（电路与系统专业论文）基于dsp的馈线式远方终端设计.pdf

摘要 本文提出了一种基于d s p 实现的馈线式远程终端的设计方案。系统通过6 路 电流采集、6 路电压采集、1 6 路的状态采集以及2 路的脉冲采集获取相应的数据 信息；以高性能数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心构成数据处理单元；以高 性价比的可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 为全局控制器；同时数据可以通过键盘和数码 管进行现场控制。本文首先介绍系统设计的总体结构，并详细阐述了各主要功能 模块的工作原理、软件设计思想，最后给出了系统的设计结果。 关键词：数字信号处理器可编程逻辑器件数据采集 一一一 a b s t r a c t ad e s i g no ft h ef e e d e rt e r m i n a lu n i tb a s e do nd s pi sp r e s e n t e d a n i n t e g r a t e dp r o t o t y p e i s c o m p o s e d o fa6 - c h a n n e lv 0 1 t a g e c 0 1 1 e c t o r ，a6 - c h a n n n e lc u r r e n tc o l l e c t o r ，a1 6 - c h a n n e ls t a t ec o l l e c t i o f i a2 - c h a n n e li m p u l s ec o l l e c t o r ，ad a t ap r o c e s s i n gu n i tw h o s ec o r ei s d s p ， ag e n e r a lc o n t r o ll e ri nw h i c hc p l di su s e d t h ea r c h it e c t u r eo ft h es y s t e m i sd e s c r i b e df i r s t t h e nt h e p e r f o r m a n c eo ft h em a j o rp a r t sa n dt h e d e s i g no fs o f t w a r ea r ea n a l y z e d a tl a s tt h er e s u l to ft h ed e s i g ni s d js c u s s e d k e yw o r d s ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c p l dd a t aa c q u i s i t i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 绪论 随着社会经济的发展，电力用户对供电的可靠性、电能质量和服务水平的要求不 断的提高；供电企业提高自身效益和效率已成为生产经营的目标。为适应供需双方的 要求，配电自动化及管理系统的建设已迅速推进。 配电自动化及管理系统是利用现代电子技术、通讯技术、计算机及网络技术，将 配电网实时信息、离线信息、用户信息、电网参数结构、地理信息进行集成，构成完 整的自动化管理体系，实现配电系统的正常运行以及事故情况下的监测、保护、控制 和配电管理。它是实时的配点自动化与配电管理系统集成为一体的系统。 根据中华人民共和国电力行业标准，配电自动化及管理系统包括主站、子站 ( 或称配电自动化系统中压控制单元) 、远方终端以及管理中心站。主站，是整个配 电自动化以及管理系统的监控、管理中心。子站，是分布为主站功能、优化信息传输、 清晰系统结构层次、方便通信系统组网而设置的中间层，实现所辖范围内的信息汇集、 处理以及故障处理、通讯监视等功能。远方终端是用于中低压电网的各种远方监测、 控制单元的总称，它包括配电柱上的开关监控终端f t u ( f e e d e rt e r m i n a l u n i t ) 、 配电变压器监测终端t t u ( t r a n s f o r m e rt e r m i n a lu n i t ) 、开闭所、公用及用户配电 所的监控终端d t u ( d i s t r i b u t i o nt e r m i n a lu n i t ) 等。管理中心站是在特大城市的 配电自动化管理以及管理系统中心可设中心站，是下属主站经加工处理后的信息汇 集、管理中心。 本系统为远方终端，配电柱上开关监控终端f t u ，具有遥信、遥测、遥控和故障 电流监测等功能的远方终端。馈线式远方中断的基本功能有： 采集馈线故障电流并向中压监控单元( 配电自动化及管理系统子站) 和主站 传送； 采集并向远方发送状态量，状态变量优先传送； 采集正常交流电流并向远方传送； 接收并执行监控命令和当地控制命令，以及返送校核，与各种类型的重合器 核负荷开关配合执行操作： 交流电源失电后，能对开关进行不少于一次操作： 具有程序自恢复功能； 当地或远方可进行参数配置； 此外还有馈线式远方终端的选配功能： 采集交流电压，实现对电压、有功功率、无功功率的测量并有互感器的异常 报警； 能够储存定点的电流量并按照通讯规约文件传输的功能召唤后向中压控制 单元或主站传送数据； 基于d s p 的馈线式远方终端的实现 采集事件顺序记录并向远方传送； 具有当地显示功能 根据以上的基本功能和选配功能以及实际的需要，设计本系统。