（电子科学与技术专业论文）继电保护测试仪主控板设计与开发.pdf

a b s t r a c t lh er e l a yp r o t e c t i o ne q u i p m e n t si sa ni m p o n a n tt e s t i n gt 0 0 1 st oe n s u r es a f e a n d r e l i a b l e o p e r a t j o no fp o w e rs y s t e m s w i t ht h es c a l eo fm o d e mp o w e rs v s t e m s c o n “彻e st oe x p a n d e d ，t h er e q u i r e m e n to fr e i i a b i l i t ya n de 伍c i e n c y t ot h ep o w e r s y s t e mo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ti m p r o v e dc o n s t a n t l y s ot h et e s to f r e l a yp r o t e c t i o n t u r n st om o r ea n dm o r e f r e q u e n c ea n dc o m p l i c a t e d t h er a p i dd e v e i o p m e n to ft h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，m i c r o e l e c t r o n i c sa n d p o w e re l e c t r o n i c s ， d r i v e nt h er e l a v p r o t e c t l o ne q u l p m e n t s d e v e l o p m e n tt o w a r d sa c o m p u t e r b a s e d ， e m b e d d e da n d n e t w o r kd i r e c t i on b e c a u s eo ft h em i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o nh a sal i 曲t w e i 曲t ， n l g np e r t o r m a n c ea n di se a s yt o e x p a n d，m a k e i tb e a rg r e a t e rm a r k e ts h a r e a n d d e v e l o p n l e n tp r o s p e c t s t h em a s t e rc o n t r o lb o a r do fr e l a yp r o t e c t i o nt e s t i n gd e v i c e l so n eo tt h ec o r e c o m p o n e n t so ft h em i c r o p r o e c s s o r ，i t r e s p o n d e dl ot h eh o s t c o n l p u t e r ss p e e da n dp r e c i s i o no ft h es i g n a ls o u r c ed i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f b r m a n c e o f p r o t e c t i o nd e v i c e s i h ep a p e ra n a l y s et h ef i u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fm a s t e rc o n t r o lb o a r da n d p r e s e n t t h ec h o i c eo fm a i nc h i p si nd e t a i l s ；b e s i d e sp o s e d t h eo v e r a l lf r a m e w o r ka n da n a l v s e d t h ep “n c i p l e so fd d s i n t r o d u c i n gs o m ec o m m i m p r o v e dd d sa l g o r i t h ma n ds e 】e c t e d ak i n do fa l g o r i t h ma c c o r d i n gt oa p p l j c a t i o nr e q u i r e m e n tw h i c h m e e tt h ea c t u a ln e e d s o ft b ep r o j e c t ，ed e m a n d t h ec o n s t i t u e n tp a r t so f t h eh a r d w a r ew a sd e s c r i b e