（计算机应用技术专业论文）基于c167cr的高压直流输电阀控系统的研究.pdf

摘要 随着全球电力技术的高速发展，高压直流输电技术( h v d c ) 的出现并迅速普 及，高压直流输电中换流阀的控制技术成为高压直流输电的核心技术之一。本论 文的工作是设计与制作基于英飞凌1 6 位单片机的高压直流输电阀控制系统的硬件 电路。论文在研究了英飞凌微处理器结构和c 1 6 7 c r 的存储器组织、中断、并行 i o 口，c a n 控制器特点的基础上，利用芯片硬件资源与相关器件实现了阀控制系 统的硬件电路。 论文分析研究了高压直流输电的阀控制系统的各项功能要求和指标，讨论了 对整个系统进行的功能模块的划分。对进行逻辑控制的主要芯片f p g a 5 2 0 6 ，串行 口扩展芯片1 6 c 4 5 0 的工作原理进行了讨论。完成了系统各功能模块的电路设计和 p c b 制作，并进行了各个功能模块的软硬件调试及系统联调。硬件电路达到了系 统的总体要求。 关键词：h v d cc 1 6 7 c r 微控制器c a n 总线 a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eg l o b a lp o w e rt e c h n o l o g y , h i 曲- v o l t a g ed i r e c t c u r r e n t ( h v d c ) e l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya p p e a r sa n dp o p u l a r i z e sf a s t t h e c o n v e r t e rv a l v ec o n t r o lt e c h n o l o g yi nh v d ce l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nb e c o m e so n eo fi t s k e yt e c h n o l o g i e s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st od e s i g na n dm a k et h eh a r d w a r e c i r c u i to ft h eh v d ce l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nv a l v ec o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n f i n e o n 16 - b i tm c u o nt h eb a s i so fs t u d yi n f i n e o nm i c r o p r o c e s s o rs t r u c t u r ea n dc 16 7 c r s m e m o r yo r g a n i z a t i o n ，i n t e r r u p t s ，p a r a l l e li oi n t e r f a c e ，c a nc o n t r o l l e r , t h i sp a p e r r e a l i z e st h eh a r d w a r ec i r c u i to fv a l v ec o n t r o ls y s t e mb yu s i n gc h i ph a r d w a r er e s o u r c e s a n dr e l a t e dd e v i c e s w ea n a l y z ea n dr e s e a r c ht h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dt a r g e t so ft h eh v d c e l e c t r i c i t yt r a n s m i s s i o nv a l v ec o n t r o ls y s t e m ，d i s c u s sh o wt od i v i d et h ee n t i r es y s t e m i n t of u n c t i o nm o d u l e si n t h i sp a p e r t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em a i nc h i pu s e dt o l o g i c a lc o n t r o la n ds e r i a lp o r te x p a n s i o nc h i p16 c 4 5 0h a sa l s ob e e nd i s c u s s e d a f t e rt h e c i r c u i td e s i g no f e v e r yf u n c t i o nm o d u l ei sf i n i s h e da n dt h ep c bi sm a d e ，t h es o f t w a r e a n dh a r