本系统所要实现 的功能有：6 路电压输入、6 路电流输入、1 6 路状态输入、2 路脉冲输入；可以存储 1 2 8 个带时标的事件记录、电路的电流最大值、最大需量等；包括8 个通道的继电器 输出，标准r s 2 3 2 和4 8 5 接口，每个测量和计算的数据都应从通讯端口读出，其协议为 d n p 3 0 和m o d b u s ：现场可控制等功能。 在采样过程中，6 路的电压采样和6 路的电流采样，采用的是1 4 b i t 的数模转换 器a d 7 8 6 5 ，交流电经信号调理后进入数模转换器，并最终由d s p 读取并处理。1 6 路 的状态采集，首先经过光电耦合进入系统，后由d s p 读取处理，同时记录时标，存储 进入f l a s h 。2 路的脉冲计数通过单片机计数并把所得的数据传送给d s p ，由d s p 完 成最后的处理。 在数据处理部分，使用t i 公司的t m s 3 2 2 0 v c 5 4 0 2 ，它具有较高的数据处理能力， 并有合适的字长。数据的处理包括将采样值转换为有效值，计算电流电压的谐波、最 大值、功率等，还同时要记录状态变量，管理继电器等。 在数据传输中，使用标准r s 2 3 2 接口，每个测量和计算的数据都应从通讯端口读 出，其协议为d n p 3 0 和m o d b u s ，把数据从终端传送到主站或者子站进行处理。现场 可控制，通过键盘和数码管，可以现场读取各部分数据，并可以配置f t u 系统的相关 数据。 馈线式远方终端是供电控制系统的重要组成部分，是配电自动化及管理系统的基 石，负责数据的采集，并把数据向主站或者子站传送，同时接收主站或者子站传送过 来的命令，控制继电器的动作，为配电自动化提供了可靠的保证。 2 南京航空航天火学硕士学位论文 第一章总体设计方案 f t u 是整个供电控制系统的基石，它性能的好坏直接关系到供电控制系统的性 能。首先是系统功能的确定，也就是功能设计部分，在这里必须确定系统实现的功能， 比如输入、计算、控制以及数据传输等部分；其次要根据已经确定的功能设计所需的 电路系统；并在总体设计时考虑到软件的实现。 1 1 馈线式远方终端的功能设计 功能设计是总体设计的重要组成部分，它是连接需求与最终设计的纽带，是系统 实现的依据。根据实际的供电线路控制的需要，并考虑到系统的兼容性和可扩展性， 系统所要实现的主要功能如下： 输入： 6 路交流电压输入 6 路交流电流输入 1 6 路带光电隔离开关量输入 2 路脉冲量输入 测量计算值： 每项电压，电流和中线有效值 零序电流 谐波( 3 ，5 ，7 ) 有效值 各相和总的双向有功功率，无功功率 双向和总的双向有功，无功电度 相角，功率因素 记录1 2 8 个带时标的事件记录，分辨率为1 m s 实时时钟 记录最大电流，最大负荷和最大需量( 1 次i 5 分钟，可记录7 2 小时) 判断电流方向 输出：八个继电器独立输出 精度：0 2 ，对输入非线性部分进行补偿 过载：额定过载，4 0 0 电流连续值，2 0 0 电压连续值 数据传输：标准r s 2 3 2 和4 8 5 接口，每个测量和计算的数据都应从通讯端口读出， 其协议为d n p 3 0 和m o d b u s 可靠性：良好的w a t c h d o g 保证在线运行不死机 基于d s p 的馈线式远方终端的实现 1 2 馈线式远方终端的功能实现 根据以上的功能的设计，设计了两种实现的方案，分别是以单片机为核心的系统 和以d s p 为核心的系统。由于系统处理的数据量比较大，数据的精度比较高，而普 通的单片机无法满足要求，所以选择以d s p 为核心的系统。 在采集数据的存储方面，可以使用双端口的r a m 完成，一个端口供采集模块的 数据写入，另一个端口供d s p 读出数据进行处理，采用这种方法接口简单，而且数 据采集与数据处理可以并行，但是单片双端口r a m 的容量较小，价格较高，而且电 路设计相对复杂：另一种方法是直接使用d s p 的时钟周期以及d s p 的内部r a m 实 现数据的采集存储，通过在数据处理过程中插入中断的方式，电路及接口相对简单， 虽然占用d s p 的资源，但可以满足要求，所以选用第二种方案。 在处理数据的掉电保护方面，也有两种可选方案，一种是选用带有备用电源的 s r a m ，这种方法存取速度较快，接口简单，但成本稍高；另一种采用f l a s h 存储， 成本较低，且可以实现所需功能，所以在处理数据的掉电保护方面，采用f l a s h 存 储电路。 综合考虑上述因素，以及实际需要，总体设计框图如图1 1 ： 图1 1 总体设计框图 系统分为数据采集部分、数据处理单元、全局控制器以及数据传输和人机互动单 元共五个部分。 数据采集部分，主要负责采集外部的数据，包括6 路电压采集、6 路电流采集、 1 6 路的状态采集以及2 路脉冲采集。