（电路与系统专业论文）基于DSP和ARM的金属氧化物避雷器测试系统的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：金属氧化物避雷器是电力系统中常用的一种过电压保护装置。它具有非常好 的非线性，在电力系统中得到了广泛的应用。金属氧化物避雷器测试系统用于在线 监测金属氧化物避雷器。本系统可以在不停电的情况下监测金属氧化物避雷器， 及时发现异常现象和事故隐患并采取预防措施。防止事故扩大造成经济损失。 本文主要致力于金属氧化物避雷器测试系统的硬、软件设计。本系统在结构 上分为采集处理单元和人机交互单元两部分，采集处理单元以d s p ( t m s 3 2 0 c 3 2 ) 为核心，完成对金属氧化物避雷器全电流和电压信号的采集和处理，算法中用了 外、自补偿法对金属氧化物避雷器进行在线测试。人机交互单元以a r m 芯片 ( l p c 2 2 1 4 ) 为核心，运行a c o s i i 嵌入式操作系统，完成显示和用户操作等功能。 本系统可以实时监控金属氧化物避雷器的工作状态，具有测量速度快，测量 精度高的特点，这种设计可以弥补现有单内核( 即基于d s p 或微控制器) 的嵌入式监 控系统的不足，在实际工作中得到了广泛的应用。 关键词：t m s 3 2 0 c 3 2 ；i 朋c 2 2 1 4 ；外补偿法；自补偿法： a b s t r a c t a b s l 耳a c i 。： m e t a lo x i d ea r r e s t e r ( m o a ) i sa l li n s t r u m e n to fo v e rv o l t a g ep r o t e c t i o nw h i c hh a s b e e nd e v e l o p e da n de x t e n s i v e l yu s e di nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m i th a sav e r yg o o d n o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c b ya p p l y i n gt h em o ao f f - l i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y w e 啪 n o to n l ym o n i t o rt h eo p e r a t i o no fm o aw i t h o u tu n n e c e s s a r yp o w e r - o f fo v e r h a u la ta n y t i m e ，b u tw ec a na l s od e t e c tt h ea b n o r m a lp h e n o m e n aa n dt h eh i d d e na c c i d e n to fm o a i nt i m e t h e r e f o r ew ec a nt a k em e a s u r e st op r e v e n tt h ea c c i d e n tg e t t i n gw o r s ea n dt o a v o i dt h ee c o n o m i c1 0 5 5r e s u l t e df r o mt h ea c c i d e n ti na d v a n c e t h i st h e s i sa i m sa tt h ed e s i g no fm o am o n i t o r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h i s s y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gu n i t ，u s e ri n t e r f a c eu n i t d s p ( t m s 3 2 0 c 3 2 ) i st h ec o r eo fa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gu n i t i tp e r f o r m e dt h e a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fa l l c u r r e n ta n dv o l t a g es i g n a l s o u t e r - s e l fc o m p e n s a t e a l g o r i t h mw a sa p p l i e dt od oo n l i n et e s t a r m ( l p c 2 2 1 舢i st h ec o r eo fu s e ri n t e r f a c e u n i t ，r u n n i n g m c o s i ie m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m i tp e