（电工理论与新技术专业论文）电子式互感器数字输出校准系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ；= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = j = = = = = = = = = ：= a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es t a n d a r di e c 6 0 0 4 4 - 8t h ee l e c t r i cc u r r e n tt r a n s d u c e r s ，t h eq u a l i t y i n s p e c t i o na n dt e s t i n gc e n t e rf o re l e c t r i ce q u i p m e n to fe l e c t r i cp o w e rn e e dt oc o m p i l ea c a l i b r a t i o nc r i t e r i o nf o re l e c t r i ct r a n s d u c e r sa n dd e s i g nt h e c o r r e s p o n d i n gc a l i b r a t i o n s y s t e mt ou n i f yt h ec a l i b r a t i o ns t a n d a r d sa n dt e s tm e t h o d i ti sf a v o r a b l ef o rr e a c h i n g m a r k e to f t h ee l e c t r i ct r a n s d u c e r sa n dt oe n s u r es a f e t yo f p o w e r s y s t e m t h e p a p e r d i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to ft h ec a l i b r a t i o ns y s t e mf o re l e c t r i ct r a n s d u c e r s w i m d i g i t a lo u t p u t t h es t a n d a r dc o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e r sa r en e e d e df o rt h ec a l i b r a t i o no f t h ee l e c t r i c a lt r a n s d u c e r s ，t h ea n a l o g o u t p u to f t h ee l e c l r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e ri sc o n v e a e d t od i g i t a ls i g n a l sb yt h er e f e r e n c ea dc o n v e r t ，a n dt h e nt h es i g n a l sa r ec o m p a r e dw i t ht h e t e s ts i g n a l ，t h ec a l i b r a t i o ns y s t e mi sm a k e u p o f t h es t a n d a r dc o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e r s ，t h e r e f e r e n c ea dc o n v e r t , t h et e s t e de l e c t r i c 订a n s d u c e r s ，t h ep c ，t h es o f t w a r e ，e t c f i r s t l y ，t h ed i g i t a lo u t p u ta n dc o m m u n i c a t i o no fe l e c t r i c a li n s t r u m e n tt r a n s d u c e r si s i n t r o d u c e d t h es e r i a lu n i d i r e c t i o n a lm u l t i d r o pp o i n tt op o i n tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m e r g i n gu n i ta n dt h es e c o n d a r ye q u i p m e n t si s r e a l i z e db ye t h e m e t t h er & do ft h e m e r g i n g u n i to f f e r d i g i t a ls