采集的数据包括电压电流的大小、相位，供电 线路的状态以及脉冲的个数等。 数据采集部分的电压采集和电流采集，通过电压电流互感器以及信号调理后，进 南京航空航天大学硕士学位论文 入a d 7 8 6 5 采样，并由d s p 读取处理；1 6 路的状态采集，采集供电线路中的供电情 况，通过光电耦合电路后，由d s p 读取处理；2 路脉冲采集，通过光电耦合，进入 a t 8 9 c 5 1 ，由a t 8 9 c 5 1 进行计数处理。 数据处理单元，主要由d s p 系统以及实时钟系统组成，d s p 采用t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，而实时钟采用d s l 3 0 5 。d s p 负责对采集进入系统的数据进行处理， 计算电流电压的有效值、谐波以及相位等，并对事件进行记录。而实时钟为系统提供 时间依据，并为系统提供秒中断信号。 1 6 路的状态采集与2 路的脉冲采集，首先都必须通过光电耦合电路，然后进入 系统，以免损坏系统。状态变量由d s p 处理；而脉冲数据由单片机a t 8 9 c 5 1 处理， 然后处理所得的信息传送给d s p 。所有的状态变化必须存储起来，最大可以存储1 2 8 个变量，其中包括精确到l m s 的实时钟信息。 在数据的传输上，使用标准的r s 2 3 2 和4 8 5 接口，每个测量或计算的数据都可以 从通讯口读出；采用电力系统通用数据传输协议：d n p 3 0 协议以及m o d b u s 协议，保 证了系统的良好的移植性；通讯的波特率、p t 变化、设备地址、脉冲常数等都可以 用户自己设置。 在人机互动方面，系统本身带有键盘和数码管显示，每个测量值都可以从键盘读 出，每个读出的数据都有比较明显的标识，让使用者一目了然；并且可以现场进行配 置实现了良好的人机互动。 1 3 馈线式远方终端的系统特点 本系统的设计中采用了基于通用数字信号处理器d s p 的结构。d s p 芯片诞生2 0 多年以来，以其在数字信号处理方面的优越性对通信、计算机、控制、智能仪器仪表 等领域的技术发展起到了十分重要的作用。本系统的数据处理单元以t i 的5 4 x 系列 d s p 芯片t 烬3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心，其采用改进型哈佛结构、流水线操作、专用的硬件 乘法器、特殊的指令集，低电压供电( 3 3 v ) 、功耗极低，最高工作频率高达l o o m h z ， 这些特性都是传统的通用单片机芯片无法比拟的。目前随着d s p 芯片的广泛应用，其 制造成本不断下降，性价比的优势越来越明显。本系统高速数据的采集、数据的实时 处理等都由d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 完成，相较单片机系统，有更高的性价比。 随着可编程器件的发展，其体积小、成本低、上市时间快、前期工程开发费用低 的特点推动它在越来越多的领域被使用。本系统控制单元采用一片a j t e r a 公司的高 速、高密度可编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 s t c l 0 0 1 5 完成，全部控制功能集成在一个芯片 中。该芯片同样使用低电压3 3 v 供电，功耗极低，且与d s p 电平兼容，接口十分简 单。系统控制单元的主要功能d s p 与外围器件的接口逻辑电路、中断处理模块、1 6 路信号采集锁存器、模数转换器的控制以及继电器的控制等。使用c p l d 芯片可以为 电路设计赢得时间和空间。 基于d s p 的馈线式远方终端的实现 数据采集模块是本系统重要的组成部分，它使用高性能的1 4 b i ta d 7 8 6 5 ，可以 实现4 通道同时采样，与相关的电路配合使用，可以同时采集1 2 路电流电压，采集 电压范围为1 0 0 v 3 8 0 v ，精度可以达到0 2 ，并能够保持良好的相位，获得电压电 流很高的谐波信息( 最高可以6 4 次谐波) 。1 6 路的状态采集，采用隔离电压为1 5 0 0 v d c 的光电隔离器件t l p 5 2 1 4 ，时标精确到1 毫秒。 数据的传输和人机互动单元，是本系统另一个不可或缺单元，它使用键盘和数码 管实现人机互动。在现场调试时，使用者可以最大可能的通过键盘和数码管读取数据 或者对系统进行配置，而且每个数据都有比较明显的标识符，使人能够十分自如的使 用键盘和数码管。数据的传输是f t u 系统向主站传输数据，这部分使用通用的标准 r s 2 3 2 口和4 8 5 口，通讯协议使用d n p 3 0 规约和m o d b u s 协议，具有很好的系统移植 性。 系统在总体设计时，充分考虑到电磁兼容性的问题，有较好的抗脉冲和快速瞬变 能力。在电路版的设计时，采用整版覆铜的方式，是系统在抗干扰方面有了很大的提 高，保障了整机的稳定性能。 在系统的软件设计中，充分考虑到系统的特点，计算中使用中断管理的方式，整 个系统采用中断驱动的方式，包括读写a d 、计算以及f l a s h 等所有的操作都使用 中断的方式，框架清晰明了。