r f o r m sd i s p l a ya n du s e r f u n c t i o n s t h i sm o am o n i t o rc a nd 0o r l i n et e s tw i t hh i g hs p e e da n dp r e c i s i o n i th a sg o t p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h i sd e s i g ni m p r o v e do ns i n g l e c o r ee m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：t m s 3 2 0 c 3 2 ；l p c 2 2 1 4 ；o u t e rc o m p e n s a t i o n ；s e r fc o m p e n s a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了艇北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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) 学位论文作者签名普霖爱 签字日期：2 司年， 月弘e t j e 鏖銮垣丕生亟生焦丝塞蕉剑选查明 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，除了文巾特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通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。 学位论文作者签名：菩霖聚签字日期：j 口归明为同 致谢 本论文的工作是在我的导师陈后金教授的悉心指导下完成的，陈后金教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 陈后金老师对我的关心和指导。 候建军教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向候建军老师表示衷心的谢意。 胡健教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，牛永琴、曾璇等同学对我论文中的d s p 研究 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父亲姜华，母亲罗振亚，他们的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业。 1 引言 1 1 金属氧化物避雷器在线监测的意义 金属氧化物避雷器( 简称m o a ) 是一种重要的过电压保护装置，其性能的优 劣不但对电气设备安全运行起着很大的作用，而且对电力系统的经济效益，特别 是对超高压输电系统建设的经济效益，具有显著的影响。自7 0 年代以来，各国对 以氧化锌为主要成分制造的金属氧化物避雷器( 又称为氧化锌避雷器) 进行了大量 的研究，这种新型的避雷器具有异常优异的非线性特性和良好的流通能力，给设 备提供更低的保护水平和更大的保护裕度，对超高压系统显得尤为重要。 m o a 是一种新型的保护器，它具有非常好的非线性。在长期的工作电压作用 下，流过m o a 的电流仅为微安级，m o a 一般没有串联间隙，将因长期直接承受 工频电压作用而产生劣化现象，引起m o a 电阻特性的变化和全电流的增加。此外， 当m o a 结构不良，密封不严而使避雷器内部构件和阀片受潮时，也会导致运行中 m o a 全电流的增加，其中全电流中阻性分量电流的急剧增加，会导致阀片温度上升 而发生热崩溃，造成m o a 爆炸事故。因此，要求对m o a 的全电流进行在线监测， 以便能实时连续、有效地了解其中运行状况，为m o a 安全运行提供保证。 m o a 在线监测是近年来国内外同行研究的一个重要课题，根据大量有关文献和 资料来看，在m o a 在线监测中的信号取样，信号调理和转换等方面都已经做出了 大量的研究和试验，有力地推动了这一领域的发展，但是根据目前现场试验的结 果来看。尽管m o a 在线监测的装置种类很多，原理也不尽相同，但其测量精度受 到诸多因素的影响，不能正确反映m o a 的运行状况，以致m o a 出现问题后不能及 时发现和解决而导致事故发生，给电力系统的安全运行带来损失。因此有必要开 发出一套准确实用，抗干扰性好的m o a 在线监测装置，这将为m o a c 6 f j 造厂和科研 单位用于m o a 的研究以及m o a i 蚕行部门的在线监测带来极大的方便，并对电力系 统的安全运行有着深远的意义。 1 ，2 金属氧化物避雷器在线监测的发展状况 目前，国v q # l - 对m o a 的检测技术进行了大量的研究，并提出了多种在线检测 的方法。主要有监测全泄漏电流i ) 【法、监测阻性电流的三次谐波分量h 3 法、补偿 法、红外带电检测法等。 1 监测全泄漏电流k 全泄漏电流法( 简称全电流法) 是早期m o a 检测广泛使用的一种方法。