（电气工程专业论文）基于at91rm9200和fpga技术的变电站测控装置.pdf

l i i 东大学硕十学位论文 a b s t r a c t s i n c e19 9 0 s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，v e r y l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ， m o r en e wt e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di nt h es u b s t a t i o no fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m b a s e do nt h o s e ，s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mh a sg o tt h e s u b s t a n t i a ld e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni ne l e c t r i c p o w e r s y s t e mo fo u rc o u n t r y t oi n c r e a s et h em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s so fp r o d u c t s ，a l lk i n d so fn e w g o o dp e r f o r m a n c e ，l o wc o s tc p ua n dp e r i p h e r a ld e v i c e sa r ea p p l i e dt ot h e r e l a ya n dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c ei nt h es u b s t a t i o na u t o m a t i c s y s t e mb yt h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r s s u c ha s3 2 b i tc p u ，d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，h i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c ya n a l o g - t o d i g i t a l c o n v e r t e r ，l a r g ec a p a c i t yf l a s hm e m o r y ，c p l d ，f p g aa n ds oo n t h e a p p l i c a t i o no ft h e s en e wd e v i c e s ，p r o v i d et h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l d e v i c es m a l ls i z ea n dh i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o n w i t ha l lk i n d so fm a t u r e c o m m e r c i a lr t o s b e i n gw i d e l y a d o p t e d ，t h e d e v i c e s a b i l i t y o f c o m m u n i c a t i o n ，d a t am e m o r y a n d p r o c e s s b e c o m e s s t r o n g e r ，a n d p e r f o r m a n c e i s h i g h l yi m p r o v e d ，t h es o f t w a r e i sc o n v e n i e n tt ob e t r a n s p l a n t e d w i t ht h er e f e r e n c eo fs u b s t a t i o na u t o m a t i cs y s t e mm e a s u r e m e n t & c o n t r o lt e c h n o l o g yo fp r e s e n tp e r i o da n da c c o r d i n gt ot h et r e n da n d r e q u i r e m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h i st h e s i sr e s e a r c hat y p eo fh i g h p e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c eb a s e do nt h ea r ma n