（通信与信息系统专业论文）一种应用于电力杆塔的驱鸟器设计与实现.pdf

中文摘要 摘要 针对电力系统输变电线路鸟害问题，本课题设计了一种应用于电力杆塔的新 型驱鸟器，用于替代老式的驱鸟设施，从而大幅度提高了电力杆塔的驱鸟效果， 进而解决了困扰电力输变电公司的鸟害问题。 本设计采用高性能的单片机a t m e g a 8 作为核心控制单元，实现了系统的软硬 件设计。其中采用了先进的光伏控制技术、g p r s 移动通信技术、高性能的t 类数 字功放技术、实用的语音编码处理技术，实现了监控中心与驱鸟器的双向传输， 从而实现了灵活、智能的驱鸟。由于输变电线路的特殊性，使电力杆塔上驱鸟设 备的供电成为一个难题，本课题采用太阳能光伏技术和电源控制技术很好的解决 了这一技术难题，从而实现了驱鸟器的2 4 小时持续供电。基于t 类功放技术设计 的高信噪比、低功耗、高音质数字功放，结合拥有较大的语音存储量和有效的语 音处理方式的b m p 5 0 0 8 语音存储板，实现了声音的高保真放大输出。依据不同地 域鸟类的不同，本课题精心选取了十几种鸟类天敌的声音并将其固化在语音处理 系统中，使驱鸟效果更加明显。这些特性为电力驱鸟器更广泛的应用打下坚实的 基础。 本系统经大量的模拟和实地测试，驱鸟效果较好，可以成功应用于电力系统， 同时该驱鸟器可以利用软件进行定期更新和升级。由于不必要更换硬件设备，为 各大电力公司节约了大量的财力，物力和人力。驱鸟器的定期升级又给电力系统 中鸟害的防范提供了更加可靠的保障。该驱鸟器功能的完备性、技术的先进性、 本身的创新性、较低的价格和电力系统广阔的需求与市场，决定了该项研究 具有广阔的应用前景及广泛的社会效益和经济效益。 关键词：输变电线路；鸟害；光伏控制；t 类功放 英文摘要 d e s i g na n da p p l i c a t i o no fa b i r dd r i v i n gd e v i c ea p p l i e dt o e l e c t r i cp o w e rt o w e r s a b s t r a c t a i m i n ga tt h ep r o b l e mo f b i r dd a m a g ei ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h es u b j e c td e s i g n s an e wk i n do fb i r dd r i v i n gd e v i c ea p p l i e dt op o w e rt o w e r s ，w h i c hi su s e dt or e p l a c et h e o b s o l e t ed r i v i n gb i r d sf a c i l i t i e s ，g r e a t l yi m p r o v e st h ep o w e rt o w e r s d r i v i n gb i r d se f f e c t ， a c c o r d i n g l ys o l v e st h ep r o b l e mo fb i r dd a m a g ew h i c hp u z z l e st h ep o w e rt r a n s p o r t i n g c o m p a n y t h ed e s i g nu s e st h eh i g h p o w e r e dm c ua t m e g a 8a st h ec e n t r a lc o n t r o lu n i t ， r e a l i z e st h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m u s i n gt h ea d v a n c e dp h o t o v o l t a i c c o n t r o lt e c h n o l o g y , g p r sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , h i g h p o w e r e dtc l a s s d i 百t a la m p l i f i e ra n dt h eu s e f u lv o i c ee n c o d i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , r e a l i z e st w o w a y t r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h ed e v i c e so fd r i v i n gb i r d sa n ds u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gc e n t e r , c o n s e q u e n t l ya c h i e v e sf l e x i b l ea n di n t e l l i g