该方 法的主要原理是直接检测m o a 的全电流。根据其大小变化来判断m o a 的运行状 态。当m o a 受潮或发生劣化时，其全电流中阻性电流分量发生变化，从而引起全 电流发生变化，因此可以根据全电流的大小变化对m o a 运行情况进行判断。但是， 阻性电流在全电流中所占的比例较小，常常出现阻性电流已经发生很大变化，而 全电流仍变化较小的情况，因此用全电流对m o a 的运行情况进行判断准确度很 低。该方法原理简单、易于实现，可以用于那些不是很重要的m o a 检测或用于 m o a 运行情况的初判。 2 监测阻性电流的三次谐波分量h 3 从避雷器总泄漏电流中检测出三次谐波阻性电流分量h 3 ，此法又称零序电流 法，零序电流通过三相接地在线的小c t 测取，当系统电压不含谐波分量时，三相电 流中的基波分量( 容性电流i c 和基波阻性分量i t 3 ) 互相抵消，接地线中只剩下三 次谐波零序电流l o ，它等于各相三次谐波阻性电流之和，即1 0 - - 3 1 r 3 ，三次谐波阻性 电流随阻性电流的增加而增加，并且总的阻性电流与三次谐波分量之自j 成一定的 比例关系。在线检测中，m o a 正常工作时的h 3 数值较小。当一相或者三相避雷 器出现问题时，三相电流不平衡，1 0 增大，且含有基波成份，因此能发现故障。 3 补偿法测阻性电流i r m o a 阀片的劣化反映为阻性电流增大，因此直接测量阻性电流反映其劣化较 为灵敏。根据m o a 的等效电路可以在测量时抽取系统电压信号，补偿总泄漏电流 中的容性电流分量，测出阻性电流分量，此方法叫做补偿法。目前日本的l c d - 4 型泄漏电流检测仪即采用补偿法。补偿法也有缺点： 1 ) 如果测试现场的电场干扰使容性电流与电压相差不是9 0 。，则不能将容性电流分 量i c 完全补偿掉，此时误差很大； 2 ) m o a 在现场运行，由于相间耦合，使各相避雷器除受本相电压作用外，还通过相 问耦合电容受到相邻相电压的作用，从而影响检测结果的准确度。当前减少此误差 的有效措施是采用移相器对电压信号移相，再应用l c d 4 仪器进行检测，以弥补由 于相邻相耦合的容性电流造成被监测相的容性电流相位与参考电压相位不是i - i 2 的偏差。实践证明，三相避雷器一形排列时。a 和c 两相的电压分别向后和向前移约 3 0 5 0 ，可以较好地修j 下此偏差； 3 ) 氧化锌阀片非线性支路的交流伏安特性随线在电压、电流同时过零的情况下不 同程度地存在着滞回现象，这说明在电网电压为j 下弦函数波形时。流过氧化锌阀片 的电流波形峰值与电压波形峰值不重合，电流波形呈现个奇谐函数的形态，使 检测出的阻性电流相位误差较大，从而造成波形误差较大，幅值上存在误差，非 2 韭塞銮垣友堂亟堂焦逾塞i i直 线性支路电流基波误差可达到1 5 ； 4 ) 电网电压含有谐波成份，谐波电压与基波电压初相不同时，电网电压波形即 为一个奇谐函数波形，造成监测结果误差。 4 红外带电检测法 红外带电检测法从另一个角度对m o a 的运行状态进行检测。该方法是用红外 探测仪检测被测目标的红外辐射信号，然后经放大、转换处理后得到红外热象图， 由程序分析得到m o a 各节电阻片的温度，以此来确定m o a 的运行情况。该法为 非电气检测法，操作简单，很适合现场使用，安全性和灵敏度均较高。但m o a 的 发热很大程度上取决于运行时的电压分布，当相电压改变5 时，m o a 的能量变 化可达2 0 直接导致m o a 的温度变化1 2 ，而电压效应热象图显著特征是发热 量较小，导致温升很小，因此容易受外界的干扰。目前对于用红外带电检测法的 故障判断标准已有了些研究，如果同一相每节之f a 】的温差接近1 或1 节之中上下 部位之间的温差大于0 5 就应视为异常。 除上述各种检测方法之外，为了提高m o a 检测及故障诊断的准确度，小波技 术去噪及模糊星座聚类分析等处理方法也在m o a 检测中有少量应用。 由上述可知，目前国内外几种常用的m o a 在线检测方法都有其各自的优点， 但也不同程度地存在一些缺点。如果能够把不同的方法有机地结合起来，采用多 种方法对m o a 的运行状况进行综合检测和判断，将有望能够提高避雷器的检测和 诊断水平，在本系统中，主要是通过补偿法来实现的。 1 3 本文的工作 1 在研究目前的各种m o a 检测方法的检测原理以及优缺点的基础上设计一套能够 有效提高其在线检测精度的金属氧化物避雷器检测系统； 2 设计了以1 m s 3 2 0 c 3 2 型d s p 和l p c 2 2 1 4 型a r m 为核心包括a d 转换、系统时钟以 及“看门狗”复位电路等功能模块的硬件电路； 3 针对硬件的各个功能模块进行相应的软件编程，并利用t m s 3 2 0 c 3 2 型浮点d s p 的强大数据处理功能来完成包括f f t 运算、加窗运算以及幅值及相角计算等m o a 综合在线检测的数据处理，并进行系统的整体调试； 2 金属氧化物避雷器测试系统的基本原理和结构 2 ，1金属氧化物避雷器测试仪的基本原理 金属氧化物避雷器( 简称m o a ) 在我国投入运行己有2 0 多年的历史。至今， 对于m o a 的运行寿命及m o a 劣化的判据仍然是运行部门最为关心的问题。