di nt h e f o r mo fm o d u l em e a n w h i l ed e s c r i b l e st h es o f t w a r e so v e r a l ls t r u c t u r e ，a sw e a st h e r e a l i z a t i o no ft h ei n t e r r u p ta n dt h ed e s i g no fs e r i a l d r i v e ri sa l s oi n t r o d u c e d t h e a l g o r i t h mt ot h er e c t i f i c a t i o no fa d ，a n dt h ed e s i g no fd r i v e rt ot h en e t w o r ki s a l s o ii u s t r a t e d ， n a l l yt h ei n t e r n a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ft h ew h 0 1 es v s t e mi s i n t r o d u c e d t h ef u n c t i o no f m a s t e rc o n t r o lb o a r d o nr e l a yp r o t e c t i o nt e s t i n gd e v i c ei s a b u n d a n t ，l tc a na c h i e v el2c h a n n e l sa n a l o go u t p u t s ，8c h a n n e l sd i g i t a li n p u t sa n d8 c h a n n e l sd i g i t a lo u t p u t s t h eb a s i ca n a l o gw a v e f o r m c o v e r ss i n ew a v e ，t r i a n g l ew a v e ， s q u a r ew a v e ， a n du s e r d e 6 n e d w a v e f o r m s ，b e s i d e su s eo ft h ed s pr s h i g h s p e e d p r o c e s s l n gp o w e rt og e n e r a t et h eh a r m o n i cw a v e sb yu s e rs p e c i 行e d t h em a x i m u m o r d e su pt o2 0t i m e so f h a r m o n i c s i t sa v a i j a b l en e t w o r kp o r t ，s e r i a lp o n2 3 2m a k e y o uc a ne a s i l yc o m m u n i c a t ew i t ht h eh o s tc o m p u t e r k e yw o r d s ：d s p2 8 1 2 ；c p l d ；r e l a y p r o t e c t i o n ；d d s l i i 硕j j 学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着我国电力工业的迅速发展，新型继电保护装置特别是微机保护的推广应 用，对相应的测试技术有了更新、更高的要求。涉及计算机自动测试等先进技术 的继电保护微机型试验装置( 以下简称试验装置) 已成为继电保护测试领域必不 可少的专用设备。试验装置的开发与应用对提高继电保护测试水平，防止继电保 护及安全自动装置不正确动作，保障电网安全运行有着积极的现实意义。在大型 电网中如果继电保护系统发生不正确动作将会造成非常严重的影响，如下面国内 外一些重大电网事故都是由于继电保护测试系统的不j 下确动作造成的： ( 1 ) 北美东北部电网19 6 5 年的“1 1 9 大停电事故，它是世界范围内首次发生 的大电网大面积停电事故，停电范围达2 0 万k m 2 ，覆盖美国纽约和东北部6 个州以 及加拿大的安大略省。影响近3 0 0 0 万居民，造成了经l 亿美元的经济损失【l 】。 ( 2 ) 19 7 8 年12 月l9r 法国发生的大型停电事故，这次事故的停电负荷达2 9 g w ， 约占法国全网负荷的7 5 ，事故从当地时间19 7 8 年12 月19 日0 8 ：2 6 开始至当日l6 ： 0 0 才全部恢复【l 】。 ( 3 ) 美加2 0 0 3 年8 月14 日大停电事故。该事故影响了美国纽约等8 个州和加拿大 安大略省，影响居民人口为5 0 0 0 万，用电负荷为6 1 8 g w ，事故造成的经济损失为 4 0 1 0 0 亿美元，加拿大在2 0 0 3 年8 月的g d p 比预计降低了o 7 【引。 ( 4 ) 西欧电网2 0 0 6 年1 1 月4 同大停电事故，使超过10 0 0 万人受到影响：法国受 到的影响最大，受影响的居民人口为5 0 0 万，用电负荷为5 g w ，约占全网负荷的 10 ；同时也导致了德国西部、意大利和西班牙部分地区停电。 ( 5 ) 华中( 河南) 电网2 0 0 6 年7 月1 同事故。该事故造成西北、华北与华中电网解 列，川渝与华中东部电网解列，华中电网共损失负荷3 7 9 4 m w ，其中河南电网供 电减少量为2 7 6 5 m w 。 自上世纪九十年代以来，计算机技术、微电子技术、网络技术的飞速发展为 新型继电保护测试仪提供了技术基础。数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 理论的发展与成熟为快速数字信号处理技术提供理论依据和算法基础；而数字信 号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的硬件体系结构的高集成度和运算吞吐量大 等优点使得基于d s p 的嵌入式微机继电保护测试仪已成为目前继电保护测试装 置研究和设计的热点1 3 】；它体现出高性能、开放性、易扩展、轻巧便携等优势而 获得广阔的市场和前景。 继电保护测试仪土控板设计j 开发 1 2 我国继电保护测试装置的发展历程 我国继电保护的研究始于5 0 年代末，主要研究晶体管继电保护。6 0 年代中 期到8 0 年代中期是晶体管继电保护保护装置在我过大量应用的时期。基本满足了 当时电力系统向超高压、大容量方向发展的需要。在此期间，微机型继电保护也 得到了比较好的发展，即2 0 世纪6 0 年代就有人提出了利用小型计算机实现继电 保护装置的设想，但由于当时小型计算机的价格、体积、性能方面的原因未能投 入实用，但为微机型继电保护装置的发展奠定了理论基础。自2 0 世纪7 0 年代后 半期，国外微机型继电保护样机已投入到电力系统中试运行【4 】。到8 0 年代微机型 继电保护在硬件结构和软件技术方面已经成熟，在一些国家中得到了推广应用， 到9 0 年代初微机型继电保护测试仪在国外得到了大量应用，成为了继电保护的主 流型式1 5 1 。 国内微机保护的研究开始于7 0 年代末期，起步较晚，但发展很快。1 9 8 4 年 我国第一套微机距离保护样机在试运行后通过鉴定并开始批量生产，以后每年都 会推出新产品；1 9 9 0 年第二代微机线路保护装置正式投入运行。目前，高压线路、 低压网络以及各种主电气设备都有相应的微机保护装置在系统中投入运行，特别 是线路保护已形成系列产品，并得到广泛应用。全国的占有量不断提高，截至2 0 0 0 年我国2 2 0 k v 及以上系统的微机保护率为4 3 9 9 ，线路微机保护占8 6 ，到2 0 0 3 年底，2 2 0 k v 以上系统的微机保护已占到7 0 2 9 ，线路的微机化率达到9 7 6 。 实际运行中，微机保护的正确动作率要明显高于其他保护，一般比平均正常动作 率高o 2 o 3 个百分点1 9 j 。国产微机保护经过多年的实际运行，依靠先进的原理 和技术及良好的工艺已全面超越进口保护。从8 0 年代2 2 0 k v 及以上电压等级的 电力系统全部采用进口保护，到现在2 2 0 k v 系统继电保护基本国产化，反映了继 电保护技术在我国的长足发展和国产继电保护设备的明显优势1 6 j 。 微机型继电保护技术的成熟与发展是近三十年来继电保护领域最显著的进 展。经过长期的研究和实践，现在人们己普遍认可了微机保护在电网中无可替代 的优势【7 1 。微机保护具有自检功能，有强大的逻辑处理能力、数值计算能力和记 忆能力，并且具备很强的数字通信能力，这一切都是电磁继电器、晶体管继电器 所难以匹敌的。计算机技术的进步，更高性能、更高精度的数字外围器件的采用， 一直是微机继电保护不断发展的强大动力博j 。 1 3 本课题来源与主要内容 本课题来源于同庆公司“多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训系统 下面的一个子项目，其主要目的是在研制成功的“t q w x 微机型继电保护测试仪” 基础上针对其硬件模块较多，安装调试较困难，需要消耗较多时间，输出模拟量 2 硕。 ：学位论文 与开关量通道个数较少，无法实现谐波实验功能以及主控c p u 无法完成单独使用 从而不适宜现场测试等不足之处加以改进。开发出一种精度高，多通道且既能满 足学校微机继电保护实验测试用实验信号的需要，同时又能够满足现场测试要求 的继电保护测试装置。 本文研究的内容主要包括以下四个方面： ( 1 ) 继电保护测试仪系统整体框架的设计。详细介绍了主要芯片的选型和整个 系统需要完成的功能。 ( 2 ) d d s 直接数字频率合成算法设计与实现。详细介绍了d d s 算法的原理、算 法设计方案比较以及具体实现。 ( 3 ) 继电保护测试仪主控板硬件设计。详细介绍了d s p 、c p l d 、网络接口等 硬件电路的连接与设计。 ( 4 ) 继电保护测试仪软件设计。详细设计了本系统中各个软件模块实现的关键 技术及实现过程，其中包括继电保护主控制d s p 的系统程序设计流程与实现；复 杂可编程逻辑器件( c p l d ) 配合d s p 实现对d a c 的逻辑控制，网络接口与串口驱动 程序设计以及内部通信协议设计等。 继电保护测试仪主控板设计j 歼发 第2 章系统总体方案设计 2 1t q w x 微机型继电保护测试仪结构及升级要求 t q w x 微机型继电保护测试仪主要由主控c p u 板、d a 板( d a 型号为a d 6 6 9 ) 、 开入开出板、功率放大板等组成，其主控c p u 板选用的c p u 型号为t i 公司的d s p f 2 0 6 。