e n tb i r dd r i v i n g t h ep a r t i c u l a r i t yo ft h e p o w e rt r a n s p o r t a t i o nl i n em a k e st h ep o w e rs u p p l e m e n to f t h ed e v i c eo fd r i v i n gb i r d so n t h et o w e rap r o b l e m t h i st e c h n i c a lp r o b l e mw a ss o l v e db yu s i n gs o l a re n e r g y p h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g ya n dp o w e rc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , w h i c hp r o v i d e s2 4h o u r s n o n s t o pp o w e rs u p p l e m e n tf o rt h ed e v i c eo fd r i v i n gb i r d s t h eh i g hs i g n a l n o i s e - r a t i o ， l o wc o n s u m p t i o na n dh i g ht o n eq u a l i t yd i g i t a la m p l i f yw h i c hi sb a s e do nt h etc l a s s a m p l i f yt e c h n o l o g y , w i t ht h ev o i c ei cb m p 5 0 0 8w h i c hh a sl a r g ev o i c es t o r a g ea n d e f f e c t i v ep r o c e s s i n gm e t h o dr e a l i z e sa u d i oh i g h - f i d e l i t ya m p l i f i e do u t p u t a c c o r d i n ga s t h ed i f f e r e n tk i n d so fb i r d sf r o md i f f e r e n tr e g i o n s ，t h ep r o j e c tc a r e f u l l ys e l e c t sm o r e t h a nt e ne f f e c t i v es o u n d so fb i r d s n a t u r a le n e m i e sa n df i xt h e mi nt h ev o i c ep r o c e s s i n g s y s t e ma n dt h ee f f e c ti se n h a n c e do b v i o u s l y t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa r et h eb a s eo fv a s t a p p l i c a t i o no f e l e c t r i cp o w e rs y s t e md r i v i n gb i r d s t h es y s t e mh a sb e e nt e s t i f i e dt h r o u g hal o to fs i m u l a t e da n df i e l dt e s t i n g s ，g e t sa b e r e re f f e c to fd r i v i n gb i r d sa n dc a nb es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oe l e c t r i cp o w e rs y s t e m m e a n w h i l et h es o f t w a r eo ft h ed e v i c ec a nb eu p d a t i n ga n du p g r a d i n g b e c a u s eo fn o n e e dt oc h a n g eh a r d w a r ed e v i c e s ，t h es y s t e mc a nh e l pt h ec o m p a n i e ss a v el a b o r , 英文摘要 m a t e r i a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e s t h er e g u l a ru p d a t i n go ft h ed r i v i n gb i r d ss y s t e m p r o v i d e sa m o r er e l i a b l eg u