i g n a lf o r t h ec # i b r a t i o ns y s t e m a tt h ep a r to f t h ed e v e l o p m e n to f t h ec a l i b r a t i o ns y s t e m ，t h et i m ed e l a yi n t r o d u c e db y t h ea i ) c o n v e n t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gi sd i s c u s s e d ，t h et i m ed e l a yo ft h ec a l i b r a t i o n s y s t e mi sa n a l y z e d ，t o o t h e nt h ea f i 也r a e t i co f t h es t a n d a r dd i g i t a ls i g n a lc o m p a r e dw i t h t h et e s td i g i t a ls i g n a li sd i s c u s s e d a tt h el a s to f t h e p a p e r , t h es o u r c eo f u n c e r t a i n t yo f t h e c a l i b r a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d ， t h e e x p a n d e du n c e r t a i n t y i sc a l c u l a t e d t h ec a l i b r a t i o n r a n g e i s 2 0 0 1 2 0 u f o r 10 k v - 5 0 0k v 4 3e l e c t r i cv o l t a g et r a n s d u c e r s ，a n d2 0 - d 2 0 i , f o r5 a 0 5 0 0 0 a e l e c t r i c c u r r e n tt r a n s d u c e r s t h es y s t e mi so p t i m i z e df o rc a l i b r a t i o nw i l5 0h zs i n u s o i d a lc u r r e n t o rv o l t a g ea n dt h em e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t yi sf o u n dt ob e0 , 0 5 u n c e r t a i n t yf o rr a t i oa n d 1 2r a i nf o rp h a s ew i t ha9 9 c o n f i d e n c el e v e l k e y w o r d s ：c a l i b r a t i o n r a t i oc r r o r u n c e r t a i n t y i nm e a s u r e m e n t p h a s ee r r o rm e r g i n g u n i t e l e c t r i c a lt r a n s d u c e r s d i g i t a lo u t p u t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 滁 日期：2 刃牛年午月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密吖 v ， ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名； 寻脊 日期：撕4 年牛月纠日 指导教师签名： 日期：年月 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究的意义 1 绪论 随着电力系统的容量和传输的电压等级进一步增大，应用电磁感应原理的传统的 电压电流互感器呈现出某些缺陷，如绝缘问题；电磁干扰问题：故障状态下的磁饱和； 体积大，造价高。从本世纪5 0 年代开始，国内外开始研究新型互感器，包括利用f a r a d a y 磁光效应进行电流测量的光电式电流互感器和p o c k e l s 线性电光效应进行电压测量的 光电式电压互感器。它们具有体积小和绝缘性能好等优点。这类新型互感器称之为电 子式互感器，其二次输出与传统互感器的二次输出不同，分为数字输出和模拟输出两 种。模拟输出是为了利用变电站已经存在的模拟接口二次设备。即使如此，电子式互 感器的模拟输出也不是传统意义上的模拟输出，它的输出容量比传统输出小许多。对 于数字输出的电子式互感器，国际电工委员会也做出了相应的标准化工作，并对误差 做出了新的定义，采用绝对测量法检测，对电源的稳定性有要求，误差测量系统也与 传统互感器测差原理完全不同，所以必须开发新的校准系统。 