d w a r ed e b u g g i n gi sc a r r i e do u to i le a c hf u n c t i o nm o d u l e ，t h e nt h ee n t i r es y s t e m i sj o i n f l yd e b u g g e d f i n a l l yt h eh a r d w a r ec i r c u i th a sm e tt h eo v e r a l lr e q u i r e m e n t so ft h e s y s t e m k e y w o r d s ：h v d cs i n g l e - c h i pc o n t r o l c a n - b u s 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人繇函扭 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期塑! 节：墨! 了 ，之一 移一 彳旦口盯一釜 且且 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了课题研究的背景，简单描述了高压直流输电技术( h v d c ) 的主要 作用和其技术特点。介绍了论文课题，直流输电阀控电路系统的设计和制作的主 要工作以及论文的章节分配和各个部分的主要内容。 1 1 课题研究的背景 随着全球经济的快速增长，人民生活水平的日益提高，对电力的需求也快速 增长。如何提高电力技术成为电力事业的焦点，根据欧姆定律，电力技术的进步 有两条途径，途径之一就是降低电阻，因此，超导技术在电力系统的广泛应用将 会是重大的技术革命，虽然这种趋势可以预见，但它的实现仍然需要假以时日； 途径二是提高电压，于是，高压直流输电( h v d c ) 技术在2 0 世纪5 0 年代应声而 出，经过半个世纪的发展，已经成为一种成熟的输电技术，在电力系统中起着越 来越重要的作用，并逐步取代其他的输电技术成为一种主要的输电方式。作为电 力系统中一项新技术，高压直流输电技术主要应用于远距离输电、电力系统联网、 远距离海底电缆或大城市地下电缆送电、配电网络的轻型直流输电等方面，在地 域广阔的中国这项技术又显得尤为重要，高压直流输电技术在我国电力系统中的 广泛应用是满足未来持续增长的电力需求的根本保证。 作为一种新型的输电技术高压直流输电比交流输电有着显著的优点和自己特 有的技术特点：一是输送容量大；二是输送功率的大小和方向可以快速控制和调 节；三是直流输电系统的投入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系 统稳定极限的限制；四是直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的一半，可以充 分利用线路走廊的资源；五是直流电缆线路没有交流电缆线路中电容电流的困扰， 没有磁感应损耗和介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘电压相对较低；六 是直流输电工程的一个极发生故障时另一个极能继续运行，且可充分发挥其过负 荷能力，即可以不减少或少减少输送功率损失；七是直流本身带有调制功能，可 以根据系统的要求做出反应，可以对机电振荡产生阻尼，可以阻尼低频振荡，从 而提高电力系统暂态稳定水平；八是能够通过换流站的无功功率控制调节系统的 交流电压；九是大电网之间通过直流输电互联( 如背靠背方式) ，两个电网之间不 会互相干扰和影响，且可迅速进行功率支援等，这些也是直流输电技术的特点。 随着我国各大区电力系统的发展，高压直流输电在形成全国互连统一网中的 2 基于c 1 6 7 c r 的高压直流输电阀控系统的研究 优越性将日益突出。掌握高压直流输电技术对于我国电力事业的发展具有重要的 意义。直流输电的核心技术是换流阀控制技术。如何保证换流阀准确可靠地工作 是技术研究的重点，这就决定了换流阀控制技术的重要性。 1 2 研究的主要内容及章节安排 本论文的选题来自横向科研项目，是高压直流输电阀控系统项目的一部分。 本项目研究的目的是实现基于c 1 6 7 c r 单片机控制的高压直流输电换流阀阀控电 路系统的功能。项目的主要工作是完成包括电路系统的功能划分、模块的分析和 设计、完成电路原理图的设计和印刷电路板制作、电路软硬件系统调试。 本论文总共分为六章，具体内容安排如下：第一章，主要介绍了课题的研究 背景及主要研究内容。第二章，论文对阀控制系统的整体功能进行了分析，并将 系统分为多个模块进行了分析研究，具体分为电源模块、控制模块、u a r t 模块、 f p g a 逻辑模块、光纤模块、c a n 接口模块以及r s 4 2 2 模块。第三章，根据对系 统功能的分析，详细阐述了本系统采用的微控制器i n f i n e o nc 1 6 7 c r 单片机，具体 包括其体系结构和系统管理。第四章，基于系统功能的分析，确定系统除控制器 外的主要器件，并对器件进行了分析与选择。然后根据系统划分的功能模块进行 电路设计，具体划分为电源模块电路、控制模块电路、u a r t 模块电路、逻辑模块 电路、光纤模块电路、c a n 模块电路以及r s 4 2 2 模块电路。