a r a n t e eo ft h ep r e v e n t i o nf r o mb i r dd a m a g ei ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m c o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n s ，a d v a n c e dt e c h n o l o g y , i n n o v a t i o n ，l o w e rp r i c ea n dt h e d e m a n di nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e ma l l p r o v i d et h ed e v i c eo fd r i v i n gb i r d sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c ta n de x t e n s i v es o c i a lb e n e f i ta n de c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o na n dt r a n s f o r m a t i o nl i n e s ：b i r dd a m a g e ；p h o t o v o l t a i c c o n t r o l ；c l a s stp o w e ra m p l i f i e r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文= = 二弛座旦王电力扛蝰的型鱼墨退让生塞理：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 栌嘣擀就蚌膈担乏签名一；月编 论文作者签名胡孤嘭巧懒年；月伽同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 论文作者签名：芝峦缘痧b 师签名：舞之白卅历 同期：伊水弓月卅咱 一种廊用丁电力系统的驱鸟器设计与实现 1 1 课题来源与背景 第1 章绪论 鸟是人类的朋友，人类在爱护鸟类的同时，也受到鸟类的困扰。近年来、生态 环境的变化改变了鸟的生存状态，在一些地区鸟将鸟巢筑在电力系统输电线路的 杆塔上，而由于鸟类活动以及电网规模的扩大和增加，导致送电线路由于鸟害发 生闪络跳闸呈逐年上升的趋势，鸟类对电网运行的危害愈来愈大【i 】。尤其超高压远 距离大容量输送线路的鸟害事故引起的跳闸，更是严重的影响着电网的安全运行。 如：0 4 年发生的美、加大停电事故，其起因就是高压送电线路鸟粪闪络引起的跳 闸，引起系统震荡、解列。再如徐州，地处江苏北部，属暖温带季风气候区，四 季分明，光照充足，雨量适中，易于鸟类的繁衍并吸引过路候鸟的逗留。仅2 0 0 3 年徐州电网就因鸟粪引发导致l l o 千伏线路跳闸2 起、2 2 0 千伏线路跳闸4 起，3 5 k v 主变事故一起。近年的统计资料表明( 表1 1 ) ，由于鸟类活动引起的线路故障仅 次于雷害和外力破坏，已经占居线路故障总数的第三位。 表1 12 0 0 4 年至2 0 0 6 年1 0 月各区域电网线路涉鸟跳闸统计表2 l t a b 1 1s t a t i s t i c a lt a b l e sa b o u tb r a k ej u m p i n gr e l a t e dw i t hb i r d so fe v e r yr e g i o n sf r o m2 0 0 4t o 2 0 0 6 1 0 单位2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年1 1 0 月合计( 次) 华北电网 2 8 3 32 68 7 东北电网5 13 02 51 0 6 华尔电网 2 21 21 04 4 华中电网 2 33 62 18 0 撕北电网3 42 62 28 2 + ”台砖劲。+ 。? i 7 1 5 8 “。1 3 7 j 1 0 43 9 9 电力杆塔由于鸟类栖息发生的输变电线路事故给国家和人民带来了巨大经济 第1 章绪论 损失的同时，也严重影响了正常的生产、生活秩序，电力系统对线路上鸟害防护 工作的重视程度逐年提高。国家电网公司2 0 0 4 年1 2 月1 7 日下发了国家电网能够 生 2 0 0 4 1 6 4 1 号关于印发预防输变电设备事故措施的通知和国家电网公司十 八项反措都对防鸟害工作提出了明确的要求，江苏省电力公司国家电网公司 十八项反措实施细则明确提出“在鸟害多发地段，新建线路设计时应考虑采取 防鸟措施，也可在横担上方增设防鸟装置或采取其他有效的防范措施。 电力系统的鸟害事故严重的影响着电网的安全运行及高压架空输电线路的正 常运行，直接关系电网的安全可靠和电力企业的经济效益。因鸟类引起的输电线路 故障多为以下几方面【3 】： 1 ) 鸟的筑巢：鸟易在输电杆塔顶筑巢，筑巢的材料主要是树枝、植物茎杆， 甚至有遗留在杆塔附近的金属丝，当在一定的气候条件下，如阴雨天气、大风，引起受 潮的树枝或大风吹落的金属丝接触电线造成接地短路。 