目前，国内外电子式互感器的研制工作已向实用化阶段发展。国际电工委员会已 经制定相关标准i e c 6 0 0 4 4 7 电予式电压互感器l l 】和i e c 6 0 0 4 4 8 电子式电流互感 器 2 1 。国外的科研机构如瑞典国家测试研究中心已于2 0 0 1 年着手建立数字输出的电 子式互感器校准系统，而国内电子式互感器尚无统一的校准规范。为了使新产品顺利 进入电力市场以及确保电力系统安全可靠运行，迫切需要编制电子式互感器校准规 范，建立数字输出的电子式互感器校准系统，以达到统一的校验标准和方法的目的。 1 2 研究现状和国内外情况 由于传统电磁式c t 、p t 存在的缺点，一些国家早在上世纪六十年代即开始研究 电子式互感器，但由于精度低，温度特性差，皆未挂网运行，处于理论探索阶段。上 世纪6 0 年代出现的半导体集成电路技术、激光技术以及7 0 年代初出现的光纤传输实 用化，构成了光学传感技术在超高压电力网络中参与计量、继电保护、控制与监视的 基础。八十、九十年代半导体技术( 超大规模集成电路技术) 的快速发展，促进了 单片机、d s p ( 数字信号处理) 技术的大规模应用，使得传感器向着数据处理智能化、 华中科技大学硕士学位论文 体积小型化方向迅速迈进。在八十年代初期，电子式互感器的研究有了突破性的进展， 取得了引人注目的成果，多种样机挂网运行成功。国际上八十年代后期进入了电子式 互感器实用化研制阶段，并逐步向高压、超高压和甚高压方面深入。许多世界著名的 电力公司纷纷投入大量的人力、物力、取得了很大的进展，使得电子式互感器走出实 验室，进入电力系统，取得了较长时间现场运行的可靠数据，并且竞相开发了电子式 互感器产品，以占领市场。 电子式互感器研制工作的发展必然带来误差校准的问题，国外的电力设备制造大 公司如a b b 、a l s t o m 、t r e n c h 的电子式互感器都有自己的准确度测量方法，挂网 运行后面临着统一校准方法的问题。2 0 0 2 年，国际电工委员会正式颁布了标准 i e c 6 0 0 4 4 - 8 电子式电流互感器对电子式互感器的数字输出和准确度测量作出了统 一规范。 我国电子式互感器的研究始于七十年代，以】9 8 2 年在上海召开的“激光工业应 用座谈会”为起步，主要研究单位有电予部2 6 所和3 4 所、清华大学、电科院、陕西 电力局中试所、上海互感器厂、北方交大、华中科技大学( 原华中理工大学) 等，这 时仅限于实验室探索阶段。九十年代由于许多生产厂家的参与，加速了电子式互感器研 制的发展，到目前已经处于样机挂网运行阶段 3 1 1 4 1 。2 0 0 3 年，国内一些电子式互感器研 制单位和生产厂家如华中科技大学、南京南瑞继保电气有限公司、西安西开高压电气 股份有限公司向武汉高压研究所提出电子式互感器准确度测量问题。我国电子式互感 器研制的发展，迫切需要统一的校验标准和方法，建立电子式互感器校准系统。 1 3 课题来源及本人在研究生期间的工作 2 0 0 3 年5 月，国家电网公司立项电子式互感器实用化研究，由武汉高压研究所承 担课题”光电传感器标准的研究”工作，主要内容有： ( 1 ) 编制电子式互感器校准规范 目前，电子式互感器无统一的校准规范，而国内外电子式、光电式互感器的研制 工作己进入实用化阶段，为使新产品顺利进入电力市场以及确保电力系统安全可靠运 行，急需编制电子式互感器校准规范，以达到统一的校验标准和方法的目的。 ( 2 ) 研制一套电子式电压互感器的校验装置 研制一套额定电压为1 0 k v 5 0 0 3k v ，准确级为o 0 5 级的电子式电压互感器的 校验装置，以便完善此类互感器的校准手段，屉终实现对电子式电压互感器进行校验 华中科技大学硕士学位论文 的目的。 ( 3 ) 研制一套电子式电流互感器的校验装置 研制一套额定电流为5 a 5 0 0 0 a ，准确级为o 0 5 级的电子式电流互感器的校验 装置，以便完善此类互感器的校准手段，最终实现对电子式电流互感器进行校验的目 的。 ( 4 ) 研制温度可调节的人工气候塔 电子式互感器对温度 b 较敏感，研制温度可调节的人工气候塔是为了整体地考核 此类互感器的温度特性，检验其是否满足互感器运行环境的要求。 本人在研究生学习期间全面参与数字输出的电子式互感器校准系统的建立工作， 负责数字输出的电子式互感器校准系统的建立，内容包括： ( 1 ) 校准系统的构成； ( 2 ) 用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 0 6 和以太网控制器r t l 8 0 1 9 研制合并单元； ( 3 ) 用以太网络通讯的方法实现数字输出数据与计算机通讯： ( 4 ) 误差计算算法的研究； ( 5 ) 校准系统测试与系统不确定度分析。 3 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = j = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = 一= 2 电子式互感器校准方案 对于校准而言，我们关心的是二次输出部分。数字输出电子式互感器的二次输出 相对于传统互感器的二次输出是一种全新的概念，因此必需提出新的校准方案。 