d f p g at e c h n i q u ea n dr e l e a s et h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ea d o p t st h em o d u l a rd e s i g n ，i n c l u d i n gm a i nc p ub o a r d ，a c s a m p l i n gb o a r d ，d i g i t a li n p u tb o a r d ，r e m o t ec o n t r o lb o a r d ，d cs a m p l i n g a n do u t p u tb o a r d b e s i d e sm a i nc p ub o a r d ，t h eq u a n t i t yo fo t h e r sb o a r d s c a nb ei n c r e a s e do rd e c r e a s e d r a n d o m l y t om e e td i f f e r e n tu s e r s r e q u i r e m e n t 山东大学硕士学位论文 s o f t w a r ea d o p t i n gv x w o r k sr t o si m p r o v e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e ， u s i n gt h et a s k s t om a n a g ed i f f e r e n tf u n c t i o ni sc o n v e n i e n tt ow r i t e s o f t w a r ec o d e k e yw o r d s ：m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e ；e m b e d d e dr t o s ；a r m ； f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：望垄造 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：望垃导师签名：进日 山东大学硕士学位论文 曼曼皇曼曼詈舅曼曼邑皇i 一 一 _i i i ii；i ；ii 曼蔓蔓! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 鼍 第一章引言 1 1 变电站自动化系统的发展和现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术、超大规模集成电路技 术和通信及网络技术的发展，以此为基础的变电站自动化系统在我国 r o口1 的电力系统中得到长足的发展“一“。 我国变电站内二次设备传统上按功能可分为五类：继电保护、自 动装置、故障录波、当地监控和远动测控装置。五大类产品的不断发 展及其功能的相互渗透，推动了变电站自动化系统的发展，产生了多 r 11 种多样的系统模式。按系统模式出现的时间顺序可将变电站自动化 系统的发展分为三个阶段： 第一阶段：面向功能设计的集中式r t u 加常规继电保护模式 2 0 世纪8 0 年代是以r t u ( r e m o t et e r m in a l u n it ) 为基础的远动 装置及当地监控为代表。该类系统是在常规的继电保护及二次接线基 础上增设r t u 装置，主要为完成与远方调度主站通信实现“四遥”( 遥 测，遥信，遥调，遥控) 功能。继电保护及自动装置与系统联结采用硬 接点状态接入。此类系统特点是功能简单，整体性能指标较低，系统 r 1 联结复杂，不便于运行管理与维护，为自动化系统的初级阶段。 第二阶段：面向功能设计的分布式测控装置加微机保护模式 2 0 世纪9 0 年代初期，微机保护及按功能设计的分布测控装置得以 广泛应用，保护与测控装置相对独立，通过通信管理单元能够将各自 信息送到当地监控计算机或调度主站。此类系统的出现是由于当时国 内电力系统保护和远动分属于不同部门和专业，另外对继电保护与测 控装置在技术上如何融和没有达成一致的认识，故相当一部分尤其是 1 1o k v 及以下电压等级自动化系统采用此类模式。该模式没有做到面向 对象设计，信息共享程度不高，另外系统的二次电缆互联较多，扩展 r 1 性不好，不利于运行管理和维护一。 山东大学硕士学位论文 第三阶段：面向间隔和对象的分层分布式结构模式 2 0 世纪9 0 年代中期，行业内对微机保护与测控技术的不断争论和 探讨达成了一致的认识，采用面向设备或间隔为对象设计的保护及测 控单元，采用分层分布式的系统结构，形成了真正意义上的分层分布 式自动化系统。该系统特点是针对1 lo k v 以下电压等级的设备或间隔 采用保护测控一体化设计的装置，针对1 1o k v 及以上电压等级的设备 或间隔采用继电保护装置与测控装置分别独立设计但共同组屏的原 则，故障录波功能下放至各间隔或设备的继电保护装置中去，采用先 进的网络通信技术，系统配置灵活，扩展方便，非常方便运行管理和 维护 1 ，2 ，“别。 目前，我国的变电站自动化系统以分层分布式变电站自动化系统 为主流。