2 ) 鸟的粪便：鸟排在绝缘子串上的粪便污秽是一种导电混合体，排在绝缘子串 上方的稀粪直接沿瓷裙表面下滑，当稀粪便短路4 片以上绝缘子串时，即引起单向接 地事故。附着在绝缘子串上的粪便污秽形成的电膜在空气的湿度过高和雨雪天气 也会造成污闪事故。 3 ) 鸟类嘴罩掀着的筑巢材料在线路上空或导线之间穿越飞行，可能造成接地和 相间短路。 4 ) 鸟成队列起飞引起对横担或相问短路。 由于鸟类在不同地区、不同时间有不同的生活规律和习性，加之现有的电力 驱鸟设备性能单一，从而造成传统驱鸟设备处理鸟类事故针对性不强、驱鸟效果 不理想。 1 2 国内外电力驱鸟器现状 从人类早期使用的书写工具到现在便捷的航空器，都是人类在长期观察、努 力研究鸟类特点基础上创造完成的。但是鸟类在为我们人类做出贡献的同时也带 来了许多危害。 近年来，由于自然环境破坏，造成高大树木匮乏，至使鸟类无法找寻相应环 一种应j j 丁电力系统的驱呜器设计与实现 境筑巢，转而选择在稳固、高大的电力输电线路杆塔横担上搭建鸟巢，频繁活动， 极易造成输电线路鸟害事故。针对输变电线路上的鸟害问题，国内外各电力公司 也采取了一系列大致相同的防范措施【4 j ，这些措施将在下面的小节中进行详细的论 述。由于国内外电力系统采用了相仿的驱鸟手段，其驱鸟效果也大致相同。下面 就针对国内的驱鸟现状作一下简单的介绍。 目前，在现行的各种驱鸟措施中都存在各种弊端，使驱鸟效果不够明显。例 如防鸟刺虽然在一定程度上能实现防护作用，但是由于它的防护距离有限，且防 鸟刺不能过大，过大会造成线路检修作业不方便；防鸟滚轮虽然在短时期能实现 防护作用，但时间一长，受到雨水等的腐蚀会生锈，反而成为鸟的栖息场所，从 而失去了防鸟作用。同样的其他的现行驱鸟设备也存在诸如此类的问题。 现行各种防鸟措施的更新采用在短时期内都是有作用的，只不过在残酷的自 然条件下，一切生物都是为生存而斗争，鸟更不例外，它会在自然选择，即适者 生存的作用下不断地去适应，经过一定时间的适应后，防鸟措施就不再起作用。 所以为更好地做好防鸟工作，本课题设计了一种应用于电力系统的新型驱鸟器。 它可以根据需要，利用软件实现声音的更换，避免了鸟对声音的适应性。 1 2 1 现行电力驱鸟措施 目前，国内外防鸟措施主要是针对引起线路跳闸的主要原因，通过驱逐、惊 吓和遮挡等方式来防止鸟粪闪络。主要采取驱逐、惊吓鸟类等措施，不让鸟类停 留在杆塔上( 至少是不让鸟停留在绝缘子j 下上方) 。常见的线路驱鸟措施有【5 】【2 8 】： 1 ) 安装防鸟刺。防鸟刺一般采用多股钢绞线一端固定( 固定在特制的底座内) ， 一端散开，截成8 0 - 1 0 0 c m 长度，形成蘑菇状( 或采用冷拔丝钢丝焊接) 和“云 杉树 状。 2 ) 采用大盘径绝缘子伞裙。在瓷( 玻璃) 绝缘子上将第一片或问隔几片改用 大盘径绝缘子或在复合绝缘子项部加装大盘径绝缘子。目前大盘径硅胶伞裙罩( 直 径可在4 0 0 - - 6 0 0 r a m 之间) ，大盘径玻璃钢伞裙罩( 直径7 0 0 m m 之间) 。 3 ) 加装防鸟罩、防鸟挡板、防鸟网等手段。如在杆塔顶部涂刷红油漆、挂小 红旗、安装风铃、惊鸟牌，喷涂防鸟磁性漆、铁塔横担上安装档板和网状物等。 第1 章绪论 4 ) 在停电线路的复合绝缘子上加装护套或尽量缩短停电时间，防止鸟类啄伤 复合绝缘子。 5 ) 风车式驱鸟器。风车式驱鸟器是我国最早进入市场的驱鸟器。其原理是将 风车式的驱鸟器安装在线路铁塔上，在风的作用下驱鸟器旋转来恐吓鸟。有的在 驱鸟器上还涂上一层反光材料，在太阳的照射下反光来驱赶鸟。 6 ) 超声波驱鸟。人耳的听力范围在2 0 h z 一2 0 k h z 之间，频率大于2 0 k h z 的声 波都可算作超声波。超声波驱鸟器采用分段工作方式，每次工作是在一定频率范 围内随机发出某频率超声波，来延长动物的适应期。 1 2 2 国内外驱鸟手段的不足 目前，全国各电力系统主要是采用在线路杆塔上安装惊鸟用的鸟刺、风车、 恐怖眼，挂小红旗、加大绝缘子伞裙等措施，开始对想落到杆塔上的鸟有一定惊 吓作用，时问长了，鸟已经适应了这些环境之后就不怕了，因此这些防鸟措施效 果不佳。其主要问题是：防鸟害有死角，线路单回路中由于铁塔结构原因，风车 不能安装到位、易老化、自然损坏严重、寿命短、无风天气不能发挥作用；不同 地区特点也不同，如宁夏j x l 太大，一般的风车风叶很快就坏；鸟主要用稻草筑巢， 稻草太长，时常发生草缠风车而使其失去作用【6 j 。 以上所说的各种防鸟措施都存在着一定的弊端，从而不能达到长期有效的驱 鸟效果。更由于各地自然条件的原因，使现行的防鸟设备寿命大大缩短。在当今 高科技发展的时代，电力系统也迫切需要一种新型的驱鸟设备来弥补以上措施的 不足，从而达到长期有效的驱鸟。本课题的研究就是在此基础上提出并实现的。 1 3 课题研究意义 以往的防鸟措施，在使用初期都会收到良好的效果，达到有效地防鸟。时间 一长，由于鸟类对实施环境产生了适应性，驱鸟效果逐渐下降以致最后成为摆设。 这样不仅造成了大量的财力、物力、人力的浪费，更重要的是电网运营安全受到 了极大的威胁。