数据处理单元的设计是在t i 公司的d s p 专用软件平台 c c s l 2 下，使用标准c 语言和汇编语言混合开发的。采用高级语言进行程序设计可 以大大缩短研发时间，但是由于c 语言的代码最终还是要转换成汇编语言进行编译， 因此代码的转换效率是制约高级语言使用的瓶颈。在对d s p 内部寄存器等硬件资源的 操作时直接使用汇编语言则更加简便，因此在软件设计时采用了c 语言嵌套汇编的形 式。 软件的实现还包括单片机编程，采用汇编的方式；控制单元的所有功能模块均采 用硬件描述语言( v h d l ) 设计，v h d l 作为i e e e 标准的硬件描述语言和e d a 的重要组 成部分，有着强大的系统描述能力、规范的程序设计结构、灵活的语法表达风格和多 层次的仿真测试手段，它相对与v e r i o g 语言与硬件电路结合的更加紧密。因此选择 v h d l 语言设计控制单元，并在m a x + p l u si i 软件开发环境下进行编译、仿真、综合。 6 第二章数据采集模块 数据采集模块是f t u 系统的重要的组成部分，是整个系统实现的基础。信号采 集的类别和精度影响着整机的性能，它包括6 路电流采集( 1 a ) 、6 路电压采集( 2 2 0 v ) 、 1 6 路状态采集、2 路脉冲采集以及实时钟电路构成。 2 1 电流电压采集部分 电流电压采集部分负责对交流市电电流电压的采样，精度要求达到0 2 ，最高 可以达到6 4 次谐波分量，并保持良好的相位信息。电流电压的采集是由电流电压互 感器、信号调理部分以及a d 转换器构成。采样的框图如图2 1 所示： 图2 1 信号采集框图 2 1 1a d 转换器的前端电路 由于电压电流采集的范围较大，特别是电压较高，电流值也很大，所以无法直接 接入电路中，而必须通过电流电压互感器，把相应的电流电压转换为系统能够处理的 数值，实际上就是转换为+ 1 0 v 之间的电平值。 其中电压互感器采用l u 9 8 3 ，该器件具有如下特点： 精度高，可以到达0 1 ，典型值为0 0 5 激励功率较小，额定输入时小于3 m w 隔离度高，为2 0 0 0 v5 0 h z1 m i n 工作温度宽，范围是：- - 4 0 + 7 0 体积小2 l 1 9 1 9 m m 安装方式为印刷板安装式 该互感器可按推荐电路的使用，如图2 2 所示，运放选择失调电压小，温飘小的 o p - - 0 7 ，电阻选用+ l 的电阻，电容要求选择温飘小于6 0 p p m ，输入v i n 回路必须 串入r x 电阻，电阻的为温度系数小，其功率要大于输入额定功率的四倍，电压型输 苎王里翌堕堕垡茎垩塑竺堂盟塞翌一 入电阻r x = ( v i n 一0 5 v ) - 2 5 m a 。此电路的额定输入电压为2 2 0 v ，所以可以得 到r x = 8 7 8 k 。 图2 2 电压信号调理电路 电流互感器采用l u 9 8 2 ，该器件具有如下特点： 精度高，可以到达0 1 ，典型值为0 0 5 激励功率较小，额定输入时小于3 m w 隔离度高，为2 0 0 0 v5 0 h zl m i n 工作温度宽，范围是：一4 0 + 7 0 。c 体积小2 l 1 9 1 9 m m 安装方式为印刷板安装式 该互感器可按推荐电路使用，如图2 3 所示，运放选择失调电压小，温飘小的o p - - 0 7 ，电阻选用+ l 的电阻，电容要求选择温飘小于6 0 p p m ，作电流使用时，l u 9 8 9 2 初级线圈可由用户自行安排，圆孔为初级线圈1 t 5 a 、2 t 2 5 a 、5 t 1 a ，如果单独使 用互感器时，建议次级并接2 0 0 4 0 0 欧姆的电阻为宜( 次级线圈的额定输出为 2 5 m a ) 。在本系统中，额定的输入电流为1 a ，并要求有4 1 ) 0 的连续过流，所以系 统的最大电流可能达到4 a ，所以电路中使用的是1 t 5 a 的配置。 图2 3 电流信号调理电路 信号调理部分，使用温飘电压小，高性能运放0 p 0 7 ，构成调理电路，这个电 路同时也是l u 9 8 3 和l u 9 8 2 推荐使用的电路。通过信号的调理，电流电压互感器的 输出可以达到1 0 v ，由运放的输出端输出给a d 转换器。在此范围内可以达到4 0 0 的电流连续值和2 0 0 的电压连续值。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 2 模数转换器的选择 根据要求，本系统要有6 路电流采样输入、6 路电压采样输入，并要计算3 路电 流、3 路电压的相角以及功率因素等，采样通道较多，且对采样的同步要求较高，同 时考虑到电流电压的采样精度，所以选择了由a d 公司生产的a d 7 8 6 5 a s - - 1 。 a d 7 8 6 5 a s l 件是一个快速、低功耗、四通道同时采样的1 4 b “a d 转换器，只 需+ 5 v 电源供电。主要特点有： 快速的1 4 b i t a d 转换器 四通道同时采样输入 电压的输入范围可选：+ 1 0 v 、+ 5 v 、+ 2 5 v 高速并行接口，通过l v t l 6 2 4 5 可以直接与t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的数据口并接， 实现数据的高速传输。 