t s 东北电网仿真系统，到1 9 9 9 年，大多数的网调、省调 都使用了电网调度仿真器材1 4 l 。 变电站仿真培i ) i i 系统的提出虽然已经有一段时间了，但由于电力系统中变 电站的数目众多，而且早期变电站容量不大，自动化水平较低，其运行操作的要 求也不高，使得变电站仿真培训系统的作用没有得到充分体现。但随着电力系统 的发展，一些采用先进自动化技术的高电压、大容量变电站的投运，对运行人员 提出了比较高的要求，因此从9 0 年代中期开始，一批5 0 0 k v 、2 2 0 k v 的变电站仿 真培训系统相继建成，并取得了良好的效果。最先出现的变电站仿真系统主要采 取带盘台的模式，典型的如天津大学和大港油田水电厂共同研制开发的大港油 田变电站仿真培i ) i i 系统1 5 i ，该系统包括模拟控制盘、模拟继电器保护盘、配电装 置、主接线模拟操作盘和计算机控制仿真系统几部分。目前在各网省局建成的变 电站仿真培训系统绝大部分是这样的模式。该模式占用空间较大，一般集中布置 在培训中心内。随着计算机技术、网络技术和多媒体技术的发展，基于微机平台 和基于网络的变电站仿真系统( 这是一种全软件模式的仿真) 的出现，学员的所 有操作都可在计算机屏幕上完成。如南昌5 0 0 k v 站的仿真培训系统1 6 j ，整个系统 只有计算机硬件、仿真软件和网络组成。该种方式更加灵活，可直接安装在现场， 满足各具体变电站仿真培训要求。 目前，国内从事变电站仿真的公司、科研机构和高校不少，其开发研制的系 统各有特点。 除了以上提到的之外还有以下几种。 ( 1 ) 文献【7 】中介绍了深圳供电局仿真培i j i i 系统，该系统仿真的对象包括深 圳供电局1 1 0 k v 及以上的电网和主要厂站，模拟了5 0 0 k v 和2 2 0 k v 两个典型 的虚拟变电站，所有的一、二次设备均在计算机屏幕上显示，用鼠标对设备操作， 一次设备的巡视采用多媒体技术完成。该系统将电网仿真和变电站仿真结为一 体。 ( 2 ) 文献【8 】中介绍了成都1 1 0 k v 无人值班变电站及控制中，t l , 仿真培i ) i l 系 统。该系统主要针对l l o k v 集控站进行仿真培训，收集了有代表性的8 种变电 站。系统主要由仿真机、教练员台、学员台、开发工作站和物理模拟操作间组成， 通过以太网和i 0 设备相联。学员可以与教练台和物理模拟变电站通信。 ( 3 ) 文献【9 】中提出的川渝5 0 0 k v 变电站和电网仿真系统以5 0 0 k v 变电站 为全仿真对象，同时对川渝5 0 0 k v 电网进行了原理性仿真。该系统实现了仿真的 全软件化，即所有的显示和操作都在计算机屏幕上完成，并采用了实际的系统接 线、设备参数、调度系统监控画面及各种控制和保护的定值。 ( 4 ) 文献【1 0 】中介绍的华中地区5 0 0 k v 变电站仿真系统采用了微机交互式 第一章绪论 分时网络一软硬件结合的体系结构。研制了建立在l i n u x 环境下的多用户仿真 支撑系统，仿真软硬相结合，控制盘和保护屏与现场一样，主控室设备的操作在 屏幕上进行。实现了对微机继电保护装置、事件记录和微机录波装置及静补装置 及其调节系统的仿真。 ( 5 ) 文献1 1 1 】中提到是一种带盘台模式的仿真系统，并部分采用了软表盘， 仿真系统软件主要由计算机操作系统、支持软件、模型软件、诊断软件、就地操 作软件、虚拟盘台软件、动态二次系统软件、教练员台软件等组成。 ( 6 ) 文献【1 2 】、f 1 3 】中介绍了郑州工业大学开发的变电站仿真培训专家系统。 该系统利用多媒体技术实现了变电站电气主接线模拟盘及保护屏的全软仿真， 主要由变电站操作票、仿真培训系统和变电站事故仿真培训系统组成。 ( 7 ) 文献 1 4 】中介绍的黑龙江5 0 0 k v 变电站仿真培训系统，采用带盘台模 式，具有监视、巡视、操作、故障现象和处理功能，保护由定值启动，对微机保 护的液晶输出进行了仿真。 ( 8 ) 文献【1 5 】中介绍的变电站仿真培训装置也带有盘台，软件主要由计算机 系统软件、仿真支撑软件、仿真模型软件及算法库、工程师站软件、教练员站软 件、就地操作站软件和变电站监控系统仿真软件组成，采用多媒体技术实现户外 设备的巡视和就地操作。 总的来说，当前变电站培训仿真技术已经日趋成熟，在仿真原理的改进，逼 真程度的提高，先进技术的不断运用以及系统的通用性与开放性上，都有了长足 的进展，已经成为培养合格的变电运行人员的有力工具。变电站仿真培训系统从 9 0 年代初开始研制，从投入使用的系统运行情况看，其作用在供电部门岗位培 训得到了肯定。今后变电站仿真培训系统的发展方向和需要完善的内容有以下几 个方面： ( 1 ) 智能培训功能可以随时指导学员，增强学员学习的自主性，减轻教员负 担，甚至可以代替教员。至于如何指导，需要发挥开发人员和用于的想象力和创 意，相信在智能培训方面会有很大的研究开发潜力。 ( 2 ) 变电站知识学习多媒体课件，可帮助各层次变电站运行人员轻松掌握专 业知识，减轻教员的教学负担和降低对教员专业知识面的要求。这需要用户和开 发人员密切配合，才能开发出用户最需要的教学软件。 ( 3 ) 完善系统建模的支撑平台，使开发人员能更快完成一个系统的开发工 作，并在一定程度上，用户可参与系统建模和维护工作。 ( 4 ) 采用最新计算机技术，增加仿真和培训的手段，如虚拟现实和远程培训 等。 ( 5 ) 用户在使用中不断反馈回来一些改进的意见，电力系统中许多新设备投 4 第一章绪论 入使用。都需要变电站仿真培训系统迸一步完善。并能够随电力系统的发展而发 展。 1 3 培训仿真系统的发展方向 随着高新技术的应用，变电站综合自动化和微机保护技术越来越多地应用于 电力系统领域，尽管微机保护的正确动作率已经超过常规型保护的正确动作率， 但为了进一步提高微机保护的运行水平，还必须提高运行人员的技术水平，现有 的大部分变电站培训仿真系统没有涉及微机保护和综合自动化，与新一代微机保 护变电站的实际情况不相适应。现在提出了新颖的解决方案，研制开发出套实 用灵活的新型变电站培训仿真系统成为主要任务摆在我们面前。 微机保护培训仿真应注重功能性仿真，反映各种继电保护的作用，各种继电 保护的配置关系，保护对各种故障的反应，保护的配合，保护的正确动作顺序和 结果，以及保护的误动和拒动产生的后果等。 微机保护的仿真研究应进行以下几个方面的工作： ( 1 ) 仿真微机保护中的各种保护原理及所需输入量； ( 2 ) 仿真实际微机保护各个保护模块； ( 3 ) 仿真实际微机保护的出口信号、定值设置； ( 仿真实际微机保护各个保护的投切功能； ( 5 ) 方便实用的在线调试功能。 1 4 本文所做的工作 微机保护开发新型变电站仿真装置的着眼点在于，给培训者营造出与真实变 电站主控室相似的环境，使接受培训人员有着和在变电站现场工作相同的感觉。 根据现如今微机保护装置广泛应用这一特点，为了更加贴切地模拟出逼真的环 境，在原有的变电站仿真培训基础上增加了一些模拟微机保护装置的实物性仿 真，用些智能接口代替传统的s t d 工控机实现了分布式的数据处理，即使数 据先由智能接口处理，之后根据需要将所需数据上传。这样做既减轻了仿真机的 负担，同时又减少了和仿真机的数据传输次数，极大的提高了仿真机的运算速度。 在实物型变电站培训仿真系统中，仿真机和实物平台之间的信息交换是通过 控制检测接口来完成的。为满足微机保护变电站培训仿真系统的需要，提高仿真 机和实物平台间信息交换的快速性，本文专门设计了一种基于a r m 的接口交换装 置，设计了其中的软硬件结构。图1 一l 为新型变电站仿真装置的系统结构。 第一章绪论 围困曰 ! 圉言圉 i一 图卜1 新型变电站仿真装置的系统结构 本文的主要工作包括以下几个主要方面： ( 1 ) 在研究实时操作系统“c o s i i 各任务之间的调度机制的基础上，系统 用几个任务实现了接口交换装置所要求的功能。 ( 2 ) 编写了基于液晶模块的图形用户程序，极大地提高了微机保护培训仿真 的真实性，提高了人机交互的友好性。 ( 3 ) 研究了z l g i p 的原理及应用，实现了接口交换装置通过u d p 协议和仿 真机进行通讯。为使以太网数据通信通道的畅通，在分析开入流、开出流、模出 流、保护流特点的基础上，提出了减少信息交换次数和压缩数据内容长度的多种 方法。 6 第二章a r m 及其开发系统 第二章a r m 及其开发系统 随着大量先进的微处理器制造技术的发展，a r m 微处理器，已遍及工业控 制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 a p u v l 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额， a r a d 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的 芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根 据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器 芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权， 因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系 统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 所以深入了解a r m 芯片的性能，对变电站仿真接口装置的开发，有着极其 重要的影响。 2 1a r m 的结构特点 a p u v i 处理器具有优异的性能，但功耗却很低，使用门的数量也很少。a r i v l 结构是基于精简指令集计算机( r l s c ) 的原理而设计的。指令集和相关的译码机制 比复杂指令集计算机要简单得多。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如 下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m 0 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成： ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定； ( 7 ) 出色的实时中断响应； a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构 的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r a , i 微处 理器都有各自的特点和应用领域。 