如何有效地防止鸟类在输电线路杆塔上搭巢，成为一直以来国内 外研究的重点和难点。目前只有针对鸟类本身的一些生理和生态特点，采用有关 先进技术，才能在输电线路上实现更好、更有效的驱鸟，达到防止鸟害的目的。 一种应用丁电力系统的驱鸟器设计与实现 根据目前国际上的研究发现，利用鸟类遇难报警或垂死前的呜叫、求救等采用鸟 类物种中特有的，并具有遗传共性的，富有生物学意义的鸟类呜叫声制成的驱鸟 器，其驱鸟效果最好。 本课题设计的驱鸟器不同于一般防鸟刺等防鸟设备，它主要是以驱鸟为目的， 以语音驱鸟为主，同时结合光、色等驱鸟措施综合治理【6 】。而不是单纯的防止鸟停 落在杆塔上面。为了长期有效的达到驱鸟的效果，驱鸟器在设计上不仅只是一个 简单的发音设备，它里面蕴涵着众多的生物学、生态学的知识，并结合现代电子 技术设计而成。 目前国内尚无此类产品的出现，国内产品仍停留在较低的水平，原因是电子 行业对这方面的应用关注不够，同时有机会进入这个行业的专业人士又较少。目 前西方发达国家投入了大量的人力与物力对新一代驱鸟器进行研制，但目前为止 还没有相关驱鸟产品问世。本课题提出的一套防止送电线路鸟害的完备解决方案， 对电力智能驱鸟器的研制具有十分重要的意义和广阔的应用前景。 本课题所研制的智能电力驱鸟器技术先进、功能完备、产品创新。能够防止 鸟类在杆塔上筑巢、降落。为送电线路提供最佳性价比的智能电力驱鸟器，将有 效提高线路的安全性、减少由于鸟害所引起的跳闸事故。 1 4 课题研究的主要内容 1 4 1 研究内容 本课题提出了一套防止送变电线路鸟害的完备解决方案，依据该方案所设计 的驱鸟器能够防止鸟类在电力杆塔上筑巢、降落。该驱鸟器解决了以往防鸟设备 存在的诸多问题，为电力系统提供了一款经济实用的驱鸟设备，它将有效提高线 路的安全性、减少由于鸟害所引起的跳闸事故。其中主要的研究内容如下： 1 ) 详细阐述了本课题的研究背景，分析国内外驱鸟现状，指出研究应用于电 力杆塔的智能驱鸟器的意义。 2 ) 综合国内外现有驱鸟设备的不足，依据输变电线路周围环境的特点，提出 了电力智能驱鸟器系统实施方案，为电力运行安全提供了可靠保障。 3 ) 概述主控芯片m e g a 8 的主要技术和性能，利用其较高的性价比实现驱鸟器 第1 章绪论 的“中枢”系统设计。 4 ) 研究电力杆塔供电问题，详细介绍了光伏供电设计及其在驱鸟器系统的硬 件平台搭建。 1 5 ) 研究并利用g p r s 通信技术，实现驱鸟器与控制中心的通信。并通过上位 机软件可以实现对驱鸟器信息的远程监控。 1 4 2 论文创新点 鉴于目前国内外电力系统的驱鸟现状，结合大连海事大学机场驱鸟器项目组 多年来对机场驱鸟方案的研究与设计，创新性的提出并设计了一套应用于电力系 统的新型驱鸟器方案。 本设计方案完全摒弃了电力系统传统的驱鸟模式与思维，运用先进的语音处 理和功放系统，将电力系统被动的防鸟变为主动的驱鸟；同时与g p r s 相结合实 现驱鸟信息的实时、快速传递，使电力系统在有效驱鸟的同时，又能省去到现场 勘查及定期更换防鸟设备的麻烦。据资料显示目前，尚没有此类产品应用于国内 外的电力系统中。 一种应用于电力系统的驱鸟器设计与实现 第2 章a t m e g a 8 单片机及其开发环境的介绍 2 1a t m e g a 8 单片机概述 在市场上，其他系列单片机的一般规律是：低档型单片机的引脚少，同时在 内部集成的存储器容量较小，功能也较为简单；而中高档型的单片机在内部集成 的存储器容量较大，功能也多，但是引脚数一般为( 或大于) 4 0 个。对于一些不 需要单片机有较多的外围引脚，同时系统需要大量的运算，程序代码较长，功能 较为复杂的应用上，往往没有合适的芯片。 为了解决这一矛盾，a t m e l 公司在2 0 0 2 年第一季度推出了一款新型a v r 高 档单片机- - a t m e g a 8 。在a v r 家族中，a t m e g a 8 是一种非常特殊的单片机，它的 芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备a v r 高档单 片机m e g e 系列的全部性能和特点。但由于采用了小引脚封装( d i p 2 8 和 t q f p m l f 3 2 ) ，所以其价格仅与低档单片机相当，成为具有极高性价比，深受广 大用户喜爱的单片机。再加上a v r 单片机的i s p 性能，用户往往不需要购买昂贵 的仿真器和编程器也可以进行单片机嵌入式系统的开发应用，同时也为单片机的 初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。 a v r 单片机的核心是将3 2 个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的 工作寄存器都与a l u ( 算术逻辑单元) 直接相连，实现了在一个时钟周期内执行 的一条指令可以同时访问两个独立的寄存器，这种结构提高了代码效率，使a v r 的运行速度比普通c i s c 单片机高出l o 倍【7 1 。 2 2a t m e g a 8 单片机系统控制和外设 2 2 。