金属 氧化物避雷器保护性能的下降，主要有两方面的原因：一方面阀片老化，另一方 面是受潮，使得其非线性特性非常差，体现在特征量上是系统正常运行电压下的 阻性电流高次谐波分量显著增加，而阻性电流基波分量相对减少，因此，为了进 一步更加准确地判断金属氧化物避雷器性能下降的原因，必须随时对其阻性电流 峰值和基波有效值等特征量进行在线测试。它可以准确地分析氧化锌阀片是老化 或是劣化现象。工程中，氧化锌阀片在小电流区域内的等效电路见图l 。 i ri c r - - 一一非线性电阻 c - - 一一品界电容( 近似为定值) i x - - 一一全电流 i t - - 一一容性电流分量 i t - - 一一阻性电流分量 图1 氧化锌阀片小电流区域等效电路 f i g 1s m a l lc u r r e n to fz n oe q u i v a l e n tc i r c u i t 由图t 可得，i x = l r + i c , 在本次金属氧化物避雷器测试系统的设计中，用的就 是容性电流补偿法，容性电流补偿法就是在全电流i x 中把j c 补偿掉，得到阻性电流 i r 的方法。原理可以用下式表示： f ：也一g 1 矽( w o - 0 ( 1 ) 其中u , i 是外加电压u ，移相9 0 。所得，即与容性电流同相位。当容性电流被完 全补偿掉时f 。一g 。就等于毒，利用式( 1 ) 可求得补偿系数g l ，然后即可利用( 2 ) 4 式得阻性电流分量： t r t l i ：一i l g p d 但是，当外加电压含有谐波成分时，利用上面的方法将不能去除容性谐波电 流，这样容性谐波电流就混入阻性电流中给阻性电流的测量造成误差。因此这里 提出改进的容性电流补偿法，可准确地去除基波及各次谐波容性电流。这样就可 以避免因容性谐波电流的混入而造成对阻性电流的测量误差。对外加电压和全电 流进行f 王可变换，找出各次电压和全电流谐波的幅值和初相位，得到阮p ) 和0 0 ) 。 然后把式( 1 ) 做如下改动： e t q 广g 。矽( 旧= o ( 3 ) 其中：g l 为基波补偿系数，t 。为全电流基波分量，【0 。为基波电压移相9 0 。当 基波容性电流完全被补偿掉时，( 3 ) 式成立，利用( 3 ) 式即可算出基波补偿系数g 1 。 由于m o a 阀片的品界电容可以认为近似不变，所以谐波补偿系数e 可由下式算 出： 玩2 n g l ( 4 ) f ，= 取- n ：p ( 5 ) 其中：g 为谐波补偿系数，u 咖为各次谐波电压移相9 0 。，l = 1 ，2 ，3 ，4 。5 ， 由( 5 ) 就可以把基波和谐波容性电流分量去掉，这样就可以消除因容性谐波电流 混入阻性电流而造成的测量误差。 2 2金属氧化物避雷器测试系统的整体结构 在这次项目中所设计的金属氧化物避雷器测试系统，整体的结构框图如下 爵 一 t m s 3 2 0 双口l p c 2 2 1 4 c 3 2 r a h 叵卜畔墨r 电池电压监视h 广 图2 金属氧化物避雷器测试系统的整体结构图 f i g 2t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fm o a 由一片d s p 加上内存、模数转换单元和外设接口就可以构成一个完整的控 制系统，但这种方案要达到高速实时控制是不可行的。因为一个实时控制系统一 般需要完成数据的采集、模数转换、分析计算、实时程控以及显示等任务，单 靠一片d s p 来完成这些工作势必会大大延长系统对控制对象的控制周期，从而影 响整个系统的性能。所以需要另一个c p u ，负责数据的通信，分担d s p 的部分工 作，使d s p 专注于系统控制算法的实现。这个c p u 从性价比的角度考虑采用了 a r m 7 。这时两个c p u 之间就可以利用双口r a m 实现数据共享。与串行通信相 比，采用双口r a m 不仅能使数据传输速度高，而且抗干扰性能好。在这次设计 中，采用的就是i 唧v 2 8 型号的双口r a m ，实现了d s p 和a r m 之间的通信， d s p 主要负责采样，计算等功能，包括一些算法的实现，a r m 主要完成人机接口、 显示等，结构如图2 所示。 6 j e 塞窑疆盍堂亟堂焦监毫金屡氢氆物堡重墨捌遣丕箕曲缝鲑递让 3 金属氧化物避雷器测试系统的硬件设计 硬件设计一般流程如下：首先确定硬件方案，再进行器件选型，然后在结合 系统分析和系统综合的情况进行原理图及p c b 图设计，最后进行硬件调试，完成 整个硬件设计工作，下面分别介绍数据采集处理单元和人机交互单元的硬件设计。 3 1 采集处理单元的硬件设计 3 1 1 浮点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 2 的硬件资源 1 c p i j t m s 3 2 0 c 3 2 采用p c m 封装，有1 “个引脚。1 m s 3 2 0 c 3 2 的c p u 结构以寄存器 为基础。其c p u 由以下各部分组成：浮点整数乘法器、整数浮点算术逻辑单元 a l 朋，3 2 b i t 桶形移位元器、片内总线( c p u l c p u 2 ，r e g l r e g 2 ) 、辅助寄存器算术 单元a r a u ，c p u 寄存器。 