根据ie c 关于变电站的结构规范，将变电站分为三个层次， 即变电站层( s t a r io nl e v e l ) ，间隔层( b a yl e v e l ) 以及过程层( p r o c e s s l e v e l ) ，在设计理念上不是以整个变电站作为设备来确定目标，而是 以间隔和设备作为设计对象。目前按变电站自动化系统二次设备的分 布现状，将变电站纵向分为三层：变电站层、网络层、间隔层，也有 厂家或学者将网络层归入变电站层进行描述，即纵向分为变电站层、 间隔层两层u “。 ( 1 ) 变电站层横向按功能分布为当地监控、保护信息管理及远方 通信。 ( 2 ) 网络层完成信息传递和系统对时等功能。目前国内外产品流 行两种网络层结构：即双网和单网结构。采用的通信方式有：现场总 线和以太网方式”。 ( 3 ) 间隔层主要是继保、监控设备层。可集中组屏也可分布在各 继电保护小间内或安装在开关柜上。 变电站层、网络层、间隔层既相互独立又相互联系。变电站层功 能的实现依赖于网络层和间隔层的完好性；但是间隔层功能的实现， 特别是继电保护及安全自动装置功能的实现决不能依赖于网络层和变 电站层：远方主站监控功能的实现应不依赖于变电站层设备 1 2 3 引。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 测控装置的功能及要求 作为变电站自动化系统中间隔层的重要组成部分的测控装置主要 具备以- fz j 3 能 9 1 0 ，1 1 l ： ( 1 ) 监测方面：对变电站内的监测对象进行测量。对交流模拟量、 直流模拟量、开关量、数字量、脉冲量和非电量等 进行采集和处理。 ( 2 ) 控制方面：对变电站内的控制对象进行控制。分合断路器和刀 闸、调控有载调压变压器的分接头等。 ( 3 ) 通信方面：将采集的模拟量、开关量、脉冲量等向上传输，接 收调度主站下发的控制命令对控制对象进行控制。 变电站对测控装置的要求根据变电站在电力系统中的地位和作用 不同有不同的要求，基本要求为： ( 1 ) 可靠性：由于变电站内电磁情况复杂，运行情况恶劣，需要装 置抗干扰能力强，保证被控对象动作准确无误，通信 可靠12 1 3 。 ( 2 ) 精确性：对模拟量、脉冲量、开关量、数字量的测量要求达到 规定的精度。 ( 3 ) 实时性：对被测量的变化反应要实时快速，满足系统的时间要 求。 ( 4 ) 可维护性：要求操作维护简单方便，减少现场的工作量，便于 用户维护。1 4 3 近几年，随着集成电路和计算机技术的飞速发展，高性能低价位 处理器芯片和外围芯片的大量出现，各种新型集成电路进一步应用在 测控装置上，如3 2 位c p u 、数字信号处理芯片d s p 、高速高精度a d 转换芯片、大容量f 1a s h 存储芯片、可编程逻辑器件c p l d 、f p g a 等 1 乱1 7 3 ，这些新器件的应用使测控装置的电路板更加小型集成化。同时， 各种成熟的商用嵌入式实时操作系统的采用使装置在通信、数据存储 及处理等方面的能力更强，性能大幅提高7 ，1 8 , 1 9 ，2o l 。处理器除完成 传统测控装置的“四遥 功能外，还有很大冗余，因此测控装置出现 山东大学硕士学位论文 ! i ! ,i i 曼量皇曼曼曼曼曼鼍曼皇曼皇曼曼鼍曼曼! 曼曼! 曼曼曼鼍曼曼曼曼曼量曼! ! ! ! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 功能多样化的趋势，不少功能都集中到测控装置中，出现了带同期功 rnn n l 能的测控装置“。、带“五防 功能的测控装置、带谐波分析功能 的测控装置等。还有的厂家在装置中引入了p l c 功能，使装置具有在 线实时组态和闭锁控制功能，增加了测控装置的灵活性和可扩展性 r n 0 1 “。交流测控装置已经替代了传统的r t u 远动数据采集装置，在交流 电量测量、输入信号检测、控制信号的逻辑判断处理等能力，很好地 r n 1 担负着变电站自动化的测控功能。高集成化系统的发展，对降低成 本，提高系统可靠性，实现统一的运行管理十分有利。 1 3 目前变电站自动化系统存在的主要问题及解决方法 变电站自动化系统在发展和应用过程中也遇到很多问题，主要的 问题是通信标准的不统一。变电站内由于采用多个厂家的设备存在着 网络互连和通信接口的问题，各个厂家自成体系的通信接口和自定义 协议，导致不同厂家的设备互联性差。i e c 6 0 8 7 0 5 10 3 继电保护设备信 息接口配套标准作为继电保护设备( 智能电子设备( i e d ) 或间隔单元) 的信息接口配套标准，虽然在国内广泛应用，但由于各厂家对标准的 认识不一致，具体实施时对标准规定的部分内容作了扩充和改动，出 现了各厂家虽采用相同协议但不能直接互连的现象，需要在现场对通 信管理机进行二次开发，增加了现场的工作量和维护难度。同时，网 络层也没有统一的现场总线标准，r s 2 3 2 4 8 5 、l o n w o r k s 、c a n b u s 、以 太网等在电力系统的应用使不同厂家的设备无法在一个网络上互连， 需要通信管理机有多种接口来连接处理不同接口的设备，通信管理机 越来越成为变电站自动化系统的瓶颈。作为变电站自动化系统一部分 的测控装置和保护装置都面临这一问题3 4 ，7 ，1 1 ，2 5 ，2 6 ，2 利。 