该继电保护测试仪主要能提供以下性能，最大模拟量输出路数为8 路，即4 路模拟电压输出，4 路模拟电流输出，提供4 路开入量、4 路开出量，输出电压范围 为每相输入电压0 7 0 v ，输出电流电流有效值为每相0 2 0 a 【加l 。其结构图如图2 1 所示。 1 卜 开入开出 4 路模拟 电从输出 串口 d s p2 0 6功率放大板 i 器 爿 d a 板 l 卜 4 路模拟 电流输f j j 图2 1t q w x 微机型继电保护测试仪护测试仪结构框图 针对该继电保护测试仪模拟量以及数字量输出路数较少，同时体积、功耗比 较大等缺点，长沙同庆公司启动了针对该继电保护测试仪的升级项目。本人主要 负责继电保护测试仪主控板的升级，其主要要求是，在新开发的继电保护测试仪 主控板和原主控板大小一致的前提下实现以下功能。 ( 1 ) 合并主控c p u 板和d a 板，使其合成为一块继电保护测试仪主控板。 ( 2 ) 将原来的8 路模拟量输出( 4 路模拟电流输出、4 路电压输出) 升级为12 路模拟 量输出( 6 路模拟量电压输出、6 路模拟电流输出) 。 ( 3 ) 提供网络接口，方便进行联机实验。 ( 4 ) 在原有实验的基础上添加谐波实验。 ( 5 ) 提供8 路开入量、8 路丌出量。 ( 6 ) 性能指标需满足继电保护微机型实验装置技术条件( d l t t 6 2 4 1 9 9 7 ) 的要求，即输出电流精度需满足0 2 ( 0 5 3 0 a ) ，o 5 ( o 1 a o 5 a ) 。输出电 压精度需满足o 2 ( 1 v 1 0 0 v ) ，o 2 ( o 1 2 5 v 0 5 v ) 等。 4 硕上学位论文 2 2 芯片选型及介绍 2 2 1d s p2 8 1 2 1 2 8 l2 选型 由于原主控板c p u 选择的型号为t m s 3 2 0 f 2 0 6 ，该芯片为t i 公司生产的定点 d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 x x 系列中的一个成员。它提供了一个4 5 k 字的片内存储器以 及3 2 k 字的闪速存储器，单周期指令的执速度为5 0 n s ，可寻址6 4k b 程序空间、6 4 k b 数据空间、6 4k bi o 空间以及3 2k b 全局存储空间：具有3 2 位算术逻辑单元、 3 2 位累加器、1 6 位并行乘法器。针对上节新型继电保护主控板参数要求，该型号 d s p 明显不能实现其要求，因此需采用更高性能的d s p 芯片。在本设计中选用了 d s p 2 8 1 2 作为主控c p u ，d s p 2 8 l2 是t i 公司专为控制而推出的一款定点d s p ，它集 d s p 的信号高速处理能力和适用于控制的外围电路于一体，具有很强的实时处理 能力和控制器的外设功能，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。 d s p 2 8 1 2 所选的内核为t 3 2 0 c 2 x l p 内核c p u ，单周期指令执行速度高达 15 0 m l p s ，几乎所有的指令都可以在6 6 7 n s 的单周期内完成。如此高的性能可以对 数据生成算法进行实时的计算并控制。采用保护流水线结构，c p u 内部具有八级 流水线，完全可以避免从同一地址进行读写而造成的程序混乱。具有独立的寄存 器空间，在c p u 中含有一些被映射至数据空间的寄存器，这些寄存器可以作为系 统控制寄存器、数据寄存器和数据指针。系统寄存器可以由特殊的指令来进行读 写，而其他寄存器则通过特殊指令或者特殊寻址模式来操作。3 2 位中央算术逻辑 单元( c a l u ) ，可以完成二进制补码的算术和布尔逻辑操作。循环移位器，执行所 有的数据左移位和右移位操作，它可以最多左移l6 位和最多右移l6 位。3 2 位的定 标移位器( s c a l i n gs h i f t e r ) 、1 6 1 6 位和3 2 x 3 2 位并行乘法器，提供的定标移位单元， 它连接到数据总线的1 6 位输入和c a l u 的3 2 位输出。用于把来自存储器的1 6 位数 据调整至3 2 位c a l u 。这对于定标运算和逻辑运算的调整标志是必要的。片上的 硬件乘法器，可以执行3 2 位乘以3 2 位的二进制补码乘法运算，获得6 4 位的乘积， 乘法可以在两个有符号数之间、两个无符号数之间或者一个有符号数和一个无符 号之间进行l j 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内包含有l8 k l6 位的片内s a r a m 和12 8 k 的闪速电可擦除 可编程只读存储器( f l a s he e p o r m ) 。其中片内的1 8 k 字的s a r a m 被划分为几个 独立的块：l o 块4 k 1 6 ，l l 块4 k 1 6 ，h 0 块8 k 1 6 ，m o 块l k 1 6 ，m 1 块l k 1 6 ， 这些r a m 全部允许在一个周期内访问两次，大大加快了数据的处理能力。