输入过压保护，a d 7 8 6 5 1 的输入端可以承受+ 2 0 v 的电压而不会损坏器件 具有很高的信噪比：s n = ( 6 0 2 n + 1 7 6 ) ，这单的n 为1 4 ，所以a d 7 8 6 5 1 的信噪比可达到8 6 0 4 d b 。 通道间彼此独立 具有性能良好的控制及数据接口 为了保证电流电压的相角以及相电流相电压之间的相角可以精确方便的计算，采 用了四通道同时采样的a d 转换器。a d 7 8 6 5 1 的特点是有四个采样通道，可以同 时采样，并在a d 转换器内部进行保持，然后再逐一通过量化，通过并行数据接1 5 输 出。这样不但可以方便的计算出电流和电压的相角，还可以直接通过采样值计算电流 与电压的夹角，为程序设计提供便利。 采样的精度以及高信噪比也是重点考虑的对象。而a d 7 8 6 5 1 可以很好的满足 系统的精度要求，并可以提供较高的信噪比。a d 7 8 6 5 - - 1 采样位数为1 4 b i t ，其中最 高位为符号位，最高精度可达o 0 0 6 ，能够很好的满足系统要求。 芯片良好的接口性能也是芯片选择的重要原因。a d 7 8 6 5 一l 提供较为完善的接 口，可以很方便的实现a d 7 8 6 5 - - 1 与t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的接口连接；同时由于芯片具 有四个独立的通道，使电路设计更趋于简洁，减小了电路版的面积，提高了整个系统 的可靠性。 2 1 3 a i ) 转换器的接口电路 a d 7 8 6 5 一l 可以很方便与单片机系统连接，而与d s p 的结合也是非常的方便， 涉及a d 7 8 6 5 - - 1 的控制的引脚有：b u s y 、f r s t d a t a 、c o n v s t # 、c s # 、r d # 、 w r # 、s e l l 4 与h ss e l 、e o c # 等。下面对a d 7 8 6 5 1 的接口引脚进行简要的 说明： 通道选择：通道选择通过s e l l 4 和h s 共同作用完成，当h s 为0 时，则 9 基于d s p 的馈线式远方终端的实现 通道的选择通过s e l l 4 完成，并且内部时钟的控制下工作；当h s 为1 时， 则通道的选择由软件完成。在本系统的实现过程中采用的是硬件选择的方式， 即h s 接低电平，同时s e l l 4 同时接高电平选通所有的4 个通道。 转换控制：当c o n v s t # 为低电平时，转换开始，被选通道在同一时刻将信 号的模拟量锁存在芯片内部的锁存器中，并按顺序一一进行量化编码；此时 e o c # 为高电平，在所有的通道转换结束以后，e o c # 变为低电平；b u s y 引脚在转换开始时为高电平，而在转换结束时为低电平。 参考电压：芯片的内部提供+ 5 v 的参考电压，并可以向外输出。 读写控制：a d 7 8 6 5 1 的写控制主要是配置通道的选择，而本系统中采用硬 件的方式选择通道；而a d 7 8 6 5 1 的读控制相关的引脚有：c s # 、r d # 以 及w r # 。c s # 为片选信号，当c s # 为低电平时，则可以进行读写控制，而 在c s # 为高电平时，则不能对a d 7 8 6 5 1 进行读写，但是可以进行模数转 换。当处于读状态时，连续读取同一个a d 7 8 6 5 1 ，则分别读取的是本片的 四个不同的通道。 采样数据的输出：输出为2 的补码，具体格式见表2 1 所示： 表2 1 模拟输入编码输出 + f s 刚2 3 2 l s b 0 1 11 1 0 t o0 1 1 1 1 l + f s r 2 5 ，2 l s b0 l l1 0 l t o0 1 l1 1 0 + f s 刚2 7 2 l s b 0 1 11 0 0 t 00 1 1 1 0 l a g n d + 3 2 l s b0 0 00 0 l t o0 0 0 0 1 0 a ( 孙d + l 2 l s b 0 0 00 0 0 t o0 0 0 0 0 l a g n d - 1 2 l s b1 1 11 l l t o0 0 00 0 0 a g n d 3 ，2 l s b1 1 1 1 1 0 t 0 1 1 1 1 l l f s r 2 + 5 2 l s b1 0 00 1 0t o1 0 0 0 l l f s 刚2 + 3 2 l s b1 0 00 0 1 t 0 1 0 00 1 0 f s 剐2 + l ，2 l s b1 0 00 0 0 t o1 0 0 0 0 1 为了能够很好的实现与d s p 的接口，根据a d 7 8 6 5 1 与d s p 的接口引脚的特点， 所选择a d 7 8 6 5 1 的接口引脚有：c o n v s t 、b u s y 、c s 等，而同时选择d s p 的地 址线以及中断接口等，通过c p l d 与a d 7 8 6 5 1 实现良好的接口。转换启动信号由 c p l d 分频得到，使用同一启动信号；转换结束信号由三片a d 7 8 6 5 1 的b u s y 信 号通过c p l d 转换得到。