1 ) 浮点整数乘法嚣 1 m s 3 2 0 c 3 2 有一个3 2 2 4 位的浮点整数乘法器，这个乘法器可以在单周期内 完成3 2 位浮点和2 4 位整数的乘法，为了达到更高的性能，可以采用并行指令在 单周期内完成一次乘法和a l u 操作。当进行浮点乘法时，输入是3 2 位单精度浮 点值，而输出则是4 0 位的扩展精度浮点数；整数乘法时，输入是2 4 位，而输出 则是3 2 位； 2 ) 整数浮点算术逻辑单元a l u t m s 3 2 0 c 3 2 的整数浮点算术逻辑单元a l u 可以进行单周期的3 2 位整数、 3 2 位逻辑数和4 0 位的浮点数的操作，a l u 的运算结果是3 2 位整数或4 0 位的浮 点数。内部的桶形移位器可以在单周期内进行高达3 2 位的左移或右移。内部总线 c p u l c p u 2 和r e g l r e g 2 可从内存中取两个操作数和从寄存器中取两个操作数， 这就使得对四个操作数进行乘和；b t l 减的运算可以在单周期内完成； 3 ) 辅助寄存器算术单元a r a l j t m s 3 2 0 c 3 2 内的两个辅助寄存器算术单元a r a u 可以在单周期内产生两个地 址。a r a u 的操作是和乘法器及a l u 的操作并行进行的。a r a u 可以支持包括置 换、变址寄存器( i r 0 ，1 r 1 ) 、循环及位倒序在内的多种寻址方式； 4 ) c p u 主要寄存器 1 m s 3 2 0 c 3 2 提供了2 8 个寄存器，这些寄存器由乘法器和a l u 操作，可以用 作通用寄存器。这些寄存器主要包括8 个扩展精度寄存器( r 0 - r 7 ) 、8 个辅助寄存 器( a r 7 一a r 0 ) 、数据页指针( d p ) 、变址寄存器( i r 0 ，i r l ) 、块寄存器( b l ( ) 、系 统堆栈指针( s p ) 、状态寄存器( s t ) 、c p u 标志寄存器( 1 f ) 等，它们主要完成一些 如存放数据、作为累加器、寻址、堆栈管理、处理器状态、中断控制、块重复、 中断向量表的复位等功能； 寄存器功能： ( 1 ) 扩展精度寄存器( r 7 r o ) 这8 个扩展精度寄存器r 7 - r 0 是用来储存和支持3 2 位整型和4 0 位浮点数操 作的，可当累加器使用，特别适合用于存放扩展精度的浮点结果。这些寄存器是 由两部分区域组成：位3 9 和3 2 用来存储浮点数的指数：位3 1 0 用来存储浮点数的 尾数，其中位3 1 是符号位，位3 0 - 0 是小数位。任何操作数为浮点数的指令使用 3 9 - 0 位：如果操作数为8 位有符号或无符号的指令则仅使用位3 1 0 ，位3 9 和3 2 保留不变； ( 2 ) 辅助寄存器( a r 7 a r 0 ) 8 个3 2 位辅助寄存器a r 7 a r 0 可以被c p u 访问并且可以被辅助寄存器算术 单元a r a u 改变，其主要的功能是支持一系列间接寻址方式，即产生2 4 位地址， 它们也可以作为3 2 位通用寄存器； ( 3 ) 数据页指针( d p ) 数据页指针是一个3 2 位的寄存器，必须使用l d p 指令装载，每一页有6 4 k 字长，共有2 5 6 页，只有低8 位被用来寻址； ( 4 ) 变址寄存器( i r 0 ，i r l ) 3 2 位变址寄存器i r 0 ，i r l 被a r a u 用来变址寻址； ( 5 ) 块寄存器( b l ( ) 3 2 位块寄存器b k 被a r a u 用来在进行循环寻址时指明数据块的长度； ( 6 ) 系统堆栈指针( s p ) 系统堆栈指针s p 是一个3 2 位的寄存器，它存放系统堆栈栈顶的地址，s p 总 是指向最后一个压进堆栈的元素。压栈操作前s p 增值，而出栈操作后s p 减值。 中断、陷阱、子程序调用、子程序返回以及p u s h 和p o p 指令都会影响s p ； ( 7 ) 状态寄存器( s t ) 状态寄存器包含了与c p u 状态有关的全局信息。典型的工作方式是，有些操 作根据运算的结果是否为零、为负等来设置状态寄存器的条件标志。这些操作包 括寄存器装入和存储以及算术与逻辑功能等。状态寄存器装入后，就与源操作数 的内容完全相同，这就使得保存与重建状态寄存器的值十分方便； ( 8 ) c p u d m a 中断使能寄存器( i e ) 这是一个3 2 位的寄存器。c p u 中断使能位是0 - 1 0 位。d m a 的中断使能位是 8 2 6 - 1 6 位。c p u d m a 中断使能寄存器中的位置1 ，使能相应的中断：置0 则禁止相 应的中断； ( 9 ) c p u 中断标志寄存器( i f ) l f 是一个3 2 位寄存器，c p u 中断标志寄存器中的位置1 ，表示相应的中断被 设置，置o 表示相应的中断未被设置： ( 1 0 ) 输入输出标志寄存器( 1 0 f ) 1 0 f 用来控制专门的外部引脚x f 0 与x f i 的功能。这两个引脚可由软件设置 为输入或输出，也可用作1 m s 3 2 0 c 3 2 的互锁操作，用于多处理器之间的通信； ( 1 1 ) 涉及循环的寄存器( r c r s ，r e ) 循环计数器r c 是一个3 2 位的寄存器，用来决定指令块循环执行的次数。