1m c u 内核 为了提高m c u 并行处理的运行效率，a v r 单片机采用了程序存储器和数据 存储器使用不同的存储空间和存取总线的h a r v a r d 结构。图2 1 为m c u 控制结构 图。 第2 章a t m e g a 8 单片机及其开发环境的介纠 图2 1m c u 控制结构图 f i g 2 1m c u c o n t r o ls t r u c t u r e 在a v r 硬件内核内，有一个由3 2 个访问操作时问只需要一个时钟周期的8 位通用工作寄存器所组成的“快速访问寄存器组”。“快速访问 意味着在一个时 钟周期内执行一个完整的a l u 操作。在一个标准的a l u 操作中包含了三个过程： 即从寄存器组中取出两个操作数，操作数被执行，将执行结果写入目的寄存器中。 这三个过程是一个时钟周期内完成的，构成一个完整的a l u 操作。 1 ) 微控制器( m c u ) m c u 控制器主要包括a l u 、状态寄存器、通用工作寄存器和堆栈指针寄存器。 算术逻辑单元( a l u ) 与3 2 个通用工作寄存器直接相连。在一个系统时钟周 期内，a l u 可以完成一个寄存器与寄存器之间或寄存器与立即数之间的操作。 状态寄存器( s r e g ) 用来设置某些位来控制c p u 的行为或通过某些位来反映 c p u 的状态，它反映了每个a l u 操作后结果的各种状态。图2 2 为状态寄存器结构 图。 一种应h j i 丁电力系统的驱鸟器设计与实现 位 76543210 $ 3 f ( $ 0 0 5 f ) i svnz li t i h illii c i 读写 r wr wr wr wr 1 i i r 1 i ir wi v w 复位值 f i g 00000000 图2 2 状态寄存器结构 2 2t h es t r u c t u r eo fs t a t er e g is t e r 位7 i ：全局中断允许 当全局中断允许i 位为“l ”时，全局中断使能允许。如果全局中断允许位清0 ， 则不论单独中断允许位是否置“1 ”所有中断都被禁止，系统不响应任何中断。 位6 - _ t ：位复制存储 3 2 个工作寄存器组中的任何一个寄存器的其中一位，可以通过b s t 指令被复制 到标志t ；而使用b l d 指令则可将t 的置复$ 悟0 3 2 个工作寄存器组中指定寄存 器的指定位。 位5 - h ：半进位标志位 半进位标志位h 指示了在一些a l u 运算操作过程中有无半进位( 低4 位向高4 位进位) 的出现，它对于b c d 码的运算非常有用。 位4 _ s ：符号标志位，s = nv 符号标志s 位是负数标志位n 和2 的补码溢出标志位v 两者的异或值。 位3 v ：2 的补码溢出标志位 2 的补码溢出标志位v 用于支持2 的补码运算。 位2 - n ：负数标志位 负数标志位n 表示在一个算术或逻辑操作之后的结果是否为负数。 位l z ：零值标志位 零值标志位z 表示在一个算术或逻辑操作之后的结果是否为零。 位o _ 弋：进位标志位 进位标志位c 表示在一个算术或逻辑操作之后有无产生进位。 第2 章a t m e g a 8 单片机及其开发环境的介纠 位7 0 舳 r 1 r 2 r 1 4 r 1 5 r 1 6 r 2 6 r 2 7 r 2 8 r 2 9 r 3 0 r 3 1 $ o o o o $ 0 0 0 1 $ 0 2 s 0 0 0 e $ o o o f $ o o l o $ 0 0 1ax 寄存器偶字节 $ 0 0 1bx 寄存器奇宇节 $ 0 0 1 0y 寄存器偶字节 $ 0 0 1dy 寄存器奇宇节 $ o o lez 寄存器偶宇节 $ 0 0 1f7 寄存器奇字节 图2 3 通刚：i ：作寄存器组 f i g 2 3u n i v e r s a lr e g is t e ru n i t 通用工作寄存器组由命名为r 0 r 3 1 的3 2 个8 位通用工作寄存器构成。图2 3 为 通用工作寄存器组的结构图。寄存器r 2 6 r 3 1 除了可用作通用寄存器外，还可两 两合并，组成三个1 6 位寄存器x 、y 、z ，作为简捷寻址操作中的地址指针寄存器 使用。 堆栈主要用于保存临时数据、局部变量、中断或子程序的返回地址。1 6 位的 堆栈指针寄存器( s p ) 指示了堆栈顶部地址，尽管堆栈区可在整个的数据存储器 ( s r a m ) 空间建立，但在a v r 中，堆栈区在数据存储器空间内是由高端向低端 发展的。这意味着执行一个进栈p u s h 操作时，堆栈指针将自动减量( 8 0 5 1 的堆 栈区在数据存储器空间内是由低端向高端发展的) 。 2 ) m c u 工作时序 a t m e g a 8 由m c u 时钟信号e l k 驱动，该c l k 时钟信号由选定的系统时钟振荡源 直接产生，在内部没有使用时钟分频。 一种应用丁电力系统的驱鸟器设计与实现 哦。，厂八八_ 第一条指令取指- f 第一。条指令执行 第二条指令取指- _ _ (： 第二条指令执行 第三条指令取指二；- 一 一厂八n _ 总执行时阀? _ ， + l - 。_ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - _ j _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 取稚勰作敦二= _ _ a l u ： 黧耄麓弘二口粼脯存扛三 _ 第四条指令取指_ _ _ _ l ；广仔俺箱米弱葡仔希弋_ 二广_ _ 一 图2 4 并行指令存取和执行图2 5 单周期a l u 操作时序 f i g 2 4p a r a l l e li n s t r u c t i o n f i g 2 5t h eo p e r a ti n g a c c e s s i n ga n de x e c u t i o ns e q u e n t i a lo fs i n g l ep e r i o da l u 图2 4 所示为h a r v a r d 结构和快速访问寄存器组的并行指令存取和指令执行时 序。采用这种流水线结构的目的，是为了获得工作在1 m h z 下，高达1 m i p s m h z 的效率。m c u 在第一个时钟周期t l 取出第一条指令，在t 2 周期执行取出的指令， 同时又取出第二条指令，依次进行，使a v r 达到非常高的执行速度。 图2 5 所示为单时钟周期a l u 与工作寄存器组操作指令的执行时序在一个时 钟周期内，a l u 从2 个寄存器中取出2 个操作数进行相应的运算，并将结果写入目 的寄存器。 2 2 2 同步串行接口s p i 同步串行接口s p i 允许在a t m e g a 8 和外设之间，或几个a v r 单片机之间，以 与s p i 接口协议兼容的方式进行高速的同步数据传输。a t m e g a 8 单片机的s p i 接 口的主要特征如下： 1 ) 全双工、3 线数据传输； 2 ) 可选择的主从操作模式； 3 ) 数据传送时，可选择l s b 方式或m s b 方式； 4 ) 七种可编程的位传送速率；数据传送结束的中断标志； 5 ) 从闲置模式下被唤醒( 从机模式下) ，倍速( c 剐2 ) s p i 传送( 主机模式下) 。 第2 章a t m e g a 8 单片机及其开发环境的介绍 图2 6s p i 数据通信时，主一从机的连接与数据传送方式图 f i g 2 6c o n n e c t i o no f m a s t e ra n ds l a v e ，a n dd a t at r a n s m i t i o nw a y i nt h ep r o c e s so fs p id a t a c o m m u n i c a t i o n s p i 数据传输系统是由主机和从机两部分构成，主要由主、从机双方的两个移 位寄存器和主机s p i 时钟发生器组成，主机为s p i 数据传输的控制方。图2 6 为 s p i 方式下，主一从机的连接与数据传送方式图。由s p i 的主机将s s 输出线的电 平拉低，作为同步数据传输的初始化信号，通知从机进入传输状态。然后主机启 动时钟发生器，产生同步时钟信号s c k ；预先将在两个移位寄存器中的数据在s c k 的驱动下进行循环移位操作，实现了主一从之间的数据交换。主机的数据由m o s i ( 主机输出一从机输入) 进入从机，而同时从机的数据由m i s o ( 主机输入一从机 输出) 进入主机。数据传送完成，主机将s s 线拉高，表示传输结束。 作为从机的s p i 接口，其内部的控制逻辑电路完成对外部s c k 引脚信号的扫 描检测。为了保证能正确地对外部s c k 引脚信号的扫描检测，s p i 的时钟信号不 能超过l o s e 4 。当s p i 接口被使能时，m o s i 、m i s o 、s c k 和s s 引脚的控制与数 据方向如表2 1 所示。 表2 1s p i 引脚重载 t a b 2 1r e l o a ds p ip i n s 引脚方向( 主s p i )方向( 从s p i ) m o s i 州户定义输入 m i s 0 输入 用户定义 s c k用户定义输入 s s 用户定义 输入 一种应丁电力系统的驱呜器设计与实现 在s p i 串行同步数据时，传送的数据与不同的s c k 相位和极性相结合构成四 种s p i 数据传送模式。图2 7 和图2 8 所示为s p i 四种数据传输模式的格式。s p i 中的c p h a 和c p o l 位决定了采用哪一种数据传送模式。 m o d e0 厂_ 厂z 厂_ s c k ( c p o l = i ) 一 jjj 。_ jj 11 i m o d e2 _ j 一 _ j 一s a m p l ei m o s i m i s o c h a n g eo () ) ) x) x 、_ 一 _ ， m o s ip i n c h a n g e0 _ ) ) ) ) ) ) ( x) o 一 m i s op i n = 一 厂。 