接口示意图如图2 4 所示： 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 4 电流电压采集框图 2 21 6 路状态采集 1 6 路的状态来自主站、基站或其他的状态，反映供电线路当中的供电的状态比如 说电路的开合等，通过状态变量可以清楚的了解当前的供电线路的情况和线路里面的 一些变化，从而通过f t u 控制此端的继电器来控制电路的开合，以此达到控制供电 的目的。1 6 路的状态采集部分可以分为两个部分：耦合电路和状态读取电路。 2 2 1 耦合电路 状态变量的电压或者电流不确定，为了防止损坏f t u ，在状态输入和采集器件之 间放入光电隔离器t l p 5 2 1 4 ，它的隔离电压为1 5 0 0 v d c 。它的典型供电电压为5 v ， 这也比较方便与其他的器件接口，最大的供电电压为2 4 v ，导通电压为最小为5 v 。 其工作原理如图2 5 所示： 工f v c c v c b 图2 5 光电耦合原理图 状态信息通过电压耦合，把不确定的电流电压耦合成系统可以接受的电压+ 5 v 基于d s p 的馈线式远方终端的实现 ( 电路取典型值) ，保证了在不损坏系统电路的情况下，实现了对状态变量的采集。 2 2 2 状态读取电路 状态发生改变后，c p l d 将把状态信息锁存起来，并同时在c p l d 里形成中断请 求信号，中断d s p ，等候d s p 的处理，在读取结束之后清楚c p l d 里的中断请求状 态，其电路原理图如图2 6 所示： 凤 凰 端 子 k 光 r t m s 3 2 0 、5 4 0 2 电 c p l d ( d s p ) 管 - 图2 6 状态变量采集框图 2 32 路脉冲量的采集 脉冲是供电系统中的又一个重要的变量，对脉冲量的记录并作出相应的动作是整 个馈线式远方终端的又一个功能。 脉冲变量也是一个电流电压不确定的变量，所以在接入系统之前也要进行电路的 耦合，把脉冲量变为系统可以处理的电压值，耦合原理及电路与上述原理及电路相同。 耦合完成后交由单片机计数处理：单片机通过对脉冲的计数后，达到一定的要求 向d s p 提供中断信号，由d s p 负责具体的处理。 2 4 实时钟信号 实时钟是f t u 中非常主要的一部分，是系统不可或缺的部分。它为f t u 的记录 提供时标，这些记录包括电路电流电压的最大值、功率最大值、最大需量；同时也为 计算供电系统的电度提供时间依据。 实时钟系统包括两个部分：实时钟芯片和d s p 的定时器。其中实时钟芯片可以精 确到秒，而由d s p 的定时器可以精确到l m s ，从而达到系统精确到m s 的要求。系统 的实时钟部分通过实时钟芯片和d s p 的定时器的有机配合而实现。 实时钟芯片采用的是d s l 3 0 5 ，它是一个串行警报实时钟芯片，通过一个简单的 串行接口，输出一个b c d 码的日历。它不但能够提供较为精准的计时，还可以通过 它的软件接口提供两个时钟中断，它的主要特点有： 实时钟芯片对秒、分、小时、日、星期、月以及年计数 两个警报中断输出 南京航空航天大学硕士学位论文 支持m o t o r o l a 外围串行接口电路( s p i ) 或者标准的3 线接口 两个电源输入端，为初始电源以及备用电源提供输入接口 温度范围- - 4 0 8 5 2 4 1 实时钟芯片d s l 3 0 5 的脉冲输入 实时钟芯片性能的好坏，很大程度上取决于外部晶振的好坏，选择一个适合于芯 片设计要求的晶振非常重要。同时芯片时钟本身的脉冲输入电路也非常重要，这罩使 用d a l l a s 公司推荐的电路，其中晶振频率为3 2 7 6 8 k h z ，电路如图2 7 所示： c x 1 li c p 广i x 2 ( d s l 3 0 5 ) 图2 7 实时钟芯片的脉冲输入 通常情况，实时钟芯片由电路的电源供电，而在出现突发事故时，也就是当系统 的电源无法正常供电时，改由系统自配的电池供电，保证计时的不间断。 2 4 2 实时钟芯片d s l 3 0 5 的接口以及时序 串行外围接口( s p i ) 是地址和数据同步传输的总线结构，通过把s e r m o d e 接 为高电平就选择了s p i 模式，此时所设计的管脚有：s d i 、s d o 、s c l k 和c e ：在 s p i 模式中，d s l 3 0 5 用作从属器件，而微处理用作主机器件。s d i 和s d 0 用作d s l 3 0 5 独立的输入和输出，而c e 则用来开始和结束d s l 3 0 5 读写，而s c l k 信号用来同步 主机和从属器件的数据移动。与d s l 3 0 5 的是d s p 的外围部件m c b s p 0 ，它提供帧同 步信号和读写脉冲以及数据的输入和输出引脚等。电路图如图2 8 所示 s d ob d x 0 s d ib d r 0 s c l kb c l k x 0 c eb f s x o ( d 8 1 3 n 5 )( d s p ) i n t od s p l n t o i n t ld s p r n t l 图2 8 实时钟与d s p 的接口框图 基于d s p 的馈线式远方终端的实现 与d s l 3 0 5 的接口有关的引脚有：s e r m o d e 、s d i 、s d o 、c e 以及1 n t l 、i n t 0 ， 下面在对这几个引脚进行简单介绍的同时，分析d s l 3 0 5 的接口情况。 