为解决变电站自动化系统中不同厂家通信协议、网络接口、数据 描述等方面的差异“，急需对变电站自动化系统通信网络和系 统制定统一的标准和规范，使不同厂家的设备具有互操作性。正是基 于这种原因，国际电工委员会t c 5 7 制定了变电站通信网络和系统 系列标准一一i e c 6 18 5 0 标准，这是基于网络通信平台的变电站自动化 系统唯一国际标准，也是我国电力行业相关标准的基础”“”。 4 山东大学硕士学位论文 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼! 曼皇鼍皇! 曼曼! 詈曼曼鼍曼鼍曼曼曼皇曼曼皇曼曼皇曼寰i ；一i i 毫 i e c6 1 8 5 0 制定的思路是： ( 1 ) 提高互操作性，工程实现方便： ( 2 ) 面向对象，即面向设备： ( 3 ) 满足应用技术迅猛发展要求： ( 4 ) 应对通信技术和网络技术发展的挑战。 指导工作方向为：适应现代技术水平的通信体系，实现完全的互操 作，体系向下兼容，基于现代技术水平的标准信息和通信技术平台， 通过标准化数据交换接口实现开放式系统。i e c6 1 8 5 0 不仅用于变电站 内通信，而且可用于变电站和控制中心通信3 5 ，36 j 。 当前，生产相关产品的国内外各大公司都在围绕ie c 6 18 5 0 开展 工作，并开发出相关产品，我国也有数字化变电站投入运行，如云南 省曲靖市翠峰1 10 千伏数字化变电站、内蒙古乌兰察布市杜尔伯特2 2 0 千伏数字化变电站等。 变电站自动化系统的发展方向是数字化，智能开关设备、光电式 电压和电流互感器、智能电子装置( ie d ) 等的出现，使变电站自动化技 术进入了数字化阶段。智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制 回路逐渐取代传统的一次回路，使变电站层、间隔层、过程层最终用 网络联接起来，并实现统一的i e c61 8 5 0 通信标准。数字化变电站一次 设备采集信息后，就地转换为数字量，通过光缆上传保护测控装置， 然后传到后台监控系统，而监控系统和保护测控装置对一次设备的控 制也是通过光缆传输数字信号实现其功能。i e c61 8 5 0 标准的逐步采 用，必将带动变电站测控、保护装置的进一步向标准化方向发展1 30 1 。 1 4 本文的主要工作 本论文以现阶段国内变电站自动化系统测控技术为参考，从中低 压系统变电站自动化系统对测控装置实际要求出发，借鉴以往测控装 置的研发经验，根据科学技术的发展趋势和要求，研究一种基于a r m 和f p g a 技术的高性能测控装置。主要完成以下工作： 1 ) 运用模块化设计思想对装置硬件进行设计，按功能设计如下插 件：主c p u 插件、交流采样插件、遥信采集插件、遥控出口插 山东大学硕士学位论文 件、直流采样及输出插件。 2 ) 编写交流采样插件的f p g a 逻辑。 3 ) 将v x w o r k s 嵌入式实时操作系统应用到装置中。 4 ) 编写遥测、遥控、遥信、遥调应用程序。 5 ) 对测控装置进行相关实验等。 6 山东大学硕士学位论文 第二章测控装置总体设计方案 2 1 装置设计目标 作为变电站自动化系统重要组成部分的测控装置，肩负着对变电站 内变压器、线路等元件的运行状态的监视以及对断路器、刀闸等元件 的控制功能。因此本文主要是针对2 2 0 k v 及以下电压等级变电站变压 器、线路等元件，设计满足用户需求的测控装置。 2 2 装置的技术要求 测量精度： 交流电流、电压： 有功、无功功率： 频率： 积分电度： 功率因数： 直流电压、电流： s o e 分辨率： 测量范围 电流： 电压： 频率： o 2 0 5 0 0 1h z 1 o 1 o 0 2 不大于2 m s 0 6 a 或o 1 2 a 0 12 0 v 4 5h z 6 5 h z 7 l l l 东大学硕士学位论文 皇曼量曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼i _ ；一 ii 皇曼皇曼皇曼量曼! 曼量曼皂曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量皇量曼曼曼曼皇舅曼曼曼曼曼皇蔓曼曼曼曼曼曼 8 装置绝缘电阻满足表2 1 所示要求。 试验部位绝缘电阻 l0 兆欧 交流电压回路对地 交流电流回路对地 用开路电压10 0 0 v 摇表测 交流电流和交流电压回路之间 交流回路和直流同路之间 电源输入回路对地 开入回路对地 用开路电压5 0 0 v 摇表测 开出接点对地 开入回路和开出接点之间 表2 1 装置绝缘电阻试验 装置能承受表2 2 所示的工频耐压试验，一分钟无击穿或闪络现象。 试验部位耐压水平( 工频，一分钟) 交流电压回路对地 2 0 0 0 v 交流电流回路对地 2 0 0 0 v 交流电流和交流电压回路之间 2 0 0 0 v 直流电源回路对地 2 5 0 0 v 交流回路和直流回路之间2 0 0 0 v 开入回路对地 5 0 0 v 开出接点对地 2 0 0 0 v 开入回路和开出接点之间2 0 0 0 v 表2 2 装置工频耐压试验 装置能承受表2 3 所示的标准雷电波冲击试验。 