一s s m s bf i r s t ( d o r d = o ) m s bb i t 6 b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2 b i t ll s b l s bf i r s t ( d o r d = i ) l s b b i t lb i t 2b i t 3b i t 4b i t 5b i t 6m s b 图2 7s p i 传送模式( c p h a = o ) f i g 2 7s p it r a n s f e rm o d e ( c p h a = 0 ) 广s c k ( c p o l = o lm o d e0 is c k ( c p o l = i l m o d e2 厂s a m p l ei lm o s i m i s o lc h a n g e0 lm o s ip i n i c h a n g e0 lm i s op i n i 一 广一 l 嬲 _ 刈z1几 、 ， 1 j_ jjj_ j i 1 _ j 一 一 _ () ( ) ) ) (x) j 弋 - - 0 c) ) ) ) ( ) ) x 弋 一 厂。 m s bf i r s t ( d o r d = 0 ) m s bb i t 6 b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2 b i t ll s b l s b f i r s t ( d o r d = 1 ) l s b b i t 3 b i t 4b i t 5b i t 6m s b 图2 8s p i 传送模式( c p h a = 1 ) f i g 2 8s p it r a n s f e rm o d e ( c p h a = 1 ) 一1 3 一 第2 章a t m e g a 8 单片机及其开发环境的介绍 2 2 3 引导加载的自编程功能 a t m e g a 8 具备引导加载支持的用户程序自编程功能，它提供了一个真正的由 m c u 本身自动下载和更新程序代码的系统程序自编程更新的机制。引导加载程序 区的大小可以由芯片的熔丝位设置，该段程序区还提供两组锁定位，以使用户选 择对该段程序区不同级别的保护。引导加载区的自编程特点为： 1 ) 读写同时进行的自编程； 2 ) 可灵活设置引导加载程序区的大小；高度安全性； 3 ) 熔丝位设定选择复位向量；优化的页大小； 4 ) 高效的代码算法和读改写支持。 a t m e g a 8 的f 1 a s h 程序存储器空问分为两个部分：引导加载程序区和应用程序 区，两个区的大小由b o o t s z l 和b o o t s z 2 熔丝位确定。两个区都由各自独立的 锁定位控制，因此可以采用不同级别的保护。 应用程序区 在f l a s h 程序存储器空间中，应用程序区是用来驻留应用程序代码的。应用程 序区的保护级别由应用程序区锁定位设定。如果驻留在应用程序区中的应用程序 内含有s p m 指令，则该应用程序执行时s m p 指令将被屏蔽，因此，引导加载程 序不能放置在应用程序区中。 加载程序区 引导加载程序必须驻留在引导加载区中。这是因为，只有m c u 执行在引导加 载区中的引导加载程序时，其中的s p m 指令才可以对f l a s h 进行初始化编程。此 时，s p m 指令可以读写包括引导加载区在内的整个f l a s h 程序存储器。引导加载 区的保护级别由引导加载锁定位决定。 2 3a t m e g a 8 的可靠性设计 可靠性设计是一项比较复杂的系统工程。单片机系统的可靠性必须从软件、硬 件以及结构设计等方面全面考虑，硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的 根本所在，在硬件系统确定以后，主要要解决的便是软件的可靠性设计 i o - i 1 】。 一种应用丁电力系统的驱鸟器设计与实现 2 3 1 开机自检 开机后首先对单片机系统的硬件及软件状态进行检测，一旦发现不正常，就进 行相应的处理。开机白检，程序通常包括对r a m 、r o m 、i o 口状态和其它接口电 路的检测。检查r a m 读写是否正常，实际操作是向r a m 单元写“5 5 ”( 0 1 0 1 0 1 0 1 b ) ， 再向其写“0 a a ( 1 0 1 0 1 0 1 0 b ) ，读出的应为“a a ”，如果r a m 单元读出错误，应给 出r a m 出错提示( 声、光) ，等待处理。对e e p r o m 单元的检测是检测该单元的内 容的校验和，所谓校验和是将e e p r o m 的内容一一相加后得到一个数值，该值便称 为校验和。 e e p r o m 单元内容通常是程序、常数和表格，一旦程序编写完成，内容就确定了， 其校验和也就是唯一的，若e e p r o m 校验和出错应给出e e p r o m 出错提示( 声、 光) ，等待处理。检查i o 状态，首先确定系统的i o 口在待机状念应处于的状态，然后 检测单片机的i o 口在待机状态下的状态是否正常( 如是否有短路或开路现象等) ， 若不正常，应给出出错提示( 声、光) ，等待处理。 2 3 2 程序“跑飞”处理 要进行程序“跑飞”处理，就要分清程序“跑飞”所造成的影响，以及程序“跑 飞”前运行的进程，这就需要设置相应的标志。 设置r a m 数据j