第五章，在确定电路 板系统硬件调试测试方案并分析系统软件整体功能后，设计相应的软硬件调试方 案对系统各个功能模块进行软硬件调试，包括微控制器调试，u 灿盯调试、f p g a 调试、微控制器与f p g a 的通信调试、光纤通信调试、c a n 接口通信调试以及r s 4 2 2 通信调试；第六章，对所作的工作进行了总结。 第二章阀控制系统 3 第二章阀控制系统 本章对阀控制系统的控制过程及整体功能进行了分析研究，讨论了系统应该 具备的硬件资源和各个功能模块的作用。研究了软硬件协同构成的功能模块包括 电源模块、控制模块、u a r t 并串转换模块、逻辑模块、光纤模块、c a n 接口模 块和r s 4 2 2 模块。 2 1 阀控制系统整体功能 高压晶闸管换流阀是高压直流输电的核心设备，阀控制柜( v c u ) 是控制系 统的重要组成部分。阀控制设计准则是1 0 0 有效性，所以v c u 按照并行冗余系 统设计。阀控制柜v c u 其主要功能是将极控制和极保护( p c p ) 发来的控制脉冲 ( c p ) 转换成触发脉冲( f p ) ，并通过光接口模块转换成光触发脉冲f p ，经高压 光缆发送到换流阀每个晶闸管的控制单元( t c u ) ，触发阀上的每个晶闸管，同时 阀控制柜v c u 还接收由换流阀每个晶闸管极控制单元t c u 发回的晶闸管状态信 号，并进行处理。作为v c u 的中心处理单元板阀控制电路系统板就是高压晶闸管 换流阀的控制系统板，它作为阀控制系统而存在的，整个控制系统使用i n f i n e o n 公司c 1 6 7 c r 单片机作为微处理器，并由x i l i n x 公司的f p g a 完成相关信号的逻 辑处理，同时还包括下面的功能： d c d c 转换：2 4 v 转换到5 v ； 触发脉冲信号的串行接口( 前面板和后接线板) ； 具有自动总线终端独立的c a n 总线； 控制脉冲的输出驱动器( c p 与a c t l c p 与a c t 2 ) ，这些输出驱动器由运 行或备用系统的信号控制( 后接线板) ； 触发脉冲输入驱动器( f p l f p 6 ) ； 2 4 v 保护数字输出接口( o u t 2 4 v 1 o u t 2 4 v 8 ) ： 链接外部控制信号双向数字i o 口； 外部数字r s 4 2 2 输入和输出接口； 内部控制信号的双向数字i o 口( 后接线板有) ； 两个浮动光绝缘数字输入口； 控制信号的4 根光缆输入口( 前面板) ： 控制信号的2 根光缆输出口( 前面板) ； 4 基于c 1 6 7 c r 的高压直流输电阀控系统的研究 运行或备用和试验或服务模式的手动转换开关； l e d 演示位置和操作模式。 阀控制系统利用光纤和r s 4 2 2 接收极控系统的命令，通过阀控信号系统监控 晶闸管的运行情况，并使用c a n 数据来反映晶闸管状况到晶闸管控制单元，确保 阀控信号系统和晶闸管控制系统的通信。阀控制系统的总体功能框图如下图2 1 所 示： 2 1 阀控制系统的总体功能框图 本系统作为工业控制的高压直流换电阀的阀控制系统，要求所采用的微控制 器是工业级的控制芯片，同时系统要能够与其他系统的c a n 接口进行c a n 数据 通信，而i n f i n e o n c 1 6 7 c r 芯片满足系统要求，作为一款工业控制芯片c 1 6 7 c r 片 内有1 5 个报文的完整c a n 接口( v 2 0 b ) ，可以由微控制芯片完成c a n 接口数据 通信的控制，同时它已经广泛应用在工业控制行业，尤其是发动机控制领域，在 全球发动机控制中占有很大的市场份额，技术水平已经相当成熟，所以本系统选 用i n f i n e o n c 1 6 7 c r 作为系统控制芯片。 第二章阀控制系统 5 2 2 电源模块 为了减少外部电源的接入，整个系统采用统一电源供电，电源接入电压为 + 2 4 v 。由于本系统为阀控制系统，因此将电源部分放置在本系统中，除了给控制 系统供电还给其他板卡进行供电。为了满足各个板卡多种电源的需求，及保证系 统电源的稳定性，本系统需要采用电压转换电路来提供+ 2 4 v 、+ 1 2 v 、+ 5 v 电源， 并采用相应的过流过压保护措施。电源模块的功能框图如下图2 2 所示。 图2 2 电源模块功能框图 2 3 控制模块 控制模块是阀控系统的核心部分，负责整个系统的控制，及处理外来的、内 部的相关信号。在硬件的支持下，用软件实现整个系统功能，包括流程控制、中 断处理等等。所以整个控制模块包括硬件、软件两个部分。其中硬件部分包括微 控制器与外围存储器两大部分，外围存储器电路主要是确保系统控制模块有足够 的程序空间来运行系统软件。存储器必须包括程序存储器f l a s h 和数据存储器 r a m 。下面是微控制器与外部f l a s h 和r a m 的逻辑关系图2 3 。 6 基于c 1 6 7 c r 的高压直流输电阀控系统的研究 图2 3 微控制器与外部f l a s h 和r a m 的逻辑关系图 软件部分功能主要是c p u 相关状态寄存器的初始化，比如初始化通用i o 口 的状态寄存器、串行接口、c a n 控制寄存器等等；监控整个系统的运行；实现对 f p g a 、u a r t 、c a n 接口、r s 4 2 2 以及光纤模块的控制和通信；系统总体软件框 图如图2 4 所示： 图2 4 系统总体软件框图 软硬件的具体要求有：确保本系统与晶闸管监控系统t h m 之间实时的c a n 总线通信；通过底板的串行数据通信给极控制系统发送c p 脉冲，并接收极控制系 统反馈的f p 和i p 脉冲；通过光纤模块与极控制系统进行光通信；使用f p g a 实 现相关信号的逻辑处理。 