试验部位冲击电篷 交流电压回路对地 5 0 0 0 v 交流电流回路对地5 0 0 0 v 直流电源回路对地 5 0 0 0 v 开入回路对地 1 0 0 0 v 开出接点对地 5 0 0 0 v 表2 3 装置标准雷电波冲击试验 山东大学硕士学位论文 抗电磁干扰性能： a ) 脉冲干扰试验 能承受频率为1 m h z 电压幅值共模2 5 0 0 v ，差模1 0 0 0 v 的衰减 振荡波脉冲干扰试验。 b ) 静电放电测试 能承受i e c 6 10 0 0 4 2 标i v 级、试验电压8 k v 的静电放电试验。 c ) 辐射电磁场干扰测试 能承受i e c 6 1 0 0 0 4 3 标准i i i 级的辐射电磁场干扰试验。 d ) 快速瞬变干扰测试 能承受i e c 6 10 0 0 4 4 标准i v 级的快速瞬变干扰试验。 2 3 装置总体结构 图2 1 装置系统总体框图 9 l l l 东大学硕士学位论文 2 3 1 装置结构方案 装置结构借用公司成熟产品d f 3 6 0 0 系列装置结构，采用6 u 高， 19 ”宽，深度为2 2 0 m m 机箱和6 u 高，l9 ”2 宽，深度为2 2 0 m m 的两种 机箱( 根据插件板数量配置不同) 。全封闭、防尘、抗震的结构设计， 可集中组屏安装也可以直接安装到开关柜上。装置采用前插拔方式设 计。箱体采用铁质材料设计，电磁屏蔽性好。前面板除液晶窗口外为 整块铁板，面板和箱体间采用多组弹性钢片连接，大大增强了装置电 磁屏蔽性。如图2 2 至2 5 所示。 1 0 左视图 图2 219 ”2 宽装置正视图及左视图 山东大学硕士学位论文 图2 319 ”2 宽装置开孔图尺寸 图2 - 419 ”宽装置安装开孔图及正视图 山东大学硕士学位论文 图2 519 ”宽装置开孔图尺寸 装置的结构具有以下特点 1 电磁兼容性好 装置为全封闭式结构，安装后壳体与面板，后板电位一体，可靠接 触，前后出口均采用了屏蔽处理，最大可能的抵御外界的电磁干扰； 2 内部结构合理 装置插件采用前插拔，后部端子座直接出线，板间联系在装置前， 可使插件板强弱电前后分开，避免内部互相干扰，并且出线简洁，可 靠性高； 3 人机对话方便 装置前面板采用薄膜一体键盘，手感好，操作方便，面板色彩搭配 协调，液晶，指示灯一目了然； 装置的结构采用的关键技术： 钣金点焊一体外壳，增强屏蔽性和刚度，重量轻；选用定做出线端 子使装置出线简洁、方便、可靠；面板采用屏蔽簧片，装配后面板与 壳体可靠的连为一体，提高装置整体屏蔽性能。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 3 2 装置硬件方案 装置硬件平台采用模块化设计，按照功能分为主c p u 插件、交流 采样插件、遥信采集插件、遥控出口插件、直流采样及输出插件。除 主c p u 插件，其他插件的数量及种类可以根据需要任意增减，满足不 同用户的需求。最大配置可采集6 回路的全电量，2 路变压器油温，2 路直流o 5 v 电压或0 2 0 m a 电流，2 路直流o 3 0 0 v 电压，7 2 路遥信 量，1 4 路遥控( 2 8 个点) ，其中有两路遥控带有自保持回路，两路带有 联动节点，可输出2 路直流量( 电流0 2 0 m a ，电压o 5 v ) 。 装置主c p u 采用目前先进的基于a r m 技术的微处理器 a t 9 1r m 9 2 0 0 ，通过数据、地址总线和其他插件板连接，构成整个系统。 主要的交流采样插件采用f p g a 技术，利用a l t e r a 公司的f p g a 芯 片e p l k l 0 实现交流采样的控制。 装置的通信接口主要是两个以太网接口、三个串行口、一个i r i g b 格式对钟口，便于装置接入系统。 2 3 2 装置软件方案 图2 - 6 软件基本结构图 山东大学硕士学位论文 鼍曼曼曼鼍曼量。 。m m i l l 鼍皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼! 曼舅曼皇璺曼曼曼皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼量舅曼曼曼 装置软件设计特点： l 、可移植设计 充分考虑了硬件平台将来会升级变动的情况，为便于系统的 移植和升级，软件平台重点考虑了跨平台移植的功能，确保应用 程序可以在不同的硬件系统和不同的嵌入式实时操作系统之上平 滑移植，提高软件产品的可移植性和可延续性。为了以上目标， 开发两层系统抽象层，其一，在硬件平台和实时操作系统之间的 板极支持包，提供硬件平台和嵌入式实时操作系统软件的隔离与 耦合；其二，在操作系统和应用程序之间的通用平台，封装系统 任务调度、内存管理、任务之间的同步和通信、文件管理、实时 时钟管理、异常错误处理等，做到应用程序和操作系统的无关性。 2 、面向对象的设计方法 系统设计尽量采用面向对象的设计方法，以抽象数据类型为 基本数据结构，通过继承和消息等概念和手段，建立抽象数据类 型的实例一一对象之间的联系，由对象和对象之间的关系构成基 本的软件体系结构。 