s e r m o d e ( s e r i a li n t e r f a c em o d e i n p u t ) ：这个引脚可以行方便用户选择串行 接口的模式，如果接地，则选择标准的3 线模式；如果接高电平，则选择 m o t o r o l as p i 接口模式。 s d i ( s e r i a ld a t ai n p u t ) ：当选择的是s p i 模式，s d i 引脚用作s p i 总线的串 行输入引脚；当选择的是标准的3 线结构，s d i 引脚必须和s d o 脚连接。 s d o ( s e r i a ld a t ao u t p u t ) ：当选择了s p i 模式，s d o 引脚用作s p i 总线的串 行输出引脚；当为标准的3 线结构，和s d i 脚连接在一起，用作i o 脚。 c e ( c h i pe n a b l e ) ：片选信号引脚，不管是在s p i 模式，还是在标准的3 线 模式，当进行串行数据的读写时，必须把c e 引脚接高电平，这个引脚的内 部有个下拉电阻，典型值为5 5 k 欧姆。 1 n t 0 ( i n t e r r u p t 0o u t p u t ) ：i n t 0 为低电平有效信号，可以用作微处理器的中 断触发信号；i n t 0 可以被编程为a l a r m0 和a l a r m1 的中断输出，也可以单 独作为a l a r m0 的中断输出信号。 i n t l ( i n t e r r u p t 0o u t p u t ) ：i n t l 为低电平有效信号，只可以用作a l a r m1 的 中断触发信号。i n t o 和i n t l 都为漏极开路输出，都需要外接一个上拉电阻， 两个内部时钟与中断和v c c 的电平无关。 s c l k ( 移位时钟) 由主机产生，在s p i 模式中，它只发生在主机与从属器件 之间传输数据的时候，时钟的极性可由主机编程决定。 地址和数据同时传输时，地址和数据的高位分别进入s d i 管脚或者通过s d o 管 脚输出，多字节读写和单字节读写方式。当c e 为高电平时，输入一个地址而随后输 入不止一个数据，而是帧数据，可以为多字节，实现多字节的读写。多字节的读写 时序如图2 9 所示： 厂 w r h e - t 。 ，厂俨、一一 一址叫l 捌珊l j 业雌柚地u ”豳翰匿圈j 豇亟蒜盈口缓物 图2 9 多字节读写时序 瓣 娜 。，。l 埘撕 南京航空航天大学硕士学位论文 r _ - _ _ _ _ - 一 一 当c e 为低电平时，为单字节读写状态，同样为一帧数据，但每一帧数据的传输 都必须输入地址和数据，要实现读写多字节，必须分多帧进行。图2 1 0 为d s l 3 0 5 的s p i 的单字节读写格式： c t 。一、 。 曩八一j 1 门八门nr 八。t 。飘一n r l 。? 飞凡， 琵豳【墨互正丑互匝墓= 丑互五：叵暖：+ 贱l 。! 上照如工主：叠塑 避垒旦塑塘一一 图2 1 0d s l 3 0 5 的单字节写数据时序 s 妻然r 乙 门门凡，一r l ，l 一八厂_ l r 一。一几 锄! 五互五互五玎互五五蕊盈豳缀弦缓豳翰缓琵琵毖缓缀豹 咝按嫩匝工菱j 豆亘玉【至亘王五习 图2 1 1d s l 3 0 5 的单字节读数据时序 地址输入总是当c e 为高电平时的第一个输入的数据，通过最高位可以判断当前 的操作是读操作还是写操作：如果a 7 为0 ，则为读操作，而当a 7 为l 时，则为写 操作，这就是为什么访问同一个地址，但是读写操作的地址不相同的原因。 为了方便的控制数据的读写，结合主机，也就是t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的缓冲串行口 的读写特点，选择d s l 3 0 5 的s p i 模式，并采用单字节读写的方式。 通过对d s l 3 0 5 的编程控制，可以很方便的实现实时钟系统的计时，精确到秒； 同时可以通过d s l 3 0 5 的两个警报寄存器，实现两个警报中断1 秒和1 5 分钟的中 断，d s p 通过处理这两个中断，可以较好的实现时钟，算出最大需量等，同时还可以 实现对w a t c h d o g 的控制。 基于d s p 的馈线式远方终端的实现 2 4 2 实时钟芯片d s l 3 0 5 的数据结构 对实时钟d s l 3 0 5 的控制是通过读写d s l 3 0 5 的指定的存储空间而获得的。