片内的 闪速e e p r o m 模块在内部能产生必要的电压，从而毋需从外部提供编程或擦除电 压1 1 。 t m s 3 2 0 f 2 8 12 总线结构支持对丰富的片内外设的访问。两种类型的总线接口 继电保护测试仪主控板设计j 开发 用于片内外设。绝大多数的外设通过外设总线进行访问，两个8 通道的模数转换器、 串行外设接口s p i 、串行通讯接口s c i 、多通道缓冲串l jm c b s p 、看门狗w d 和扩 展现场总线控制器e c a n 。对这些外设的每次访问需要多于一个时钟周期，而事 件管理器能直接与数据总线匹配，从而能得到全速的c p u 处理能力i l 引。 d s p 2 8l2 为用户提供了外部接口，方便用户进行外没扩展，该接口被映射到5 个固定的存储区，并为每个存储区提供了一个片选信号，当选择了片选信号，则 可访问该片选信号所指向的x i n t f 区。用户在进行外设扩展时只需将外设固定在 某个x i n t f 区，然后通过程序对相关的寄存器进行配置，主要包括对每个x i n t f 指定设置保持和访问等待时问。而且对于每两个x i n t f 区的任何一个都可以使用 不同的状态数、选通设置和保持时序【1 3j 。 2 h d s p c o r e 2 8 1 2 介绍 h d s p c o r e 2 8l2 核心板是南京傅罩叶电予开发的一款针对高校、研究所和中 小企业小批量设计的需求开发的一款核心板芯片，该核心板的中央处理器为 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，采用四层板设计，专注e m c ，信号稳定可靠。具有可选择的a d 校正功能，经过校正后，a d 转换的精度能够达到o 2 。时钟频率为1 5 0 m h z ，时 钟周期为6 6 7 n s 。输出功耗低，其核心电压为1 8 v ，i o 口电压为3 3 v 。其存储空 间不仅拥有内部的1 8 kr a m 和1 2 8 kf l a s h 资源，而且还扩展了2 5 6 k 的r a m 和 2 5 6 k 的f l a s h 。除此以外，该芯片还具有2 8 0 引脚接口，便于二次开发【j 。其 实物图如图2 2 所示。 攀 图2 2h d s p c o r e 2 8 1 2 核心板实物图 6 硕i ：学位论文 2 2 2d a 选型 a d 6 6 9 是l6 位并行d a 转换器，需要占用较多的引脚，同时其供电电压采用 1 0 v 供电，消耗的功率较大，在封装方式选择上为d i p 2 8 封装，这使在本应用中要 求整个主控板的大小形状和原来主控板保持一致的要求很难实现，因此需要选择 另一款d a 芯片替换原来的d a 芯片。根据芯片功耗要求和产品封装，本设计中选 用的型号为a d 5 6 6 2 。 a d 5 6 6 2 是由a d i 公司生产的数模转换芯片，它属于玎口刀d d a c 系列，是一款 低成本、低功耗、单通道、l6 位、缓冲电压输出、保证单调性的模数转换器( d a c ) 。 该器件内置一个上电复位电路，确保d a c 输出上电至0 v 或中间电平( 视型号而定) ， 并保持该电平，直到执行一次有效的写操作为止。其典型功耗为2 5 0 “a ，还具有 省电特性，在省电模式下，器件在5 v 时的功耗降至lp a ，并提供软件可选输出负 载f 】。该芯片具有1 2 位的精度保证，因此最大相对误差为0 0 2 4 ，能够满足对电 压、电流精度的要求，采用串行连接方式，只需外接三个引脚，同时采用的封装 方式为m s o p 8 封装，从而大大减小了整个主控板的面积，使新主控板的面积与原 主控板面积相同成为了可能，在本应用中共使用了1 2 块a d 5 6 6 2 芯片。 2 2 3c p l d 选型 由于在电路中采用了1 2 块串行d a 芯片，即每一点的数据都需要采用按位的方 式将数据传输给d a ，因此若采用d s p 直接对其进行控制，则需要耗费相当多的时 间，且控制方式困难，并且容易在多路之间产生额外的相位差，针对以上原因， 需要添加一块c p l d 进行并串转换，同时提供一些附加的功能。在本应用中选用 了e p m 3 2 5 6 a 作为逻辑粘合芯片，它是a l t e r a 公司生产的一款低功耗、低成本、高 集成度的复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。有5 0 0 0 个可用门和2 5 6 个宏单元。最大可 用输入输出引脚为116 个引脚，且各l o 口输出逻辑电平可被用户编程。采用了 c m o se e p r o m 技术，在技术频率高达2 2 7 3 m h z 时，管脚之间的时间延迟为4 5 n s 该芯片的i o 管脚兼容5 v 、3 3 v 、2 5 v 逻辑电平，满足f i f o 、m c u 、光隔等器件 对于输入逻辑电平的不同需要，支持在线编程( i s p ) ，可直接在现场重新配置【1 6 】。 在本系统中，c p l d 主要作用是将d s p 2 8 1 2 传输过来的并行数据转换成串行数据， 送到各d a c 模块中输出，同时产生a d 5 6 6 2 所需要的s c l k 时钟信号和s y n c 信号。 提供8 路开入量、8 路开出量。 2 3 继电保护测试仪主控板整体框架 综合以上分析，继电保护测试仪主控板整体结构及其功能结构框图如图2 3 所示。