1 4 山东大学硕士学位论文 第三章测控装置硬件设计 3 1 主cpu 插件设计 3 1 1a r h 技术简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h in e s ) ，既可以认为是一个公司的名字， 也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 我们通常所说的a r m 微处理器是指采用a r m 技术知识产权核的微 处理器，目前已遍及工业控制、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 r m 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。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，更具有竞争力。 3 1 1 1a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 一体积小、低功耗、低成本、高性能； 一支持t h u m b ( 16 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位16 位器件； 一大量使用寄存器，指令执行速度更快； 一大多数数据操作都在寄存器中完成； 一寻址方式灵活简单，执行效率高； 一指令长度固定； 山东大学硕士学位论文 3 1 1 2a r m 微处理器系列 a r m 微处理器目前包括下面几个系列： 一a r m 7 系列 一a r m 9 系列 一a r m 9 e 系列 一a r m lo e 系列 一s e c u r c o r e 系列 一i n t e r 的x s c a le 一i n t e r 的s t r o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m lo e 为4 个通用处理器系列，每 一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。 s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设计。 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。 具有以下特点： 一5 级整数流水线，指令执行效率更高。 一提供1 i m i p s m h z 的哈佛结构。 一支持3 2 位a r m 指令集和16 位t h u m b 指令集。 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 一全性能的m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n it ) ，支持w in d o w sc e 、 l in u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统。 一m p u 支持实时操作系统，包括v x w o r k s 。 一支持数据和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型， 以适用于不同的应用场合。 3 1 2 主c p u 插件资源说明 主c p u 插件是装置的核心插件， 的数据处理、与通信管理机的通信、 1 6 主要完成装置各采集插件采集到 对控制对象的操作等功能。插件 i j i 东大学硕士学位论文 采用的c p u 芯片是a t m e l 公司的基于a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器 构建的a t 9 1r m 9 2 0 0 。外围器件有：l6 m b 容量的s d r a m 、4 m b 容量 的f l a s h 、5 12 k b 容量的s r a m 、扩展以太网芯片等。采用e p l d 可 编程逻辑芯片，减少了逻辑电路的数量，简化了设计，提高了可靠性； 后备电池用于掉电情况下s r a m 中数据的保持；为了监测装置本身的 运行状态，板上设计的温度测量电路，可以实时测量装置内的温度情 况，超温延时报警，用以保证装置运行的可靠性。在硬件设计方面， 插件采用多层印制板设计，绝大多种芯片和阻容件采用表面贴装技术， 芯片选用工业级标准、不同的功能模块分离设计等，增强了装置工作 的可靠性及安全性。 原理框图见图3 1 ： 图3 一lc p u 插件原理框图 3 1 2 1 基于a r t t 9 2 0 t 的微控制器a t 9 1r m 9 2 0 0 【3 6 】 a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 公司围绕a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器构建的 系统。具有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低 成本、高性能的计算机应用提供一个单片解决方案。 a t 91r m 9 2 0 0 包括一个高速片上s r a m 工作区及一个低等待时间的 外部总线接口( e b i ) ，以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映 射外设配置的无缝连接。