2 4u a r t 模块 u a r t 模块是从微控制器并行数据扩展出来的，用于与极控制系统调试时使用 的串行模块。其主要功能是完成将微控制器的并行数据转换成串行数据发送到极 控制系统，或者将极控制系统发来的串行数据转换成并行数据送到微控制器。要 求使用尽可能少的地址空间来实现8 位数据的串行转换，达到高效的数据转换。 具体模块功能如图2 5 所示。 第二章阀控制系统 7 图2 5u a r t 模块功能图 u a r t ( u n i v e r s a la 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 ) 通用异步接收发送装置， u a r t 是一个将并行输入转换成为串行输出的芯片，本系统的u a r t 芯片是 1 6 c 4 5 0 器件，这种芯片通常集成在主板上，因为控制系统采用的是并行数据总线， 不能直接把数据直接发到串行通信设备上，所以数据经过u a r t 处理之后才能跟 串行通信设备进行异步传输，其通信过程为：c p u 先把准备写入串行设备的数据 放到u a r t 的寄存器( 临时缓存) 中，再通过f i f o ( f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t ，先入 先出队列) 传送到串行设备，如是没有f i f o ，信息将变得杂乱无章。u a r t 作为 控制计算机与串行设备通信的芯片，它提供了r s 2 3 2 c 数据终端设备接口，除了 将由计算机内部传送过来的并行数据转换为串行数据流输出，还完成将计算机外 部送过来的串行数据转换为字节，以便数据能在系统内部数据总线上传送。 2 5 逻辑模块 逻辑模块的主要功能是使用f p g a 实现逻辑电路功能，通过逻辑电路对采集 的信号进行分析处理，给出应答信号或是对采集的信号进行驱动转换等等。首先 体现在与光纤模块的通信，利用f p g a 一般的i o 端口采集光接收器传过来的电平 信号，这些电平信号是光接收器转换光信号而输出的，经过f p g a 的内部逻辑后， f p g a 通过自身的y o 口向单模管发射器发信号，并通过单模管转换成光信号反馈 给极控制板；二是采集极控系统通过系统接口反馈回来的f p 信号；三在系统复位 及相关系统状态满足的条件下给8 通道电流保护传统器发送控制信号，并控制它 通过系统接口向其他板卡供电：四在接到请求发送c p 脉冲的信号后，通过其一般 i o 端口发送相应的脉冲信号；五采集由差分信号接收器合成的差分信号，通过 f p g a 内部逻辑的进行相应的处理，或给出相应的反馈信息，或给出四路差动线路 8 基于c 1 6 7 c r 的高压直流输电阀控系统的研究 驱动器相应的信号。当然除了这些功能外还有和微控制芯片之间的通信，接收微 控制器传过来的数据和控制信息完成相应的逻辑转换，同时也向微控制器提供应 答信号，以通知控制芯片，f p g a 已完成那些工作，比如当f p g a 加载程序成功时 会向微控制器发个信号脉冲。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 现场可编程门阵列是2 0 世纪8 0 年代中 期出现的高密度可编程逻辑器件。它拥有器件集成度高、体积小，具有通过用广 编程实现专门应用的功能。f p g a 的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时，这 些配置数据存放在片内的s r a m 或熔丝上。基于s r a m 的f p g a 器件，在工作前 需要从芯片外部加载配置数据，这些配置数据可以存储在片外的e p r o m 或其他 存储体上。用户可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，这就是所谓的 现场编程i o j 。 f p g a 主要有三部分组成，一是可编程逻辑块c l b 。它主要由逻辑函数发生 器、触发器、数据选择器等电路组成。二是输入输出模块l o b 。l o b 提供了器件 引脚和内部逻辑阵列之间的连接。它主要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发 锁存器、输出缓冲器组成。每个l o b 控制一个引脚，它们可以被配置为输入、输 出或双向i o 功能。三是可编程互联资源承，它的作用是将f p g a 内部的c l b 和 c l b 之间、c l b 和i o b 之间连接起来，构成各种具有复杂功能的系统。取主要由 许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路 的连 图2 6 f p g a 的基本结构 第二章阀控制系统 9 2 6 光纤模块 为了保证数据的高速传送，及系统能够实时快速地接收到极控制系统的命令 和发送反馈给极控制系统响应信息，系统采用光纤进行数据通信。