2 1 传统互感器的二次输出与校准 目前在变电站广泛使用的传统的电力互感器分为电磁式电压互感器、电容式电压 互感器和电磁式电流互感器。 电压互感器的额定输出为i o o v 、1 0 0 3v 、1 0 0 3v ，电流互感器的额定输出为5 a 、 1 a 。这种电力互感器一般需要通过数百米的电缆连接到电工式测量仪表或保护装置， 因此需要很强的负荷能力，有的高达3 0 0 v a 。传统豆感器的误差特性与负荷相关，负 荷增大使其误差特性变糟，也使设计变得困难。 传统的电磁式电力互感器校准系统由标准互感器、被测互感器和互感器校验仪组 成。其中互感器校验仪采用测差原理郎被测互感器与标准互感器接成差值回路，利用 测差装景检测，测差装置引入的误差是互感器误差的误差，校验仪对电源( 高电压源 和大电流源) 的稳定性没有特殊要求i 标准器即标准电磁式互感器结构筛单，性能稳 定，国家高电压计量站1 9 8 9 年建立的1 1 0 k v , i 工频电压比例标准不确定度达1 1 0 4 远高于工业要求o 2 川。 2 2 电子式互感器的数字输出 电子式互感器的数字输出是数值的序列，是一种新的输出形式，适应了电力系统 的数字化趋势，有很多优点： ( 1 ) 简化了继保设备 目前电力系统中广泛应用以微机为基础的数字保护，不需要大功率驱动，只需弱 电信号就可以了，因此采用电子式互感器不必经过电量变送器等设备就可以将高电 压、大电流变换为微机保护所要求的电压电流水平。电子式互感器模拟输出省去了继 保的小c t 、p t 电子式互感器数字输出省去了继保的a d 。 ( 2 ) 促进了微机保护的精度和可靠性 4 华中科技大学硕士学位论文 电子式互感器促进了微机保护的发展，提高了微机保护的精度和可靠性例如使纵 差保护的可靠性大大提高。 ( 3 ) 对电力系统的故障快速响应，灵敏性高 现有的保护装置( 包括微机保护) 由于受传统的互感器性能的限制，其保护原理基 本上是基于工频量进行保护判断的。易受系统振荡和电磁饱和的影响，其保护性能难 以满足当今电力系统向着超高电压、大容量、远距离方向的发展要求。利用故障时的 暂态信号量作为保护判断，是微机保护的发展方向。它对互感器的线性度、动态特性等 都有较高的要求，电子式互感器能满足这一要求。 ( 4 ) 促进变电站自动化的发展 电子式互感器与微机保护接口的标准化将大大促进电子式互感器和变电站自动 化的发展。 ( 5 ) 满足电力系统精确计量的要求 电子式互感器的测量范围宽；输出数字信号，更方便与数字电能表接口；可动态 显示和存储电能、有功无功功率等参数。同样的0 2 级产品，屯子式互感器的数字输出 信号不存在二次电缆和电工仪表带来的误差，系统电能计量的准确度更高。 ( 6 ) 可方便实现电力系统自动化功能 合并单元将一组数据填入到同一数据帧中，简化7 - - 次装置，易于进行数据处理。 ( 7 ) 有利于实现变电站数字化、+ 光纤化和智能化 电子式互感器的信号和传输形式都可以采用光缆( 光纤) 实现，而光信号的突出 优点和光纤通信技术的广泛采用使得变电站内部以及和上级站之间的数据传输更加 可靠和迅速。电子式互感器与光纤通讯技术和微机相结合组成光纤局域网应用于电力 系统是变电站自动化的一个重要的发展方向。 电子式互感器的推广面临的限制是变电站已经存在的二次设备，因此它更适合于 新型的数字化变电站。电子式互感器还需要规范二次输出，建立数字输出的电子式互 感器校准系统。国际电工委员会已经制定相关标准i e c 6 0 0 4 4 7 电子式电压互感器 和i e c 6 0 0 4 4 8 电子式电流互感器。对电子式互感器二次输出的额定值、数字输出 的标准采样率、数字输出的通讯协议进行标准化。国内正在制订电子式互感器的国家 标准。 2 。2 1 合并单元 电子式互感器定义了一个新的物理元件合并单元。它将来自二次转换器的电 华中科技大学硕士学位论文 = = = = 罩= = 盅= 篁= 篁= 昌= = 号= = = = = = = ；= = = 昌薯= = 暑高= = = = ；= = = 流及电压数据进行了连续时间合成。这意味着合并单元的主要任务是将接收到的二次 端信号转换为标准输出，另一个重要的任务是使接收到的同一协议的信号同步。合并 单元将七只以上的电流互感器( 3 只测量，3 只保护，1 只备用) 和5 只以上的电压互 感器( 3 只测量、保护，1 只母线，1 只备用) 合并为一个单元组，并将输出的瞬时数 字信号填入到同一个数据帧中，体现了数字信号的优越性，如图2 1 。数字输出的电 子式互感器与外部的通讯是通过合并单元实现的。 陶中e v t a 指电子式电压互感器a 相； e c t a 指电子式电流互感器a 相： s c 指二次转换器。 图2 1电子式互感器数字接口框图 2 2 2 标准输出 电子式互感器的标准化对数字输出作出了一致性的要求，这一要求在它的实现方 法罩表现出来，包括数字输出的额定标准值和数字输出的通讯技术。 测量用电子式互感器数字输出额定标准值是十六进制的2 d 4 1 h ( 十进制1 1 5 8 5 ) ， 保护用电子式互感器数字输出额定标准值是十六进制的0 1 c f h ( 十迸制4 3 6 ) 。