7 第二章a r m 及其开发系统 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和 功耗要求较高的应用。a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳 的性能。a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了 微控制器、d s p , j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的 复杂程度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，很适合于那些需 要同时使用d s p 和微控制器的应用场合。a r m1 0 e 系列微处理器具有高性能、 低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同 样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时，a r m l 0 e 系列微处理器采用了两 种先进的节能方式，使其功耗极低。s e c u r c o r e 系列微处理器主要应用于一些对 安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、 网络和认证系统等领域。l m e l s t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类电子 产品的理想选择，己成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。x s c a l e 处理器是 基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理 器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，己使用在数字移动电话、个人 数字助理和网络产品等场合。 2 2a r m 芯片的选择原则 设计a r m 应用系统，a r m 芯片的正确选择是非常重要的一个环节。只有 选定了a r m 芯片才能进一步设计其它外围电路。总的来说，a r m 芯片的选择 应根据实际的应用系统需要而确定。不同的应用场合、应用目的，对a r m 芯片 的选择也不同。一般来说，选择a r m 芯片时考虑如下诸多因素。 ( 1 ) 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0 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 ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度 为1 i m i p s m h z ，常见的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 , a r m l 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。 ( 2 ) 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 存储空问，如a t m e l 的a t 9 1 f 4 0 1 6 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。 ( 3 ) 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 第二章a r m 及其开发系统 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、l c d 控制器、键盘接口、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。 ( 4 ) a r m 芯片的价格。根据实际系统的应用情况，确定一个价格适中的a r m 芯片。 ( 5 ) a r m 芯片的开发工具。在a r m 系统的开发过程中，开发工具是必不可 少的。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的a r m 系统几乎是不可能 的。如果有功能强大的开发工具的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大 大缩短。因此，在选择a r m 芯片的同时，必须注意其开发工具的支持情况。 ( 6 ) a r m 芯片的功耗。在某些a r m 应用场合，功耗也是一个需要特别注意 的问题。如便携式的设备、手持设备、野外应用的a r m 设备等都对功耗有特殊 的要求。 上述诸多因素中，有些指标是相互矛盾的，这就要本着简单适用的原则，在 满足系统需求、降低系统设计难度的前提下，选择简单经济的a r m 芯片。对于 设计工作者来说，既要了解具体产品的设计要求，又要对各种a r m 芯片的性能 和特点有比较全面的了解。 在本系统中主要应用于控制、通信方面同时进行少量的数据处理。这样，一 方面要求c p u 要低功耗和有足够的时钟频率来运行操作系统：另一方面也要求 其有足够种类的接口，以利于性能的扩展。