e b i 有同步d r a m ( s d r a m ) 、 b u r s tf l a s h 及 静态存储器的控制器，并设计了专用电路以方便与s m a r t m e d ia 、 c o m p a c t f l a s h 及n a n df 1 a s h 连接。 1 7 山东大学硕士学位论文 高级中断控制器( a i c ) 通过多向量，中断源优先级划分及缩短中 断处理传输时间来提高a r m 9 2 0 t 处理器的中断处理性能。 外设数据控制器( p d c ) 向所有的串行外设提供d m a 通道，使其与 片内或片外存储器传输数据时不用经过处理器。这就减少了传输连续 数据流时处理器的开销。包含双指针的p d c 控制器极大的简化了 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的缓冲器链接。 并行i o ( p i o ) 控制器与作为通用数据的i o 复用外设输入输 出口线，以最大程度上适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入 变化中断、开漏能力及可编程上拉电阻。 电源管理控制器( p m c ) 通过软件控制有选择的使能禁用处理 器及各种外设来使系统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟产生器 来提供包括慢时钟( 3 2k h z ) 在内的选定时钟信号，以随时优化功耗与 性能。 a t 91r m 9 2 0 0 集成了许多标准接口，包括u s b2 0 全速主机和设备 端口及与多数外设和在网络层广泛使用的1 0 10 0b a s e - t 以太网媒体 访问控制器( m a c ) 。此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在 音频、电信、f l a s h 卡红外线及智能卡中使用。 为完善性能，a t 9 1r m 9 2 0 0 集成了包括j t a g i c e 、u a r t 调试通道 ( d b g u ) 及嵌入式实时追踪等一系列调试功能，这些功能极大地方便了 系统的开发和调试。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器主要特性如下： a r m 9 2 0 ta r m - t h u m b 微处理器核： 一在18 0 m h z 的工作频率下运行速度为2 0 0 m i p s ； 一内嵌16 k b 的数据c a c h e ，16 k b 指令c a c h e ，写缓冲区； 一全功能的m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) ； 一内嵌d e b u g 通信通道的e m u l a t o r ； 片内存储器： 一内嵌1 6 k bs r a m 和12 8 k br o m ，方便用户调试； 外部总线e b i 接口： 一支持s d r a m 、s t a t i cm e m o r y 、b u r s tf 1 a s h 、g l u e l e s s c o n n e c t i o nt 0c o m p a c t f l a s h 、s m a r t m e d i a t m 和n a n df 1 a s h ： 山东大学硕士学位论文 皇皇曼曼曼皇曼皇曼曼曼鼍曼曼皇i i i i i i_一ii i 皇皇 功能强大的片内外围电路： 一增强型的时钟产生器和电源管理控制器； 一带有两个p l l 的片内振荡器； 一慢速的时钟操作模式和软件电源优化能力； 一四个可编程的外部时钟信号； 一包括周期性中断、看门狗和第二计数器的系统定时器； 一带有报警中断的实时时钟( r t c ) ； 一调试单元，支持两线u a r t 的d e b u g 调试通道； 一带有8 个优先级、可单个屏蔽中断源、s p u ri o u s 中断保护的 先进中断控制器； 一7 个外部中断源和一个快速中断源； 一四个3 2 位的p i o 控制器，可达l2 2 个可编程i o 引脚( 每个 都有输入控制、可中断及开路输出能力) ； 一2 0 通道的外部数据控制器( d m a ) ； 1o m 1o o m 网卡： 一传输媒体独立接口( m ii ) 或精简传输媒体独立接口( r m ii ) ； 一集成2 8 字节的f i f o 和直接用于收发d m a 通道； 双u s b2 0 主口( 12m b its 秒) ： 一两个在片的收发器( 2 0 8 脚的p q f p 封装只有一个) ； 一集成的f if o 和d m a 通道； 一个u s b2 0 从口( 12m - b it s 秒) ： 一一个在片的收发器；2 k b 可配置的集成f i f o ； 多媒体卡接口( m u l t i m e d i ac a r di n t e r f a c e ，m c i ) ： 一支持自动协议控制和快速自动数据传输器： 一兼容m m c 卡和s d 存储卡，最多可支持两个s d 存储卡； 三个同步串行控制器( s y n c h r o n o u ss e r i a lc o n t r o l1e r s ， s s c ) ： 一每个收发器均有的独立的时钟和帧同步信号； 一支持i s 