分成 测量和保护两个标准值是因为保护用电子式互感器可以测量的电流电压可达到额定 一次值的4 0 倍( o 偏移) 或2 0 倍( 1 0 0 偏移) 而不会过载，测量用电子式互感器 可以测量的电流电压可达到额定一次值的2 倍面不会过载。 华中科技大学硕士学位论文 电子式互感器数字输出有两种技术方法使用，一是用i e c 6 1 8 5 0 9 1 变电站通讯 f 网络和系统协议【6 】中描述的以太网络，使用同步脉冲得到时间连续的一次电流和电 压及抽样信号；另一种是i e c 6 0 0 4 4 8 中描述的通讯技术，使用同步脉冲法或内插法 得到输出信号。数字输出的电子式互感器与外部的通讯是通过合并单元实现的。 在i e c 6 0 0 4 4 - 8 描述的方法中，合并单元n - - 次设备之间的连接用光纤传输系统 或者铜线传输系统来实现。铜线传输系统是光纤系统的替换选择，与e i a d 54 8 5 标准 相符。连接的物理层使用曼彻斯特编码。对通用帧，标准传输速率为2 5 m b i t s ，先传 送m s b 位。链路层采用i e c 6 0 8 7 0 5 1 中说明的f t 3 格式，其优点是能保证数据的完 整性，帧结构能保证多点同步采样高速传输。连接运行等级是s 1 ：发送无回答。这 样数据传输是连续的和同期性的，无需二次单元的确认和应答。帧内容由启动字符、 数据段和c r c 验码组成。这一方法在技术上易于实现，通讯协议易于标准化，对于 不同的一次电气连接具有高度的灵活性。 2 2 3 通用帧 通用帧帧内容如下表 字节1 字节2 字节3 字5 a - 4 字节5 字节6 字节7 字：宵8 字。竹9 字：1 ，1 0 字h1 l 字性1 2 字：肖1 3 字h1 4 帧首部 数据组 2 72 62 52 42 32 22 i2 0 m s b 块长度( = 4 4 d e e ) l s b m s b 数据组( = 0 2 ) 数据组识别符( = 0 1 ) l s b m s b 源识别符i s b m s b 额定相电流( i r ) l s b m s b 额定中性线电流( i ) l s b m s b 额定相电压( u ，) l s b m s b额定延时( k ) l s b 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = 高= = = ；= ；= = = = = 昌= 皇= = 写景穹= = = = 宣掌篁盎= = = = 皇= ： 字节i数据组 字。竹2 字节3 字仃4 字节5 字节6 字节7 字：肖8 字节9 字肖1 0 字：协1 1 字二肖1 2 字节1 3 字节1 4 字节1 5 字节】6 字= 霄1数据组 字节2 字节3 字节4 字铃5 字。箝6 字节7 字仃8 字：雷9 字竹1 0 字：肖l l 字。1 2 字节1 3 字节1 4 字：h 1 5 字。竹1 6 堕a 相电流保护 l s b 堕b 相电流保护 l s b ! 坚lc 相电流保护 l s b 卫生中性电流 i s b 竺生a 相电流测量 l s b ! ! 盟b 相电流测量 l s b 生c 相电流测量 l s b 卫生 a 相i 电压 一l s b 卫生b 相电压 l s b 卫韭 c 相电压 一1 s b 堕中性相电压 i s b 堕母线电压 l s b 坚l状态字1 l s b 堕状态字3 s b 堕计数器 l s b 堕保留定义 l s b 2 3 电子式互感器校准方案 校准数字输出的电子式互感器，目前还以传统的电磁式互感器作为标准器。因此 有两种方法，一是将被测互感器的数字输出经d a 转换，然后与标准互感器输出比较， 华中科技大学硕士学位论文 一是将标准互感器的模拟输出经a d 转换，然后与被测互感器输出比较。前一种方法 易于实现，并且还可以与模拟输出的传统互感器校准系统合并，但它存在以下问题： ( 1 ) 不能检测被测互感器数字输出信号是否符合标准要求； ( 2 ) 分离a d 转换与d a 转换带来的误差很困难； ( 3 ) 被测互感器的时延( 采样，a d 转换，数据处理，d a 转换) 带来的相位 偏差与互感器本身相移之和可能超出校验仪的测试范围( 典型平衡电桥允许相移 2 0 0 m r a d ) 8 1 1 9 。 后一种方法不存在以上问题，并且对于将来出现的变化易于调整，其原理方框图 如图2 2 ( 以电流互感器为例) 。 硼 矗( p * 幽中k r ：标准互感器的额定变比； r e ：高精度负荷； r 1 ：用于调整标准a d 转换器的输入电压的负荷： v 1 ：标准a d 转换器的输入电压； r i + r e ：标准互感器的额定二次负荷。 图2 2数字输出的电子式互感器校准系统原理方框图 华中科技大学硕士学位论文 系统中测量用电子式互感器准确级：o 2 电子式互感器校验系统准确级：o 0 5 参考标准准确级：o 0 2 这种校准系统组成包括： 标准互感器 标准互感器必须是可上溯的。对于国家高电压计量站，0 0 2 准确级的标准电压电流 互感器是易于实现的。如果是作为标准的校准系统其准确级可以更高，这样可以减少 校准系统的测量不确定度。 标准a d 转换器 a d 转换器也需考虑其可溯性。