从前面所介绍的内容可知， a r m 7 t d m i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理 器核，价格比较合适，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。所以比较适合本系 统。 2 3l p c 2 0 0 0 系列微控制器简介 a r m 7 t m d i 中t d m i 的基本含义为：t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ：d ：支持片 上d e b u g ：m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试 点。它主要有以下三个特点： ( 1 ) 三级流水线。a r m 7 t d m i 处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。 这样可以使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供 0 9 m i p s m h z 的指令执行速度。流水线使用三个阶段，因此指令分三个阶段执行： 取指，译码，执行。在正常操作过程中，在执行下条指令的同时对下一条指令 进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。 9 第二章a r m 及其开发系统 ( 2 ) 存储器访问。a r m 7 t d i d l 处理器使用了冯诺依曼结构，指令和数掘共 用一条3 2 位总线。只有装载、存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。 ( 3 ) 存储器接口。a r m 7 t d m i 处理器的存储器接口可以使潜在的性能得到实 现，这样减少了存储器的使用。对速度有严格要求的控制信号使用流水线，这样 使系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现。这些控制信号使许多片内和片外存储 器技术所支持的“快速突发访问模式”得到充分的利用。 目前，a r m 将其技术授权给的主要生产厂家有a n a l o gd e v i c e si n c 公司、 p h i l i p 公司、l g 半导体公司、n e c 公司等。其中p h i l i p 公司是提供价格比较适 中，性能优越的a r m 产品之一。而且p h i l i p 公司在我国拥有许多的代理商及第 三方开发者，他们所提供的p h i l i p 公司的a r i v l 产品及开发系统品种较为丰富， 售后服务及技术支持做的都比较好，是a r m 芯片市场的主要领导者之一。 l p c 2 0 0 0 系列微控制器是由p h i l i p 公司生产基于a r m 7 t d m i sc p u 内核。 支持a r m 和t h u m b 指令集，芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消 耗。使该系列微控制器特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机等 场合。 图2 - 1l p c 2 0 0 0 系列微控制器结构图 l p c 2 0 0 0 系列微控制器将a r m 7 t d m i s 配置为小端模式( l i t t l e e n d i a n ) 。 a h b 外设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 g 字节a r m 寻址空间的最顶端。 1 0 第二章a r b l 及其开发系统 每个a h b 外设都分配了1 6 k b 的地址空问。图2 1 为l p c 2 0 0 0 系列微控制器的 结构图，其外设功能( 除中断控制器) 都连接到v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将 v p b 总线与a h b 总线相连。v p b 外设也分配了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。每个v p b 外设都分配了1 6 k b 的地址空间。片内外设与器件引脚 的连接由引脚连接模块控制。软件可以通过控制该模块让引脚与特定的片内外设 相连接。 内部存储器包括无等待s r a m 和f l a s h ：系统功能包括维持芯片工作的一些 基本功能，如系统时钟、复位等；向量中断控制器( v i c ) 可以减少中断的响应时 间，最多可以管理3 2 个中断请求：外部存储器控制器( e m c ) 支持4 个b a n k 的 外部s r a m 或f l a s h ，每个b a n k 最多1 6 m b i1 2 c 串行接口为标准的1 2 c 总线 接口，支持最高速度4 0 0 k b ；具有两个完全独立的s p 控制器，遵循s p i 规范， 可配置为s p i 主机或从机；具有两个u a r t 接口，均包含1 6 字节的接收发送 f i f o ，内置波特率发生器。