其主要由三大部分和一些接口以及外扩存储器组成。即由d s p 部分、c p l d 部分以及12 路d a 部分，2 路2 3 2 串口、1 路网络接口、外扩的2 5 6 k 静态r a m 、2 5 6 k 7 继i 也保护测试仪主控板设计与开发 外部扩展f l a s h 以及8 路开入量、8 路开出量组成。其中d s p 功能为接收和解析通 过串口发送过来的用户命令，在用户命令的控制下，调用数据生成算法，产生满 足用户要求的波形数据，并在c p l d 的控制下将d s p 产生的多路16 位数字波形数据 进行并串转换送到d a 模块，通过低通滤波器后作为功率放大板的输入信号。根 据内部通信协议，发送必要的数据给上位机，根据用户命令发送开出量，同时定 期查询开入量的变化，并在开入量发生变化时进行相应地处理，如停止信号输出 等。提供网络接口，方便组网进行联机测试。c p l d 主要功能为接收串口发送过 来的数据，产生各路d a 串行时钟，以及在串行时钟的作用下，将数据以位的形式 顺序发送给各路d a c ，产生周期时钟信号，用于保证各信号的同步。d a c 模块用 于将接收的各路波形数据转换成模拟量，通过低通滤波器进行平滑滤波后送至功 率放大板进行进一步的放大输出，使信号能够满足特殊功能继电器测试信号的要 求。其继电保护测试仪主控板实物图如图2 4 所示。 1r 圆 图2 3继电保护测试仪主控板结构框图 8 影! _ l j 学位论文 2 4 小结 图2 。4 继电保护测试仪主控板实物图 本章首先对原版继电保护测试仪进行了分析，然后提出了改进的指标，并针 对原版主要芯片的缺点，提出新版继电保护测试仪控制器芯片选型的原则，同时 对新版所选芯片进行了详细的介绍，最后介绍了新版继电保护测试仪t 控板的整 体框架，并给出了整个系统的结构图和最终的实物图。 继i 乜保护测试仪主控板设计j 开发 第3 章信号生成算法 3 1 常用信号生成算法介绍 3 1 1d d s 原理概述 直接数字频率合成是采用数字化技术，通过控制相位的变化速度，直接产生 各种不同频率信号的一种频率合成方法。l9 7 1 年，美国学者j t i e m e y 等人撰写 的“ad i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r 一文首次提出了这一全数字实现技术。限于 当时的技术和器件水平，它的性能指标与当时已有的技术相比还存在一定的差距， 故未受到重视。随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成技术得到飞速的 发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中 的佼佼者。d d s 的主要优点是它的输出频率、相位和幅度能够在数字处理器的控 制下精确而快速地变换。d d s 的基本结构如图3 1 所示，它主要由相位累加器、正 弦r o m 表、d a 转换器和低通滤波器构成【1 7 j 。 参考时钟 频率控制 字k 图3 1d d s 原理框图 参考时钟由一个稳定的晶体振荡器产生。相位累加器由位加法器与位相 位寄存器级联构成，类似于一个简单的加法器。每来一个时钟脉冲，加法器将累 加器输出的累加相位与频率控制字k 预置的相位增量相加，把相加后的结果送至 相位寄存器的数据输入端。相位寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新 相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率 控制字k 预置的相位增量相加【”】。这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行 线性相位累加，当相位累加器累积满时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动 作，这个周期就是d d s 合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是d d s 输 出的信号频率l 伸j 。 在参考时钟的控制下，频率控制字由累加器累加以得到相应的相位数据， 把此数据作为取样地址，来寻址证弦r o m 表进行相位一幅度变换，即可在给定的 1 0 硕上学位论文 时间上确定输出的波形幅值。d a 转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要合 成频率的模拟量形式信号，低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，平滑阶梯波 形，这样即可得到由频率控制字决定的连续变化的输出正弦波2 0 1 。 d d s 的输出频率加和参考时钟矿、相位累加器长度以及频率控制字k 的关系 为： 声= k 夕2 ( 3 1 ) 当k = 1 时，d d s 输出最低频率( 也即频率分辨率) 为矿2 ；由于d d s 的输出 最大频率受奈奎斯特抽样定理限制，所以d d s 的最高输出频率为矿2 ，也就是说 k 的最大值为2 - 1 。因此，只要足够大，d d s 可以得到非常密集的频率间隔，即 可获得非常高的频率分辨率。