当 处理器工作于循环模式时，3 2 位的循环开始地址寄存器r s 装的是需要循环执行 的指令内存块的起始地址，而3 2 位的循环结束地址寄存器r e 装的是该块的结束 地址： 0 2 ) 程序指针( p c ) 这是一个3 2 位的寄存器，装的是下一条被取的指令的位元址。尽管p c 并不 是c p u 寄存器堆的一部分，但它可以由修改程序执行顺序的指令来修改。 2 内存 t m s 3 2 0 c 3 2 的内部资源相当丰富。其内部包含了两个2 5 6 * 3 2 位的快速r a m 块。分开的程序总线、数据总线和d m a 总线，使得取指、读写数据和d m a 操作 可并行进行，如c p u 可以在一个总线内完成下列操作：在一个r a m 块中存取两 个数据值，进行一次外部取指，d m a 装入到另一个r a m 块。6 4 * 3 2 位的指令缓 存用来存储经常使用的代码块，这可大大减少了片外访问的次数，从而提高程序 的运行速度。( 由于地址总线是2 4 位，因此1 m s 3 2 0 c 3 2 可以访问多达1 6 m 的3 2 位字的内存空间，程序、数据和i 0 空间都包含在t m s 3 2 0 c 3 2 这个1 6 m 的空间 中。) 程序和数据空间由s t r b o 和s t r b l 控制，而i o 空间由i o s t r b 控制。 1 m s 3 2 0 c 3 2 的内存有两种组织形式，即微处理器方式( m c m p - 1 ) 和微计算机方 式( m c m i 队= 0 ) ，其地址分配如图3 所示。微处理器模式就是我们所说的监控模式， 在这种模式下，外部内存地址一般从0 x 0 歼始，r o m 地址一般设计在高端，帕 区地址也设计在高端。微电脑模式及脱机运行模式，在这种模式下，运行程序存 放在r o m 中，上电启动时利用c p u 中固化的b o o tl o a d e r 程序将应用程序调入 内存，然后启动应用程序。t m s 3 2 0 c 3 2 采用4 0 m h z 有源晶振，并且通过跳线决 定其工作模式是微计算机模式还是微处理器模式。 0 h 8 2 h 硎 8 3 0 0 0 0 h 8 7 f d f f h 8 7 f 咖h 8 7 f e f f i 8 刀：f 0 0 睡 8 7 l ：f 硎 8 8 0 0 0 0 h 8 h 下h 硼 9 a 舢h f i 下f i = f i i r e s e t v e c t o rl o c a t i o n e 。x t e r n a lm e m o r y s t r 肋a c t i v e 侣1 9 2 mw o r d s ) r e s e x 、，e d ( 3 2 k w o r d s ) p e r i p h e r a lb u s m e m o r y m a p p e d e g i s 坫6 f 6 kw o f d si n t e r n a l ) r e s e r v e d ( 2 6 k w o r d s ) ! ! ! 里a lm e m o r y i o s t r ba c t i v e ( 1 2 8 k 1 ( 1 2 8 kw o r d s ) r e s e r v e d ( 3 1 9 5 kw o r d s ) r a mb l o c k 0 ( 2 5 6w o r d si n t e r n a l ) r a mb l o c k l ( 2 5 6w o r d si n t e r n a l ) e x t e r l l a lm e m o r ys t r b 0a c t i v e ( 5 1 2 kw o r 出) e x e m a lm e m o r ys t r b la c t i v e f 71 6 8 mw o r d s ) 明 0 唧i 1 咖h 1 0 0 1 h 8 2 f l 下f h 8 3 0 【 删 9 7 f d 删 8 7 f e 0 0 h 8 7 f e f f h 8 7 l 硼h 8 7 n 下f i i 8 8 0 c 1 0 0 h 8 f i 下f f h 9 舢0 h 9 0 0 0 0 1 h f f f f f n l r e s c r v e df o rb o o t 1 0 a d e r o p e r a t i o n b o o t l e m e m a tm e m o r y s t 唧a c t i v e f 8 1 9 2 mw o r d s ) r e s e r v e d ( 3 2 k w o r d s ) p e r i p h e r a lb u s m e m o r y m a p p e dr e g 洳q r $ ( 6 kw o r d si n t e r n a l ) r e s e r v e d ( 2 6 k w o r d s ) b o o t 2 e x t e r n a lm e m o r y i o s t r ba c t i v e ( t 2 8 鼢 ( 1 2 8 kw o r d s ) r e s e r v e d ( 3 1 9 5 kw o r d s ) r a mb l o c k 0 ( 2 5 6w o r d si n t e r n a l ) i b l o c k l 0 5 6w o r d si n t e r n a l ) e x t c m a lm e m o r ys t r b 0a c t i v e ( 5 1 2 kw o r d s ) b o o t 3 e x t e r n a lm e m o r ys 。