其中u a r t i 具有调制解调器接口功能；看门狗定时 器带有内部分频器，可以方便设置溢出时间，在软件使能看门狗后只有复位可以 禁止( 具有调试模式) ；系统控制模块包括一些与其它外设无关的功能，如功率控 制等；外部中断有4 路多引脚输入，可用于c p u 掉电唤醒。 不同封装的芯片具有数目不等的i o 口，它们可以承受5 v 电压。每个l o 口 可以独立设置为输入输出模式，在作为输出模式时可以分别置位或清零；脉宽 调制器可以灵活设置，以适应不同的场合。可以设置为单边沿或双边缘输出方式， 可以灵活的设置频率和占空比；实时时钟具有可编程的时钟分频器，以适应不同 的晶振频率。带日历和时钟功能，提供秒、分、时、日、月、年和星期，同时具 有非常低的功耗。 l p c 2 0 0 0 系列微控制器主要有两类：l p c 2 1 0 0 系列和l p c 2 2 0 0 系列。而 l p c 2 2 0 0 系列能够提供多达7 6 个g p l 0 正好符合本装置需要大量的口线这一特 点，所以选用l p c 2 2 0 0 系列。 2 4a r m 的开发工具 a d s ( a r md e v e l o p e rs u i r e ) 集成开发环境是a r m 公司推出的a r m 核微控制器 开发工具。a d s i 2 支持a r m l o 之前的所有a r m 系列微控制器，支持软件调试及 j t a g 硬件仿真调试，支持汇编、c 、c + + 源程序，具有编译效率高、系统库功能 强等特点，可以在w i n d o w s 9 5 、w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w s x p 上运行。 a d s 由命令行开发工具，a r m 实时库，开发环境( c o d ew a r r i o r 和a x i ) ) ，实 用程序和支持软件组成。有了这些部件，用户就可以为a r m 系列的r i s c 处理器 第二章a r m 及其开发系统 编写和调试自己的开发应用程序了。 下面就详细介绍一下a d s 的各个组成部分。 ( 1 ) 代码生成工具c o d e w a r r i o rf o ra r m 是一套完整的集成开发工具，充分 发挥了a r mr i s c 的优势，使产品开发人员能够很好的应用尖端的片上系统技术， 该工具是专为基于a r mr i s c 的处理器而设计的，它可加速并简化嵌入式开发过程 中的每一个环节，使得开发人员只需通过一个集成软件开发环境就能研制出a r m 产品，在整个开发周期中，开发人员无需离开c o d e w a r r i o r 开发环境，因此节省了 在操做工具上花的时问，使得开发人员有更多的精力投入到代码编写上来。 c o d e w a r r i o r 集成开发环境( i d e ) 为管理和开发项目提供了简单多样化的图形用 户界面。用户可以使用a d s 的c o d e w a r r i o ri d e 为a r m 和t h u m b 处理器开发用c ， c + + ，或a r m 汇编语言的程序代码。它包含a r m 连接器，工程管理器，代码生成 接口、语法敏感( 对关键字以不同颜色显示) 编辑器源文件和类浏览器等等。以 a r m 为目标平台的工程创建向导，可以使用户以此为基础，快速创建a r m 和t h u m b 工程。 ( 2 ) a x d 调试器为a r m 扩展调试器，包括a d w a d u 的所有特性，支持硬件仿 真和软件仿真。a x d 能够装载映像文件到目标内存，具有单步、全速和断点等调 试功能，可以观察变量、寄存器和内存数据等。 2 5e a s y j t a g 的仿真器的安装与应用 e a s y j t a g 仿真器是广卅i 周立功单片机发展有限公司开发的l p c 2 0 0 0 系列 a r m 7 微控制器的j t a g 仿真器，支持a d s l 2 集成开发环境，支持单步、全部及 断点等调试功能，支持下载程序到片内f l a s h 和特定型号的片外f l a s h ，采用a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真调试接口。 主要特点如下： ( 1 ) 采用r d i 通讯接口，无缝嵌接a d s l 2 和其它采用r d i 接口的i d e 调试 环境。 ( 2 ) 高达1 m 速率的j t a g 时钟驱动。 ( 3 ) 采用同步f l a s h 刷新技术( s y n f l a s h ) 同步下载用户代码到f l a s h 中，即 下即调。 ( 4 ) 采用同步时序控制技术( s y n t i m e ) ，仿真可靠稳定。 ( 5 ) 支持3 2 位a r m 指令1 6 位t h u m b 指令的混合调试。 ( 6 ) 增加映射寄存器窗口，方便用户查看修改寄存器数值。 1 2 第三章变电站培训仿真接口装置的设计与调试 第三章变电站培训仿真接口装置的设计与调试 实物型变电站培训仿真系统为三大部分：实物平台、控制平台、信息交换平 台。实物平台由主控室、室内配电装置、户外配电装置等组成，是学员了解变电 站运行状况和练习倒闸操作和事故处理的场所；控制平台由仿真机和教员机组 成，主要任务是模拟变电站主控室、室内配电装置、户外配电装置在各种运行方 式和各种故障情况下应有的现象，并指导学员正确地进行倒闸操作和事故处理； 信息交换平台由若干个接口交换装置所组成，是一个分布式系统。