光纤通信技术 是通过光纤传输信息的通信技术，在发信端，信息被转换和处理成便于传输的电 信号，电信号控制一个光源，使光源发出的光信号具有所要传输到远方的收信端， 经光电二极管等转换成为电信号，从而实现信号的光电转换。电信号再经过处理 和转换而恢复为原发信端相同的信息。 现在以长波长光源和单模光纤为标志的第二代光纤通信技术也已经成熟，无 中继通信距离约为3 0 公里，通信容量约为5 0 0 0 路，适用于长途干线通信【l 】。全光 化和光集成化的光纤通信技术正在研究之中。全光化指的是在中继器中光信号直 接放大，省去了光电转换和电光转换过程。全光化的光集成化功能大大减少中继 器和光端机的体积，降低功耗和成本，提高可靠性。 虽然光传输的损耗很小，但仍不可避免的存在。由于材料吸收，波导散射， 材料散射，漏泄模等原因，会造成信号的衰减。这就需要光放大器来对信号放大 和整合。光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。目前 常用的光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三 种。 未来的光纤通信将向超高速系统、超大容量w d m 系统演进，而实现光联网 是整个光纤通信发展的战略大方向。这些新技术的实现将更大促进整个信息产业 的发展。 本系统的光纤模块包括发送与接收两部分，接收极控制系统的命令和发送本 系统的响应信号。由于微控制器不能直接接收光纤上的数h d l c 数据，因此必须 要经过具体的逻辑电路来进行信号的处理。具体光纤部分功能如下图2 7 所示。 l o 基于c 1 6 7 c r 的高压直流输电阀控系统的研究 图2 7 光纤模块功能图 2 6c a n 接口模块 由于晶闸管运行状况信息对于整个系统非常重要，其他板卡也需要读取其信 息，因此必须要构成一个局域网络来实现信息在多块电路板上共享使用。根据其 需要实现的功能，本系统采用工业控制中常用的现场总线c a n 总线进行设计。 2 6 1c a n 概述 控制器局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线，即c a n 总线及其相 关的协议，可以是连接到这个总线上的各个站点相互之间进行高效率的通信【l 引。 c a n 是由i s o 定义的串行通信总线，最早是在8 0 年代末由b o s c h 公司为现 代汽车应用领域推出的一种主机局部网。它是一种多主总线，通信介质可以是双 绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可到1 m b p s 。c a n 总线通信接口中集成了 c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填 充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。由于它的高速率、高抗 电磁干扰、高可靠性而且能够检测到产生的任何错误等卓越的性能现己广泛应用 于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多 行业。在我国控制器局域网也正在普及推广。 第二章阀控制系统 c a n 由于采用了新技术以及其独特的设计，所以与r s 2 3 2 ( 一种常用的串行 通信接口标准) 相比具有突出的可靠性、实时性和灵活性。c a n 具有多节点的网 络特性，总线利用率高，数据传输速度快，可扩充性好，通信距离长( 加中继器 通信距离可达数十千米) ，具有可靠的错误处理和检错机制，个别节点失效并不影 响整个通信网络的运行，实时性好等优点，c a n 协议的一个最大特点是废除了传 统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种编码的优点是网络 内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组 成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可 使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用，也 正因为其众多的优点，又特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到 工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。 2 6 2c a n 总线技术介绍 c a n 总线以报文为单位进行数据传送，c a n 模块可以提供完全型c a n 功能， 多达1 5 个完整的信息报文( 每一个为8 个数据字节) 。每一个信息报文都有唯一 的标识符，并且有自己的一组控制和状态位。所有报文都可以设置它们的方向， 或为发送、或为接收，最后一个报文除外，它仅仪是具有专用屏蔽寄存器的双缓 冲接收。报文的优先级结合在1 1 位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高 的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。