根据上述原理，当和固定时，要想改变其输出波 形的频率，只需改变其k 值即可。同时，根据频率与相位的关系有 9 = 2 万厂+ 皖( 3 2 ) 可知，相位的变化量和频率的变化量成正比关系，因此，将一信号的频率控 制字增加k 个单位，则在基准时钟作用下，下一时钟的相位和前一个基准时钟 的相位差为 2 万k 夕2 州+ 2 万夕2 川( 3 3 ) 即和原来的信号相比，新信号比原信号相位增加了 2 万k 少2 ( 3 4 ) 因此利用该公式，即可实现增大或减小原信号的相位【2 。同时若想改变信号 的幅度，即只需将正弦r o m 表中的查找值，送到d a 转换器之前乘以一个系数即 可实现幅度值的改变。综合表述即：如果需要改变信号的频率只需改变频率控制 字k ，即可实现。而如果想改变某信号的相位，仅需改变某一刻的频率控制字， 如果想改变其信号的幅度只需将正弦表在送到d a 输出时，乘以一个系数即可。因 此d d s 可以非常容易地改变信号的幅度、频率和相位。 3 1 2 常用改进型信号生成算法 根据以上d d s 原理，若直接应用上述d d s 原理来实现其信号生成，需要构 建正弦r o m 表，而且其精度直接由正弦r o m 表的大小决定，要想获取高精度波 形，必须存储大量的波形数据，由公式( 3 5 ) 可知： 力= k 少2 ( 3 5 ) 要想增加频率分辨率，则需增加的值，而r o m 表的尺寸随着的增加呈 指数递增，从而导致了采用查找表产生d d s 信号源的应用受到一定的限制。因此 在实际应用中通常要求针对r o m 表生成正弦幅值部分进行一定的改进【2 2 1 。目前 比较常用的改进方法主要有对称性的r o m 压缩方法、直接查表线性插值法、级 数展开法以及利用芯片提供商提供的特殊函数库产生波形等如t l 公司的i q m a t h 继i 乜保护测试仪主控板设计j 开发 函数库。下面将分别对各算法原理进行详细介绍。 1 直接查表线性插值算法 直接查表线性插值算法原理如图3 2 所示，即我们已知x 点的值，需求与之 对应的j ，值，我们假设c 伍，点处的坐标值与其临近的点彳伽，y 砂、b 伍3 ，少矽成线 性的关系，因此若知道么、b 两点的坐标值，则可以知道该直线的直线方程，然 后将其x 代入该直线方程即可求得该点处y 的值。即y 的值可以用公式( 3 6 ) 来求 出。 y = y l + 上睾二上( x x 1 ) ( 3 6 ) y 3 y y l x 1 x x 3 图3 2 线性插值原理示意图 其具体实现步骤是，首先我们先找出表中离x 点左右两边最近的两点值x j 、z 2 ， 然后对x j ，x 2 分别进行查表，找出y j 、y 2 两点的值，利用上述公式( 3 6 ) ，计算即 可得到j ，点的值。由直接查表线性插值的原理可知，要想求得某一点处的s 砌函数 值，需进行两次查表，同时需进行一次除法运算和一次乘法运算以及三次减法运 算和一次加法运算，对于定点d s p 来说，进行浮点乘法运算和浮点除法运算都需 要消耗较多的c p u 时间，同时要想提高s i n 函数值的精度，需要较大的正弦r o m 表。 2 利用泰勒级数法 由于正弦函数为收敛的周期函数，因此可以用泰勒级数将其展开成如下形式： ，2 肿l，l s i n ( 曲2 萎( - 1 ) ”葫爿一吉，+ 去，+ 艇，佃) ( 3 7 ) 1 2 硕一l j 学位论文 一般取前面的三项即可满足应用要求，即当我们对某一点的相位进行查找时， 利用公式( 3 7 ) 将该相位值代入上面方程，计算所得结果即为该相位点处的s 砌值。 根据泰勒级数展开法原理，对于求得某一点处的正弦值，需进行8 次浮点乘法运算 和一次加法运算以及一次减法运算，因此利用泰勒级数生成某点的函数值，需要 消耗较多的c p u 时间，由于用不到查表，因此其占用的存储空间最少。 3 利用t i 公司提供的l q m a t h 函数库 i q m a t h 函数库是t i 公司提供的专用定点数学函数库，它由高度优化的高精 度数学函数集构成，可以用c c + + 设计将浮点算法无缝地转化成d s p 的定点代码。 提供了不同定标q 格式的正余弦函数库，以及q 格式与浮点格式相互转换的函数， 使用户以类浮点格式编写定点程序成为可能，同时该函数库中函数自动处理了定 点编程中需要额外考虑的饱和及溢出问题。在需要极高执行速度和运算精度的计 算密集型实时应用中得到了广泛的应用【2 3 1 。因此采用此方法生成正弦波也是一种 非常好的选择。 3 2d d s 系统方案 随着微电子技术和计算机技术的不断发展，芯片的集成度变得越来越高，硬 件已经不再是制约d d s 系统发展的因素，因此d d s 系统在许多领域获得广泛的关 注和应用。目前d d s 实现方案主要有以下三种技术：第一种为采用专用的d d s 芯 片来实现具体的d d s 信号的输出，目前各大芯片产商都相继推出了采用先进 c m o s 工艺生产的高性能和多功能的d d s 芯片，其优点是速度快，精度高，但增 加电路设计难度，而且灵活性不够，价格较贵。第二种方法是利用逻辑门阵列 c p l d 或者f p g a 和硬件描述语言来设计满足应用要求的d d s 系统1 2 引。