为了便于a ，d 转换器的独立校准，可选用 多用表h p 3 4 5 8 a 。 七盘感应分压器 七盘感应分压器用于调整标准电压互感器的输出，使之符合标准a d 转换器的输 入要求。 标准电阻器 标准电阻器用于调整标准电流互感器的输出，使之符合标准a d 转换器的输入要 求。 被测的电子式互感器 被测互感器的二次输出单元应符合i e c 6 0 0 4 4 8 的要求。校验仪要检测输出是否 符合要求。 p c p c 机作为上位机软件的运行平台没有特殊要求，它与标准a d 数字输出信号的 连接通过i e e e 4 8 8 传输卡来实现。 上位机软件 上位机软件用l a b v i e w 实现。l a b v i e w 是测量和自动化领域的开发软件，使用 图形化编程语言g 编写程序，产生的程序是框图的形式。上位机软件关于互感器误差 的算法分为比值误差和相位误差两部分。比值误差( e ) 和相位误差( m 。) 单独测 出。比值误差通过比较标准互感器和被测互感器有效值得出，相位差通过测量两组信 号过零点得出，使用大数目的采样点可以确保测量的稳定结果。 i o 华中科技大学硕士学位论文 本章小结：本章介绍了电子式互感器的标准数字输出，包括数字输出的额定标准 值和数字输出的通讯技术，以及实现数字输出的物理器件一合并单元，并提出了电子 式互感器数字输出部分的校准方案。 一一一l l 华中科技大学硕士学位论文 3 合并单元的研制 为了给校准系统提供符合i e c 标准的数字输出，我们制作了合并单元。这个合并 单元可以将模拟信号转化为数字信号，并填充到通用帧，然后通过以太网络接口控制 器发送出去。合并单元采用外同步触发方式。 3 1 合并单元主电路图及硬件介绍 合并单元电路的核心芯片是网络接口控制器( n i c ) ，采用r e a l t e k 公司生产的 r t l 8 0 1 9 a s t l 0 1 ，它和媒体联接单元实现物理层的所有功能和数据链路层的大部分功 能，如曼码编码解码、c r c 校验、串并转换、数据的发送和接收等。数字信号处理 芯片采用德州仪器公司生产的t m s 3 2 0 f 2 0 6 t 1 1 】，它用来控制n i c 。在合并单元的数字 电路中，它还要完成诸如采样、同步、监测等功能。图3 1 是合并单元主电路图： 图3 i 合并单元主电路图 一 卫刊 鲫 差菇r 帮 华中科技大学硕士学位论文 3 1 1 网络接口控制器 r t l 8 0 1 9 是台湾r e a l t e k 公司生产的以太网控制器，支持i e e e 8 0 2 3 ；支持8 位或 1 6 位数据总线；内置1 6 k b 的s d r a m ，用于收发缓冲；全双工，收发同时达到1 0 m b p s ； 能自动检测所连接的介质，r t l 8 0 1 9 在总线网卡中占有相当比例。与主机有种接口模 式，即跳线模式、p n p 模式和r t 模式。 本文主要介绍便于d s p 应用的跳线模式。 ( 1 ) 引脚介绍 r t l 8 0 1 9 可提供1 0 0 脚t q f p 的封装，其引脚可分为电源及时钟引脚、网络介质 接口引脚、自举r o m 及e p r o m 初始化接e l 引脚、主处理器接口引脚、输出指示及 工作方式配置引脚。由于本文主要讨论非p c 环境下的以太网接口，该接1 2 不必具有 即插即用功能( p a p ) 和远程自举加载功能，因此不介绍r t l 8 0 1 9 与自举r o m 、初 始化e p r o m 接口的引脚。其余各部分引脚的功能如表3 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 续表3 1r t l 8 0 1 9 a s 部分引脚 s d l 5 o双向1 6 位数据总线 发光二极管输出引脚 l e d b n c输出介质类型指示 l e d o 、l e d l 、l e d 2输出指示控制器的工作状态 工作方式配置引脚 j p输入置位时选择跳线模式，复全时选择无跳线模式 p n p输入置位时进入p n p 模式( j p 踟) i o s 3 0输入 i o 口基地址选择 p 乙1 o输入介质类型选择 、 i r q s 2 0 输入用于在i n t 7 0 中选择一个作为断输出 ( 2 ) 寄存器介绍 r t l 8 0 1 9 a s 片内寄存器分为n e 2 0 0 0 寄存器组和p n p 寄存器组。n e 2 0 0 0 寄存器 组地址如表3 2 所示。n e 2 0 0 0 寄存器分为4 页，都映射到1 6 个i ，o 端口地址上。主 机通过命令寄存器( c r ) 中的p s 0 、p s l 位来寻址不同的页，通过1 6 个i o 口地址 来寻址页内寄存器。 