不同于其他 总线，c a n 协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的任何错误用信号发 出。c a n 协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基于报文内容检查。 冗余错误检测( c r c ) ：在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。 接收站通过c r c 可判断报文是否有错。 帧检查：这种方法通过位检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于 检查格式上的错误。 应答错误：被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未 收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误。 总线检测：c a n 中的一个节点可监测自己发出的信号。发送报文的站可以 观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。 位填充：一帧报文中的每一位都由不归零码表示，可保证位编码的最大效 率。然而，如果在一帧报文中有太多相同电平的位，就有可能失去同步。 为了保证同步，同步沿用位填充产生。在五个连续相等位后面发送站自动 插入一个与之互补的补码位；接收时，这个填充位被自动丢掉。如果在一 个帧报文中有六个相同位，c a n 就知道发生了错误。 1 2 基于c 1 6 7 c r 的高压直流输电阀控系统的研究 下图2 8 是c a n 控制器的框图，其中c a n t x d 是发送移位寄存器；c a n r x d 是接收移位寄存器；c r c 是循环冗余校验寄存器，这个寄存器跟c a n 的冗余错误 检测有关；b s p 是比特流处理器；e m l 是错误管理逻辑。 图2 8 c a n 控制器框图 2 7r s 4 2 2 模块 为了不占用高速通道，处理不需要实时响应的信号，但又要保持板间数据传 输的可靠性，本系统需要采用一种比较可靠的总线方式来传送数据。r s 4 2 2 总线 协议恰好能满足系统的需求。r s - 4 2 2 是一种数据传输标准，该标准采用双端电气 接口模块，它的信号传输速率理论上最高可以达到1 0 m b i t s 。r s 4 2 2 采用双端传 输方式和2 6 芯的信号线。在使用双端方式进行信号传输时，接收器接收来自双端 驱动器的极性相反的信号；使用单端方式时，接收器的一个输入端接收信号，另 一个输入端接收发送器的参考电压( s e n dc o m m o n ) ，该参考电压与接收器的地 是隔开的，它只能为接收器提供发送器的实际参考电压的标准值。r s - 4 2 2 接口标 第二章阀控制系统 1 3 准中驱动器和接收器的主要技术指标如表2 1 所示。 表2 1 符合r s _ 4 2 2 标准的驱动器和接收器的主要技术指标 驱动器接收器 输出最大输出信号负载阻抗输出最大输入电压输入灵敏输入电阻 电压( v )电平( v ) ( q ) 电流( m a )范围( v )度( v ) ( k o ) 士0 1 0 2 5 + 6 土2 v ( 加载) 1 0 01 0 + 1 0士0 24 ( 电源关) r s 4 2 2 模块完成的主要工作是，首先利用差分信号接收器采集接口上传过来 的差分信号，经差分信号接收器转成f p g a 的输入信号，这些输入信号经过f p g a 逻辑转换后送到四路差动线路驱动器，经过四路差动线路驱动器这些信号转换为 差分信号从接口送出，将数据传送到其他板卡。 第三章i n f i n e o n c 1 6 7 c r 1 6 位单片机 1 5 第三章i n f i n e o n 。c 16 7 c r 16 位单片机 英飞凌单片机是直流输电阀控电路系统的主控芯片，了解该芯片的各类端口 和芯片中的内部资源，可以更好的为实现系统功能服务。本章研究了c 1 6 7 c r 的 存储器组织、中断、并行i o 口等内容。 3 1c 1 6 7 c r 单片机简介 i n f i n e o n 自从1 9 9 9 年4 月成立以来，作为一家为汽车业、工业控制，固网通信 市场应用等提供控制器件，存储器产品和系统解决方案的公司也一直在进行新型 单片机的开发，以适应汽车控制系统对单片机的新要求。作为i n f i n e o n c l 6 6 系列 单片机c 1 6 7 在发动机控制中占有全球3 0 的市场，5 0 的欧洲市场。同时 i n f i n e o n c l 6 6 系列单片机广泛应用于工业控制如机器人、p l c 、伺服驱动、电机控 制等等，消费类，数据通信及电子数据处理等领域。c 1 6 7 除了在汽车发动机控制 系统有着广泛的应用外，在工业控制领域及其他领域的控制方面也起非常重要的 作用，比如在高压直流输电阀门控制系统中，很多就采用了英飞凌1 6 位单片机作 为核心控制芯片【2 】。 