它一方面时刻 关注实物平台的状态，发现操作信息立刻向控制平台汇报，另一方面随时接受控 制平台给出的控制信息，并使实物平台的状态发生改变。即，信息交换网是为仿 真平台和实物平台进行信息交流而搭建的一条桥梁。而本文所介绍的变电站培训 仿真接口装置是连接各信息网的硬件基础。 3 1 系统的硬件选型与单元电路的设计 本章详细介绍变电站培训仿真接口交换装置的各硬件模块的设计思想、设计 电路的组成和工作原理。 3 1 1 装置的总体硬件结构 本文设计的接口交换装置的硬件结构如图3 1 所示。它以菲利浦公司生产的 a r m 芯片l p c 2 2 1 0 为c p u 构成最小控制单元，还包括i o 单元具有3 2 路开入、 1 6 路开出、8 路模出，1 个以太网接口单元，2 个人机接口单元。 图3 - 1 接口交换装置的硬件结构 第三章变电站培训仿真接口装置的设计与调试 3 1 2 各部分基本单元的功能及硬件组成 ( 1 ) a r m 最小系统单元。l p c 2 2 1 0 是一个支持实时仿真和嵌入跟踪的3 2 1 6 位a r m 7 t d m i s 微控制器，以它为核心，包括两组电源、复位电路、晶振电路、 程序存储器。因为l p c 2 2 1 0 需要供电电压1 8 v 和3 3 v ，经分析可知系统对这两 种电压的要求比较高，而其功耗不是很大，所以不适合开关电源，应当用低压差 模拟电源( l d o ) 。合乎技术参数的l d o 芯片比较多，s i p e x 半导体s p x l l l 7 是一 个较好的选择，综合比较起来它的性价比较高。微控制器在上电时状态不能确定， 则造成微控制器不能正确工作，为了解决这个问题，选择s p 7 0 8 s c n 进行手动复 位，将微控制器初始化为某个确定的状态。由于在本系统中需要和上位机通讯， 同时又将使用到操作系统，程序所占空间比较大，所以通过i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 扩展 r a m ，用s s t 3 9 v f 6 0 扩展f l a s h 。外部静态存储控制器是一个a m b aa h b 总线上 的从模块，它为a m b aa h b 系统总线和外部存储器件提供了一个接口。该模块可 以同时支持多达4 个单独配置的存储器组，每个存储器组都支持s r a m 、f l a s h 、 e p r o m 、r o m 或一些外部i 0 器件。表3 一l 为本装置外部存储控制器的地址分配： 表3 1 外部存储控制器的地址分配表 b a n k 端口地址范围所接外设 b a n k 0 ( nc s o ) o x 8 0 0 0 0 0 0 0 f l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 ) b a n k l ( n c s l ) 0 x 8 10 0 0 0 0 0r a m ( i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 ) b a n k 2 ( n c s 2 ) 0 x 8 2 0 0 0 0 0 013 8 译码器( 7 4 h c l 3 8 ) b a n k 3 ( n c s 3 ) o x 8 3 0 0 0 0 0 0 网卡( r t l 8 0 1 9 a s l ( 2 ) 以太网接口单元。t c p i p 协议是使用最广泛的通讯协议，如果一个嵌入 式系统没有以太网接口，其价值将要大打折扣。基于底层的t c p i p 协议的实现 就是由以太网控制器来负责，目前比较常用的l o m b p s 嵌入式以太网控制芯片有 r t l 8 0 1 9 a s 、c s 8 9 0 0 等，而1 0 0 m b p s 的就有l a n 9 1 c 11 等。综合比较起来本装置 l o m b p s 速率已能满足需要，而c s 8 9 0 0 具有4 k bs r a m ， r t l 8 0 1 9 a s 却具有1 6 k b s r a m 。所以本装置采用r t l 8 0 1 9 a s 。a r m 微控制器通过r t l 8 0 1 9 a s 与以太网进行 通讯将数据传到p c 机上，主要是实现微控制器和p c 的通信，使检测部分获取的 数据传输给上位机。在检测的基础上，上位机还可以对被检测设备进行实时控制。 本系统中使用r t l 8 0 1 9 a s 它是性价比高且带有即插即用功能的l o m b p s 全双工以 太网控制器，片内集成了d m a 控制器、i s a 总线控制器、1 6 ks r a m 、网络p h y 收 发器。把r t l 8 0 1 9 a s 作为l p c 2 2 1 0 的外部存储器，并使其中断输出信号连接到 l p c 2 2 1 0 的外部中断引脚。这样，可以通过d m a 方式把需要发送的数据写入 1 4 第三章变电站培训仿真接口装置的设计与调试 r t l 8 0 1 9 a s 的s r a m 中，让其自动将数据发送出去，而在r t l 8 0 1 9 a s 发出已接收 数据中断请求后，可以立即以d m a 方式将其接收到的数据读出。由于l p c 2 2 1 0 由3 3 v