模拟接口，支持时分多路复用； 一支持3 2 位高速连续数据流发送； 四个同步异步收发器( u s a r t ) ： 1 9 山东大学硕士学位论文 一支持i s 0 7 816t 0 t l 标准智能卡； 一支持软、硬件握手功能； 一支持r s 4 8 5 传输、速度可达1 15k b p s 的红外传输； 一u s a r t l 带有全功能m o d e m 控制线； 主从串行外围接口( s p i ) ： 一8 16 位可编程数据长度，4 个外围芯片选择； 两个3 通道，16 位的定时器计数器( t c ) ： 一3 个外部时钟输入，每个i 0 通道有两个可以复用的i 0 口； 一双p w m 生成，捕获波形模式，向上和向下计数兼容； 两线接口( t w o - w i r ein t e r f a c e ，t w i ) ： 一以主模式支持所有两线的a t m e le e p r o m s 设备； i e e e114 9 1j t a g 边界扫描接口； 3 1 2 2f l a s h 存储器 两片容量为16x1m b i t 的f l a s h 芯片，其中一片存放启动代码、 v x w o r k s 操作系统、用户程序等，另一片用于存放参数文件及配置信 息等。f l a s h 的数据存取宽度为16 位，程序代码f l a s h 映射到 a t 9 1r m 9 2 0 0 的片选0 上，参数f l a s h 映射到a t 9 lr m 9 2 0 0 的片选3 上。 3 1 2 3s d r a m 存储器 主c p u 插件采用l6 m bs d r a m ，作为程序的运行空间。由两片 16 位数据宽度的s d r a m 存储器并联为3 2 位数据宽度的s d r a m 存储 系统，并映射到a t 9 1r m 9 2 0 0 的片选1 上。 3 1 2 4s r a m 存储器 512 k b 的外部s r a m ，作为数据空间，有后备电池连接，存储掉 电需要保存的信息和数据。映射到a t 9 1r m 9 2 0 0 的片选2 上。 山东大学硕十学位论文 a t 9 1r m 9 2 0 0 微处理器内部的16 k b 的s r a m ，被配置为堆栈区以 提高系统性能。 3 1 2 5 通用同步异步收发器( u s a r t ) 接口 a t 9 1r m 9 2 0 0 微处理器具有四个通用同步异步收发器u s a r t ( u n i v e r s a ls y n c h r o n o u s a s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 接口。提 供全双工通用同步异步串行连接。数据帧格式可编程( 数据长度，奇 偶校验位，停止位数) 以支持尽可能多的标准。接收器执行奇偶错误、 帧错误及溢出错误检测。接收器超时使能可变长帧处理，发送器时间 保障方便与慢速远程器件通信。接收与发送地址位也支持多点通信。 u s a r t 支持r s 4 8 5 总线提供的特殊操作模式，通过i s 0 7 8l6t = 0 或 t = 1 智能卡插槽、红外收发器并与调制解调器连接。硬件握手通信通 过r t s 与c t s 引脚自动管理溢出控制。 3 1 2 61o h 1o o m 以太网m a c ( e m a c ) 以太网m a c 是o s i 参考模型中界于物理层( p h y ) 与逻辑链路层 ( l l c ) 之间的m a c 子层的硬件实现，以太网m a c 支持m i i ( m e d i a i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 和r m i i ( r e d u c e dm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 模式的数据传输。 e m a c 主要特性如下： 与i e e e 标准8 0 2 3 兼容 10 或10 0m b i t s 每秒的数据吞吐能力 全双工或半双工操作 对物理层的m i i 或r m i i 接口 寄存器与地址、状态及控制寄存器连接 d m a 接口 信号接收与发送完成中断产生 2 8 字节发送与2 8 字节接收f i f o 发送帧的自动焊盘与c r c 产生 2 1 山东大学硕十学位论文 地址检查逻辑辨识四个4 8 位地址 支持混合模式，将所有有效帧复制到存储器中 支持物理层管理，通过m d i o 接口控制报警与更新时间日历 数据 主c p u 插件板通过m i i 接1 2 1 与p h y 芯片r t l 8 2 0 1 连接用于支持 以太网通讯。 3 2 交流采样插件设计 3 2 1 交流采样插件功能 交流采样利用交流变换器( p t 、c t ) 将交流电压和交流电流转换 成微机可以采集的弱的交流信号，通过微机对其进行离散采样，再通 过特定的算法计算出电压电流的有效值、有功功率、无功功率、相位 角、谐波分量、序分量等各种所需要的值。 相对常规的直流采样，交流采样具有速度快、投资省、计算灵活、 计算精度高、工作可靠、维护简单等优点，因而得到普遍的应用。 本装置的交流采样插件主要由电压转换单元、电流转换单元、通 道切换单元、电压跟随放大单元、模数转换单元、频率采集单元、控 制单元、总线接口