作为i n f i n e o n c l 6 6 族中高性能单片机c 1 6 7 c r 具有如下特点： 1 ) 具有4 级流水线的高性能的1 6 位c p u ： 指令周期8 0 6 0 n s ( 2 5 3 3 m h z 的c p u 时钟) ； 6 1 6 位乘法执行时间4 0 0 3 0 3 n s ，3 2 1 6 位除法执行时间8 0 0 6 0 6 n s ； 增强的位操作功能； 支持高级语言和操作系统的附加指令； 具有多个可改变的寄存器组； 单个周期的上下文切换； 1 0 2 4 b 的专用寄存器区； 1 6 m b 总的线性地址空间，用于代码和数据的存储。 2 ) 5 6 个中断源1 6 个优先级的中断系统。 3 ) 8 通道经由周边事件控制器( p e c ) 用中断驱动的单周期数据传输。 4 ) 片内存储器模块： 2 i 的片内r a m ( i r a m ) ； 2 i 的片内扩展r a m ( x 洲) ； 1 6 基于c 1 6 7 c r 的高压直流输电阀控系统的研究 1 2 8 k b 或3 2 k b 的片内r o m 。 5 ) 最大为1 6 m b 的外部存储空间，存放代码和数据： 可编程的用于不同寻址范围的外部总线； 复用的或分离的外部地址数据总线( 8 位或1 6 位数据线) ； 5 个可选的片选信号c s 0 c s 4 。 6 ) 片内的周边功能模块： 1 6 通道1 0 位a d 转换器，转换时间7 8 u s ： 多功能通用定时器单元，3 个1 6 位定时器： 2 个串行接口( 同步异步通道和高速同步通道) ； 2 个1 6 通道的通用捕获比较单元( c a p c o m l c a p c o m 2 ) ； 产生灵活p w m 信号的捕获t g 较单元( c a p c o m 6 ) ( 3 6 捕获比 较通道和1 个比较通道) ： 片内的有1 5 个报文的完整c a n 接口( v 2 0 b ) 全c a n 基本c a n ； 片内的实时时钟。 7 ) 最多有1 1 1 个一般的i o 口线。 8 ) 可编程的监视定时器和振荡器、监视器。 9 ) 安装在片内的自举引导程序。 下图3 1 是c 1 6 7 c r 引脚资源图。 图3 1c 1 6 7 c r 引脚资源图 第三章i n f i n e o n c 1 6 7 c r 1 6 位单片机 1 7 c 1 6 7 c r 具有如下优点： 一优化的c p u 核： 高速的指令传送和执行；大多数指令的执行只需要一个机器周期， 两个c p u 时钟周期； 功能强大的8 位和1 6 位算术逻辑单元； 扩展的位处理和周边电路控制； 高性能的分支、调用和循环处理： 优化的统一的指令格式，提供强有力的指令来实现通常功能的操 作，它们是经常使用的指令。可以绕过对暂时寄存器的操作，如 对累加器和进位标志等的送数或取数，能以并行方式执行任务； 对各种指令把操作数放在相同的位置，以避开复杂的编码设计； 对最常使用的指令使用单字的指令格式，所有其他指令使用两个 字的指令格式。使所有的指令都以字为单位，从而简化硬件结构。 二功能增强的系统资源： 周边事件控制器( p e c ) 和中断控制机构； 存储器区，c 1 6 7 c r 的代码存储器、数据存储器、寄存器和i o 口 统一编址，组成一个1 6 m b 的线性存储空间。整个空间可以按字 节或按字进行访问。片内存储器的特定区域可使用直接位寻址方 式。 三丰富的片内周边电路： 9 个i o 口，总计有1 1 1 个引用； 两个串行接口； c a n 模块； 通用定时器单元( g p t l ) ： 监视定时器； 两个捕获比较单元； 1 0 位模数转换器； 实时时钟( r t c ) 。 3 。2 体系结构 c 1 6 7 c r 的内核系统结构完美地结合了r i s c 和c i s c 处理器的优点。c 1 6 7 c r 将功能强大的c p u 与一系列高性能的外围单元集成，有效地连接成一个单片机系 统。同时拥有高速计算的高性能微控制器，使得c 1 6 7 c r 不仅适用于当前的应用， 而且适用于未来的工程应用。同时c 1 6 7 c r 使用一种被称为x b u s 的总线，这是 1 8 基t - c 1 6 7 c r 的高压直流输电阀控系统的研究 一种外部总线接口的内部表示。该总线提供标准化的方法，可以将附加的特殊功 能外设集成到标准c 1 6 7 c r 中。下图3 2 是c 1 6 7 c r 的组成方框图。 f 5 。荤b y t e a li p r o g m e m 71 j 。署：t 呲- l ： 1 - t o s c p l l i 盯a l r o m 1 2 8 ，3 2 _ ，l k b y t e x r a m l 2k b y t e i ” _- l i n l e r r u p fc o n l r o t 峥r l p 昏n l n e n v r e ， 同 1 6 ，一 t r i t e r r u p tb u s 一 一 r1 r 1t1 _ t ：0 。phmidi-ei 儿儿 l 儿 j 1 r e 8 20a d ca s c ds s cg f r rp w m (：c o m 2 (：c o m l 1 0 b n i u s a r t )( s p i ) i i t 二 i i t 7 i1 二_ 一1 g 叶 e b cc h a n r 话i s l l t lit olit 。