t 。r 。b la c t i v e ( 7 1 6 8 mw o r d s ) m i c r o c o m p u t e rm o d e 图3t m s 3 2 0 c 3 2 的内存组织及引导方式 f i g 3t m s 3 2 0 c 3 2m e m o r yo r g a n i z a t i o na n db o o t - l o a d e rm o d e 3 总线操作 1 ) 内部总线操作 t m s 3 2 0 c 3 2 的高性能在很大程度上归功于其内部总线结构及由之带来的并行 1 0 要= = 黧l l 磊 性。分开的程序总线、数据总线以及d m a 总线可以使取指、数据访问及d m a 同 时进行。这些总线连接着各个实际的部件。程序计数器接到2 4 位的程序地址总线。 指令寄存器接到3 2 位的程序数据总线，这些总线可以在一个周期内取一个指令字。 2 4 位的数据地址总线以及3 2 位的数据总线支持在每个机器周期内做两次内存访 问。d a t a 总线越过c p u l 及c p u 2 总线将数据送给c p u 。c p u l 和c p u 2 总线可 以在每个机器周期内将两个数据存储器的操作数送给乘法器、a l u 和寄存器。同 样，位于c p u 内部的寄存器总线r e g l 和r e g 2 可以在每个机器周期内将两个数 据从寄存器送给乘法器和蛆朋。d m a 控制器是由2 4 位地址总线和3 2 位数据总线 支持的。这些总线使得数据总线与程序总线访问内存的同时，并行地执行d m a 对 内存的访问，数据访问和d m a 同时进行。 2 1 扩展总线操作 t m s 3 2 0 c 3 2 的增强型外部总线接口对于c p u 访问外部内存提供了极大的灵 活性，t m s 3 2 0 c 3 2 的外部总线接口包括如下性质： ( 1 ) 外部程序内存的宽度是1 6 位还是3 2 位由一个外部引脚p r g w 决定。当p r g w 为 高，程序从外部1 6 位内存执行；当p r g w 为低，程序从外部3 2 位内存执行： ( 2 ) 两组内存选通s t r b ( s t r b o v 和s t r b i ) 和一组i o s t r b 用于对外部两组存内存 和一组外设的零等待操作，通过两组s t r b ( s 1 r i m o 和s t r b e ) 和一个i o s t r b 实现 c p u 对外设访问，不加其它辅助电路的最简设计； ( 3 ) 每组s t r b 的总线控制寄存器可以用软件来控制等待状态产生的个数、外部内 存宽度和数据类型( 8 ，1 6 或3 2 位) ； ( 4 ) 每组s t r b 可以根据用户数据长度的需要，灵活控制外部8 ，1 6 或3 2 位外部数据 访问： ( 5 ) 通过h o l d 和h o l d a 信号引脚，s t r b 可用于多处理器操作。 4 t m s 3 2 0 c 3 2 的外部设备 所有t m s 3 2 0 c 3 2 的外部设备都是通过内存映像的寄存器对外设总线进行控 制，外设总线由3 2 位数据总线和2 4 位地址总线组成，允许与外设直接通信。其外 设包括两个定时器、一个串行口和两个d m a 。 1 1 定时器 t m s 3 2 0 c 3 2 内部提供的两个定时器都是通用的3 2 位时恻事件计数器。包括 两个信号模式和内部或外部时钟。每个定时器都有一个i 0 引脚，既可以将输入时 钟信号送给定时器，也可以作为由定时器驱动的输出信号引脚。该引脚还可以作 为通用的i 0 脚。每一个定时器都使用三个内存映像的寄存器，印定时器全局控制 寄存器、定时器周期寄存器和定时器计数寄存器。全局控制寄存器规定了定时器 的工作方式，周期计数器规定定时器信号的频率，而计数器包含定时器当前的计 数值，计数至周期寄存器的值时就清零。内部时钟的频率是h 1 2 ，如主振频率为 4 0 m h z ，则内部时钟频率为1 0 m h z 。外部时钟频率不能高于内部时钟频率。定时 器输出信号频率有两种方式：脉冲方式和时钟方式。两种方式的信号频率分别为： 脉冲方式：f - 定时器时钟频率周期寄存器值 时钟方式：f - 定时器时钟频率( 2 $ 周期寄存器值) 当定时器的计数寄存器复位为o 时产生一个定时器中断； 串行口 t m s 3 2 0 c 3 2 有一个串行口，它是通过内存映像的寄存器对外设总线进行控制， 串行口支持8 ，1 6 ，2 4 ，3 2 位双向数据交换，它的时钟可以由内部产生也可以由外部 提供，串行口的引脚可以配置成通用的i o 引脚，特殊的握手方式可保证 1 m s 3 2 0 c 3 2 与串行口的同步； 3 1 直接内存访问( d m a ) t m s 3 2 0 c 3 2 不仅具有片外的h o l d 功能，而且在片内提供了两个d m a 控制 器，可以在存储空间的任何部分之自j 或内存与外设之间快速地传递数据，而不干 扰c p u 的操作，在t m s 3 2 0 c 3 2 中，d m a 有自己独立的数据和地址总线，因此 t m s 3 2 0 c 3 2 可与外部的慢速内存或外设接口而不降低c i u 的吞吐量。 