表3 2r t l 8 0 1 9 a s 寄存器地址表 p a g e 0p a g e l ：p a g e 2p a g e 3 ： r 【w 】 ： 【l u w r 】 r 】 w l _ 0 0c rc r ；c rc rc rc r 0 1c l d a 0 p s t a r tp a r 0p s t a r t 9 3 4 6 c r9 3 4 6 c r 0 2c l d a lp s t o p p a r lp s t o pb p a g eb p a g e 0 3b n r yb n r y p a r 2c o n f l g o 0 4t s r t p s rp a r 3 t p s rc o n f i g lc o n f i g l ，0 5n c rt b c r 0 p a r 4c o n f i g 2 c o n f i g 2 0 6f i f o t b c r l p a r 5c o n f l g 3 c o n f i g 3 0 7 i s ri s rc u r r 0 8c r d a 0 r s a r om a r 0 c s n s a v 0 9c r d a l r s a r l v i a r l h i 丁c l k 1 4 华中科技大学硕士学位论文 卜0 a 8 0 1 9 i d or b c r 0m a r 2 0 b8 0 1 9 i d lr b c r lm 悯r n t r 0 cr s rr c ri v i a r 4c r c o d ： c n t r 0t c ri v l a r 5t c r 0 ec n r ld c rm a i md c r o fc n t r 2i m rm a r 7i d r 1 0 1 7r e m o t ed m ap o r t 1 8 1 fr e s e tp o r t r t l 8 0 1 9 片内寄存器分为n e 2 0 0 0 寄存器组和p n p 寄存器组。n e 2 0 0 0 寄存器组 地址如表3 2 所示。n e 2 0 0 0 寄存器分为4 页，都映射到1 6 个i o 端口地址上。主机 通过命令寄存器( c r ) 中的f s 0 、p s i 位来寻址不同的页，通过1 6 个i o 口地址来寻 址页内寄存器。 ( 3 ) r t l 8 0 1 9 与主机的接口模式 r t l 8 0 1 9 与主机的接口模式有三种，即跳线模式、p n p 模式和r t 模式，见表3 3 。 表3 3r t l 8 0 1 9 a s 的接口模式 j p 引脚p n p 引脚9 3 c 4 6 中的p n p 位；配置模式配置来源i n i t i a t i o nk e y 1 跳线跳线器r t 01xp n p9 3 c 4 6r ta n d p r i p 0x1p n p9 3 c 4 6r ta n d p i l p 0oor t9 3 c 4 6 r t 跳线模式：这种模式与早期的网络控制器兼容。r t l 8 0 1 9 的端口基地址、中断口等都 由开关或跳线器决定。跳线模式简单，但配置资源麻烦。 p n p 模式：该模式与微软的p n p 协议兼容。在这种模式下，r t l 8 0 1 9 的端口基地址、 中断口等都由e p r o m 设定，但需要进行p n p 芯片的识别，不便与d s p 接口。 r t 模式：为了避免p n p 模式下p n p 的芯片识别和配置过程，r e a l t e k 公司提供r t 模式。 在r t 模式下，r t l 8 0 1 9 的端口基地址、中断口等也是由e p r o m 设定的。 ( 4 ) r t l 8 0 1 9 与传输介质的连接 r t l 8 0 1 9 可与双绞线或同轴电缆接口，连接方法如图3 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 介质选择由引脚p l l 、p l 0 决定，另外，r t l 8 0 1 9 还自动测试介质连接是否成功。 图3 2r t l 8 0 1 9 与传输介质的连接 图3 2 中，n s 8 3 9 2 是同轴电缆驱动接收器，其电源应与r t l 8 0 1 9 的电源隔离， 一般使用一个d c d c 电源转换器得到该隔离电源。6 p t - 0 0 5 a 内有3 个耦合变压器， 用来传输信号，同时抑制来自介质的共模噪声干扰。2 0 f 0 0 1 n 是双绞线驱动接收器， 内部也有2 个传输变压器。 3 1 2d s p 芯片 1 m s 3 2 0 f 2 0 6 是德州仪器公司生产的t m s 3 2 0 c 2 0 x 系列芯片之一。t i 公司的 ，r m s 3 2 0 c 2 0 x 是采用静态c m o s 集成电路工艺伟4 造的，其结构以t m s 3 2 0 c 5 x 为基础。 t m s 3 2 0 c 2 x 和t m s 3 2 0 c 5 x 操作灵活、速度快，这是采用先进的改进型哈佛结构( 程 序存储器和数据存储器具有各自的总线) 、多级流水线、片内外设、片内存储器和专用 的指令集的结果。t m s 3 2 0 c 2 0 x 的速度高达4 0 m i p s 。t m s 3 2 0 c 2 0 x 产品具有以下优点： 改进t m s 3 2 0 的结构设计，使其性能和通用性得以提高。 采用模块化结构设计，可以更快地开发各种产品。 采用先进的集成电路工艺以提高性能。 其源码与t m s 3 2 0 c l x 、t m s 3 2 0 c 2 x 兼容，这就能更快、更容易地对t m s 3 2 0 c l x 和t m s 3 2 0 c 2 x 进行性能升级。 