i 一 砖 卜 b u sc o n t r o ll l t j i 一 ln 心一ir - 一 l e x t e m a ib u s i it sl c o n t r o l _ - 。_ 畅 。 8 ob r g e l lb 只g o f i l t f 1 nn 丫 f u 叫o l p o r l0 l p o r t l i p o r t5 l p o d3p o n 7 - p o r t 8 彳rr1 rfr1r1 ri 3 2 1 存储器的组织 图3 2c 1 6 7 c r 的组成方框图 c 1 6 7 c r 的存储空间是按冯诺依曼体系结构组织的，代码和数据的访问使用 同一个线性地址空间。全部物理的存储器区包括内部掩模r o m f l a s h o t p 、内部 r a m 区、内部的专用寄存器区( s f r s 和e s f r s ) 、及使用x b u s 的周边电路和外 部存储器区，这些全部映射到一个公共的地址空间。 c 1 6 7 c r 可寻址空间为1 6 m b ，分为2 5 6 段，每段6 4 k b 。每个段细分为4 个 数据页，每页1 6 k b 。 段0 项部的4 k b ( 0 0 f 0 0 0 h - - 一0 0 f f f f h ) 为内部a r m 区和专用寄存器区( s f r s 和e s f r s ) ；段0 底部的3 2 k b ( 0 0 0 0 0 0 h - - - 一0 0 7 f f f h ) 分配给片内r o m f l a s h o t p 存 储器，称为内部r o m 区。它可重新映射到段1 的( 0 1 0 0 0 0 h - - 0 1 7 f f f h ) 区域， 这时段o 低地址的那半用于对外部存储器的访问。在整个线性地址空间中代码 和数据可以存储在内部存储区的除s f r 区外的任何部分。 在存储空间里字节可以存在奇地址或偶地址，字存在以偶地址起始的连续两 个存储器单元中，低位字节存到偶地址，高位字节存到奇地址。位0 是偶字节地 址的最高位，位1 5 是奇字节地址的最高位。组成双字的字节必须处在同一个物理 空间内，并且在同一段存储器的同一页内。 内部r o m 区是通过寄存器s y s c o n 的位r o m e n 整体使能或禁止的，位 第三章i n f i n e o n c 1 6 7 c r 1 6 位单片机 1 9 r o m e n 是在复位时按照丽引脚的电平设置的，也可以通过软件改变。内部r o m 区就占据段o 或段1 低地址部分的3 2 k b ，映射到段0 还是段l 由寄存器s y s c o n 的位r o m s l 控制。内部r o m f l a s h 既可以用于代码( 指令) 也可以用于数据( 常 数，表格等) 的存储。因为它不支持从内部r o m 到外部r o m 的跨区连续执行， 所以在内部r o m 区的最高位必须放一条分支转移指令。任何一个字和字节的读操 作使用间接寻址或长1 6 位的寻址方式，对于内部r o m 的操作数不存在短寻址方 式。对于p e c 数据传送，内部r o m 区可以通过p e c 源指针和目的指针进行访问， 与寄存器d p p 的内容无关。关于d p p 的详细内容可查看后续的章节。 c 1 6 7 c r 的内部r a m 和s f r 区位于数据页3 的顶部，它有2 1 ( b 的内部r a m ( 承a m ) ，对应的地址范围是o o f 6 0 0 h 0 0 f d f f h ，同时为特殊功能寄存器s f r 提供了5 1 2 b y t e 的地址空间，对应的地址范围是o o f e 0 0 h 0 0 f f f f h 。( 注：s f r 区、e s f r 区和内部r a m 区的高2 5 6 个字节是可以位寻址的) 在c 1 6 7 c r 系统中内部r a m 主要用于： 系统堆栈； 通用寄存器组( g p r ) ； 用作周边事件控制器( p e c ) 的原指针和目的指针； 变量和其他数据的存储； 指令代码的存储。 在对内部r a m 的访问中，如果选取的寄存器d p p 指向数据页3 ，内部r a m 区的字和字节数据可以通过间接寻址和长1 6 寻址方式访问。另外内部r a m 的高 2 5 6 个字节( o o f d o o h o o f d f f h ) 和当前的通用寄存器组可以对单个的位进行存 储，它们是可位寻址的。 1 系统堆栈系统堆栈是在内部r a m 中定义的，其大小有寄存器s y s c o m 中位域s t k s z 的内容控制的。 系统堆栈只支持字的访问。堆栈上溢寄存器( s t k o v ) 和堆栈下溢寄存器 ( s t k v n ) 用来控制所选取的堆栈区的上下边界。这两个堆栈边界寄存器不仅用 来保护数据不被破坏，而且允许与支持当系统堆栈溢出和填满时实现一个循环堆 栈。 2 通用寄存器( g p r ) 使用内部r a m 中地址连续的1 6 个字，上下文指 针寄存器( c p ) 确定了当前激活的寄存器组的基地址。当前激活的寄存器组的每 一位都可以按位访问。改变c p 的内容就可选择一个新的激活的寄存器组。一个特 殊的上下文切换指令( s c x t ) 用来实现寄存器组的切换，并自动保存前一个上下 文指令的内容，