其优点是 d d s 可通过自己的需要利用硬件描述语言来改变，但最终生成的d d s 采用硬件来 实现，能够达到非常高的速度，随着逻辑门阵列的规模越来越大，而其价格却相 对降低，而且，各大逻辑门阵列生产厂商都相继提供了针对特殊应用的软i p 核， 因此以后采用该方式产生d d s 系统的方案将会有所增加。第三种方法是在高运算 能力的芯片上利用软件算法来实现，目前d s p 芯片具有很高的运算能力，和前面 两种方法相比具有更强的灵活性。基于成本和灵活性的考虑，该系统采用由d s p 完成d d s 算法的方案。 3 3 改进型的d d s 数据生成算法原理及性能分析 3 3 1 改进型d d s 数据生成算法原理 根据其硬件选型和d s p 2 8 l2 特点，在本设计中采用了第三种方法来生成波形 数据，即对要生成的理论波形直接利用抽样定理来实现，在设计中根据用户设定 继l l 王 j i ：护测试仪主控板设计与开发 的基波频率、初相位、单周期采样点数等信息，动态调整采样频率，然后以求得 的采样频率届对合成信号进行单周期数据采样求得各采样点处的采样值。对于一 般正弦信号： x ( ，) = 彳s i n ( 2 万厂f + 缈)( 3 8 ) 根据理想抽样的定义2 5 1 有： z ( 聆) = 爿s i n ( 2 万矿声+ 缈)( 3 9 ) 利用公式( 3 9 ) 即可求得各采样点x s a m p l e 【n 】的值。而对于正弦信号的谐波叠 加即： x ( ，) = 4s i n ( 2 万f + 缈) + 以s i n ( 2 万z ，奔+ 缈) ( 3 10 ) 其中为n 次谐波频率，则根据叠加原理和理想抽样定义有： 功= 4 叫2 万以声+ 劝+ 4 ，s i n ( 2 万刀石声+ 劝 ( 3 1 1 ) 为了后面运算方便，在设计中对各谐波幅度采用了归一化处理，即对于任一 谐波幅度4 ，将其归一化为：彳。= 4 4 的形式，即公式( 3 10 ) 又可表示为如下形 式： x ( ，) = 4 ( s i n ( 2 万，+ 缈) + 彳。s i n ( 2 万z f + 缈) ) ( 3 1 2 ) 利用抽样定理，即可求得其各采样点值为： x 一舳，印彪【门】- 鸽【s i n ( 2 _ 7 r 刀厂必+ 妒) + 么。s i n ( 2 万 z 奔+ 咖】 ( 3 1 3 ) 同理利用该算法可以求得2 0 次以内谐波波形任意点处的采样值。由于选择的 是1 6 位的d a ，因此在本应用中数据格式选用了q 1 5 格式。 3 j 3 2d s p 实现性能分析 在本设计中，要求1 2 路模拟量每4 0 u s 进行一次数据更新，因此1 2 路数据准 备时间必须小于4 0 u s ，由公式( 3 9 ) 可知，对于标准正弦波，每一路数据更新，其 主要进行的运算包括一次求s 砌函数值，两次q 格式乘法运算、一次加法运算、 一次q 格式转长整型运算以及一次c p l d 数据传输。因此需对以上各运算的时间 进行分析，判断其是否能满足要求。根据实际测试发现利用i q m a t h 库函数进行 一次s 砌函数求值，需要花5 2 个时钟周期，q 格式乘法运算需要花6 个时钟周期， 以及q 格式转长整型运算需消耗2 0 个时钟周期，一次c p l d 数据传输需要消耗 lo 个周期，综合可以知道，其一路通道共需要l0 0 个时钟周期左右，因此12 路 通道数据的更新大约需花12 0 0 个时钟周期，在本设计中采用了l5 0 m 的时钟频率， 即实现该代码的时间小于10 u s 。理论上可以满足其实时性。而对于谐波测试，由 于在整个设计中，最多可以有2 0 次谐波，即在最坏情况下有2 0 个正弦波进行叠 加，因此其生成一路谐波数据的时间在最坏的情况下需要花2 0 0 0 个时钟周期，即 大约1 4 u s ，若1 2 路数据都以此方法来实现，则无法实现其功能。因此对于谐波 数据的生成需要另外单独处理。这里采用了基于改进型的d d s 生成算法与查表法 1 4 硕t ：学位论文 进行结合的方式来实现其功能，根据实际应用情况和硬件存储空间限制，在本设 计中，共能输出3 路谐波量，下节将对各类波形的实现进行详细介绍。 3 4 各类信号算法的实现 在本设计中，要求主要产生直流信号、三角波信号、标准正弦信号、谐波以 及用户自定义波形。根据其硬件条件，在本设计中，当收到上位机要求信号输出 命令时，每4 0 u s 发生一次定时中断，将波形数据和同步输出时钟发送给c p l d ， 利用c p l d 的逻辑译码作用，控制d a 以实现1 2 路模拟量输出。根据其软硬件条 件，可以得出，在选择基波频率为5 0 h z 的条件下，基波周期内输出的点数为5 0 0 个点，这样即使对其进行2 0 次谐波叠加，也能达到单周期2 5 点输出。当基波频 率选择为1 0 0 h z 时，其基波周期内输出的波形数据点数为2 5 0 个点，为了使谐波 单周期内输出的点数不小于2 5 点，因此，当选择基波周期频率为l0 0 h z 时，其 最高谐波频率为1 0 次谐波。同理根据上述原理对于基波频率为4 0 h z 1 0 0 h z 的周 期波形，其基波周期输出的点数为2 5 0 0 0 仍其中厂为基波频率。以下将分别介绍 各波形的生成算法。 1 直流波和三角波形生成算法 对于直流波和三角波信号原理相似，其信号输出值和时间成一个线性的关系， 不同点是直流信号输出时，斜率为o 。而三角形信号输出时，其斜率不为o 。因此 要想得到满足用户要求的信号输出，