适用于快速算法和适合于优化高级语言操作的增强型指令集。 采用新的静态设计技术使其功耗最低。 ( 1 ) t m s 3 2 0 c 2 0 x 的性能与结构 华中科技大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 c 2 0 x 内部可分为两大部分，它们分别是： 存储器包括数字存储器和程序储存器( r a m 及r o m ) 。 中央算术逻辑单元c a l u 它由算术逻辑单元a l u 、累加器a c c ( a c c h 、 a c c l ) 、乘法器m u l t 及相应的移位寄存器组成。 与寻址和数据有关的辅助寄存器包括辅助寄存器a r o a r 7 、辅助寄存器算 术单元a r a u ，为辅助寄存器配合使用的指针寄存器a r p 、缓冲器a r b 及数据存储 器页指针寄存器d p 等。 和指令操作有关的寄存器包括预取指令计数器p f c 、指令计数器p c 、堆栈 s t a c k 及微调用( m i c r ( ) c a l l ) 堆栈m c s 等。 特殊用途的寄存器分别用于控制、状态、外接通信等。 程序总线和数据总线两总线之间有局部的交叉通路。 ( 2 ) t m s 3 2 0 c 2 0 x 的结构特点 t m s 3 2 0 c 2 0 xd s p 微处理器的硬件结构及指令集都是努力朝着适应d s p 的需要 而设计的，如。 高速运算能力 d s p 在实际应用中的一个最突出问题是实时实现问题，即在下一个抽样数据来到 之前必须对上一个抽样数据完成所需的所有运算。为了实现这一点，在t m s 3 2 0 c 2 0 x 中，具有较快的指令周期，单周期指令时间为5 0 、3 5 或2 5 n s 而t m s 3 2 0 c 2 0 x 的的大 部分指令都是在一个指令周期内完成的：由于h a r v a r d 结构实现了取指、指令译码、 数据读写及执行操作的同步进行，也即流水线操作，从而缩短了执行时间；内部设置 的硬件乘法器可实现乘法的高速运算，且乘法器和算术逻辑单元a l u 内部是并行操 作。另外，当c a l u 处理数据时，辅助寄存器和a r a u 可同时进行运算、逻辑、移 位等操作。因此，d s p 微处理器比任何其它微处理器( 如p c 中的c p u ，单片机等) 都具有更高的运算速度。虽然t m s 3 2 0 c 2 0 x 是1 6 位定点运算，但乘法寄存器和累加 器都是3 2 位的，从而具有很高的运算精度。 适合于d s p 特点的硬件结构及指令系统 信号处理中存在着大量的乘和累加的重复运算，d s p 的硬件及软指令为这一主要 运算提供了方便。d s p 中另一个常用的运算是循环移位，t m s 3 2 0 c 2 0 x 中的1 6 b i t 位 移位寄存器即是一个适合于这一特点的桶形( b a r r e l ) 移位器。 较强的数据通信能力 华中科技大学硕士学位论文 信号处理必然要和输入、输出数据打交道，及涉及较大的数据吞吐量， 有关芯片更具体的资料请参阅参考文献【1 2 】、【1 3 】、【1 4 1 。 3 1 3 d s p 芯片与r t l 8 0 1 9 a s 的接口设计 以太网控制器芯片r t l 8 0 1 9 a s 是一款适应i e e e 8 0 2 3 、1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t 的以太网控制器。其内部具有1 6 k 的r a m ，r a m 分为6 4 页，每页2 5 6 字节， 这1 6 k 的r a m 可以用作收发数据缓冲器，收发数据通过d m a 通道完成。d m a 通 道分为远程d m a 通道和本地d m a 通道两个部分。本地d m a 通道完成控制器与网 线的数据交换，主处理器收发数据只需对远程d m a 通道操作。当主处理器要向网络 发送数据时，先将一帧数据通过远程d m a 通道送到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送缓冲区， 然后发出传送命令。r t l 8 0 1 9 a s 完成了上一帧的发送后，再完成此帧的发送。 r t l 8 0 1 9 a s 接受到的数据通过m a c 比较、c r c 校验后存到缓冲区，收满一帧后以 中断或寄存器标志的方式通知主处理器。 t m s 3 2 0 c 2 0 x 芯片一共有6 4 k 可寻址i o 地址空间，处理器通过i o 空间选择信 号对i 0 口端进行读写操作，d s p 提供了专用的i o 口读写操作命令p o r t r 和 p o r t w 。以太网控制器映射到d s p 的i o 地址空间，它的主机读写控制信号i o r 和 i o w 由d s p 的i o 的空间选择控制信号和读写信号提供。 以太网控制器工作于1 6 位总线方式，1 6 位数据线分别与d s p 的1 6 位数据线相 连。d s p 采用3 3 伏供电，而r t l s 0 1 9 a s 采用5 v 供电，二者的数据总线不能直接相 连，在