d s l 3 0 5 的存储空间以及数据如表2 2 所示：( 注：对同一个存储空间的读写，表现为不同的 地址，用来区分读写操作) 表2 2 实时钟的数据读写格式 读地址写地址 b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t lb i t 0r a n g e 0 0 h8 0 h01 0s e cs e c0 5 9 o i h8 l h01 0 m i nm i no 5 9 0 2 h8 2 h01 0 h rh r0 2 3 0 3 h8 3 h0000d a yl 7 0 4 h8 4 h001 0 d a r ad a t a0 l 3 l 0 5 h8 5 h0ol o m o n t hm o n t h0 1 1 2 0 6 h8 6 h1 0 y e a ry e a r0 0 9 9 a l a r m0 0 7 h8 7 hml os e c a l a r ms e ca l a r mo o 5 9 0 8 h8 8 hm1 0m i n a l a r mm i na l a r m0 0 5 9 0 9 h8 9 hm1 0h o u r a l a r mh o u ra l a r m 0 0 2 3 0 a h8 a hm000d a y a l a r ml 7 a l a r m1 0 b h8 b hm1 0s e c a l a r ms e ca l a r m0 0 5 9 0 c h8 c hm1 0m n q a l a r mm 【na l a r m 0 0 5 9 0 d h8 d hm1 0h o u ra l a r mh o u ra l a r m0 0 2 3 o e h8 e hm0o0d a y a l a r ml 7 o f h8 f hc o n t r o lr e g i s t e r 1 0 h9 0 h s t a t u sr e g i s t e r 1 1 h9 1 ht r j c k l ec h a r g e rr e g i s t e r r e s e r v e d 9 6b y t e su s e rr a m 通过向相应的寄存器写入数据可以实现对d s l 3 0 5 的配置，其中存储单元1 2 h i f h ( 读单元) 和9 2 h 9 f h ( 写单元) 保留，无论如何写入什么数据，读出时总是 为0 。而d s l 3 0 5 的时钟单元和日历单元总是以b c d 码的格式输出数据，这样数据在 读出时不需要转换可以直接在数码管上显示。 对d s l 3 0 5 的软件编程实际上就是向d s l 3 0 5 的三个寄存器写入相应的数据，它 们分别是控制寄存器、状态寄存器。 南京航空航天大学硕士学位论文 _ 一一 对控制寄存器的编程可以实现对实时钟芯片d s l 3 0 5 的使能、写保护和中断管理 等。控制寄存器的地址为0 f h ( 读地址) 和8 f h ( 写地址) 。 le o c # l w p l 0 l 0 l 0 l i n t c n l a i e l l a i e 0 i e o c # ( e n a b l eo s c i l l a t o r ) 如果这位被设置为o ，则启动实时钟芯片， 开始计时；反之，计时停止，芯片被置为省电状态。 w p ( w r i t ep r o t e c t ) 当对实时钟芯片进行写操作时，w p 位必须被置为0 ， 否则所有的写操作无效，控制寄存器的第0 ，1 ，2 和7 位的写操作也必须在 w p 被置为0 时。 i n t c n ( i n t e r r u p t c o n t r 0 1 ) 控制寄存器的i n t c n 位控制着d s l 3 0 5 的两 个中断的使用，当i n t c n 位被置为1 时，当有和两个中断的时钟匹配的时刻 达到时，i n t l 和i n t 0 会产生一个相应的低电平中断信号；而当i n t c n 位 被置为0 时，与两个时钟相匹配的时钟到来时，都会使i n t o 产生中断信号， 而与i n t i 引脚无关。 a i e l ( a l a r m i n t e r r u p te n a b l e ) 当这位被置为1 时，将允许状态寄存器里 的i r q f l 驱动相应的引脚，产生中断；而当这位被置为o 时，将不对引脚产 生影响。a i e 0 和a i e l 一样控制着中断0 的变化。 状态寄存器是标识中断当前的状态，从状态寄存器可以得出是否要满足时钟匹配 的条件，状态寄存器的地址为i o h ，它的状态由内部产生，所以没法对状态寄存器进 行写操作。 i r q f l ( i n t e r r u p t 0r e q u e s tf l a g ) 中断请求标志位1 ，在当前时间和所设定的 警报时间相匹配时，这位将被置为1 ，此时如果a l e l 位1 ，则中断引脚将会产生一 个低电平：当警报1 的任何一个寄存器被读写，则中断请求标志位将自动被置为0 ， 中断引脚上恢复为高电平。i r q f 0 同样。 中断的时钟的设置，通过对a l a r m1 和a l a r m0 单元的设置可以控制中断的时日j 间隔，并产生中断，具体的设置如表2 3 所示： 表2 3 中断控制位 警报寄存器标志位( m )各注 s e c o n d sm i n u t e sh o u r sd a y s l1ll每秒中断一次 0l 1 l当秒匹配时中断 0 0 ll 当分、秒匹配时中断 o001 当时、分、