3 1 2 数据处理单元的存储空间分配 内存的分配取决于处理器是工作在微处理器方式还是微计算机方式。本开发 系统中，1 1 、，1 s 3 2 0 c 3 2 工作在微处理器方式，其内存空间的具体分配如下： 闪存f l a s hm e m o r y ，0 0 0 0 0 0 0 i - 0 7 f f f f f h ， 在f l a s hm e m o r y 与 t m s 3 2 0 c 3 2 硬件接口时，s t r b 0 参与片选两片a m 2 9 f 4 0 0 b 芯片的片选使能 信号c e 分别由s t r b 0 - b 0 ，s t r b 0 b 1 来控制。f l a s hm e m o r y 主要用来保存程 序和需要掉电保存的重要数据( 包括系统引导参数、整定值参数、功能组态参数、 密码等) 。 e r a m 内存芯片c y 7 c 1 0 4 1 占存储空间范围是9 0 0 0 0 0 h 9 2 f f f f h ，在e r a m 与t m s 3 2 0 c 3 2 硬件接口中，两片c y 7 c 1 0 4 1 芯片的片选使能信号c e 分别由 s t r b i 一1 3 0 ，s t r b t b 1 来控制。该存储块主要在实现将存放在f l a s hm e m o r y 的 程序搬运到s r a m 中高速运行时，用来存放执行程序和存放l 临时数据。 外围器件a d 、时钟、看门狗电路等硬件的控制地址产生在8 1 0 0 0 0 h 一8 2 f f f f h 存储空间范围，在这些外围器件与t m s 3 2 0 c 3 2 实现硬件接口时，1 0 s t r b 均参与 统一编址，实现对相互独立的存取空间的使用而不会出现冲突。t m s 3 2 0 c 3 2 芯片 内部的r a mb l o c k 0 所处存储空l 日j 位置是8 7 f e 0 0 h 8 7 f e f f h ，用来存储程序中 的d a t a 段和程序中的一些重要的临时数据。r a mb l o c k l 所处存储空间位置 是8 7 f f o o h 8 7 f f f f h ，用来存储程序中一些重要的临时数据。主要分配如表1 所 不： 表1 数据采集和存储空间分配 t a b i r ea o c a t i o no fd a l aa c q l l j s i t i o n ds t o r a g es p a c e o n ( m j pm e m o r y l t a mb 1 0 c 如 r a mb 1 0 c k l 8 7 i 毫0 0 h 8 7 f e 硎 8 弭下0 0 h 8 7 l 下f f h e x i e m “m e m o r y 3 1 3 数据处理单元的硬件设计 1 复位电路设计 m a x l 2 3 2 是t m s 3 2 0 c 3 2 的上电复位和看门狗芯片。正常情况下t m s 3 2 0 c 3 2 应该每隔一段时间对m a x l 2 3 2 的定时器复位，当t m s 3 2 0 c 3 2 程序跑飞时 m a x l 2 3 2 会时给出一个r e s e t 电平将1 m s 3 2 0 c 3 2 复位。m a x l 2 3 2 产生复位电 平的时间一般在6 2 5 m s 至2 5 0 m s 之间，而且这个时间是固定不变的。 复位电路的设计如图4 所示： v c c r 6 1 0 k 图4t m s 3 2 0 c 3 2 的复位电路设计 f i g 4d e s i g no f t m s 3 2 0 c 3 2r e s e tc i r c u i t 2 t m s 3 2 0 c 3 2 总线及内存接口设计 本系统中，t m s 3 2 0 c 3 2 总线和与外部内存的接口有4 个，分别为程序f l a s h ， 数据f l a s h ，两片e r a m 。1 m s 3 2 0 c 3 2 有一定的总线驱动能力，所以如果外围 器件不多的话，都可以直接挂在总线上，并不需要特别的驱动。而各外围器件所 需要的控制信号理论上应该由地址信号和读写信号逻辑合成得到。这些逻辑的设 计是通过c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 来实现的，其编程工具为a l t e r a 公司的 m a x + p l u s l l 。 系统中的f l 蟠h 内存分为两种，一种是程序f l a s h ，一种是数据n a s h ， 程序f l a s h 内存用来存放程序代码，由于t m s 3 2 0 ( 2 3 2 的程序代码是3 2 位的，所 以为了方便起见，选用两片1 6 位数据位的a m 2 9 f 4 0 0 b e c 芯片组成3 2 位宽度， 分别作