（信号与信息处理专业论文）g703通信误码生成仪的研究.pdf

h 、 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着光纤电流差动保护在电力系统中的广泛应用，实际运行中暴露出越 来越多的新问题，其中由于缺乏针对光纤通道的各种误码工况的仿真测试及 试验装置，光纤电流差动保护在通道延时、通道中断、误码工况下的动作行 为和动作性能没有办法进行试验和验证，本文针对光纤电流差动保护应用的 实际情况设计出了g 7 0 3 通信误码生成仪，并对其实现方案进行了科学的论证， 对装置的实现功能、硬件电路设计和应用等进行了详细的介绍。并对实际测 量数据进行了定量分析。 关键词：现场可编程逻辑门阵列，嵌入式，g 7 0 3 ，误码，锁相环 a b s t r a c t w i t hf i b e rc u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o ni nt h eb r o a da p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r i c i t y s y s t e m ，t h ea c t u a lo p e r a t i o nh a se x p o s e dag r o w i n gn u m b e ro fn e wi s s u e s ，i n c l u d i n g t h el a c ko fa c c e s st o o p t i c a lb i te r r o rt e s t i n ga n dt h es t a t eo fs i m u l a t i o nt e s t i n g e q u i p m e n t ，f i b e rc u r r e n td i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o nc h a n n e ld e l a y , c h a n n e li n t e r r u p t i o n ，b i t e r r o rm o v e sb e h a v i o ra n dm o v e m e n t sa r en o tt e s t i n ga n dc e r t i f i c a t i o n ，t h i sa r t i c l er e l i e s o no p t i c a lf i b e rc u r r e n tp r o t e c t i o na p p l i c a t i o n sr e a l i t i e sd e s i g nag 7 0 3c o m m u n i c a t i o n s b i te r r o rg e n e r a t e dd e v i c e ，a n dt oa c h i e v eap r o g r a m m eo fs c i e n t i f i cp r o o ft oa c h i e v e f u n c t i o n a ld e v i c e s ，h a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n da p p l i c a t i o n sf o rad e t a i l e db r i e f i n g a n dt h ea c t u a lm e a s u r e m e n t so fq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s y a n gg u i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f y i nc h e n g q u n k e yw o r d s ：f p g a ，a r m 7 ，g 7 0 3 ，b i te r r o r ，p l l 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( ( g 7 0 3 通信误码生成仪的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：! 堑生 日期： 蹦 。毒诵 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鱼垄 日 期：壶咝曼丝 导师签名： 日期：2 型fz - - d ，、 1 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 电力系统通信及继电保护的发展 1 1 1 电力系统通信的发展现状 电力系统通信网是我国专用通信网中规模较大、发展较为完善的专用网。随着 通信网络光纤化趋势进程的加速，我国电力专用通信网在很多地区已经基本完成了 从主干线到接入网向光纤过渡的过程。目前，电力系统光纤通信承载的业务主要有 语音、数据、宽带业务、i p 等常规电信业务；电力生产专业业务有保护、安全自动 装置和电力市场化所需的宽带数据等。特别是保护和安全自动装置，对光缆的可靠 性和安全性提出了更高的要求。可以说，光纤通信已经成为电力系统安全稳定运行 以及电力系统生产生活中不可缺少的一个重要组成部分。 电力系统的光纤通信网有它独有的特点，如需要传输保护等装置的信号。而保 护信号相对于光纤通信来讲，它的信息量相对较小。但是在电力系统应用中，为了 确保传输的可靠性和实时性，一般每个保护装置的信号需要独占一个6 4 k b p s 或 2 m b p s 的通信信道，复接后通过专用光纤通道传输。因此，电力系统的光纤通信网 是保护信号与其他信号混合使用的具有特殊性质的通信网络，由于保护信号的重要 作用，决定了光纤通信网必须具有符合保护信号传输的高可靠性和高实时性。虽然 其它通信网也要求可靠性和实时性，但是保护通信网的要求更高，它不但要求保护 装置运行过程中作为保护信号传输通道的光纤通信网不能退出运行，同时要求光纤 通信网的通道传输延时不能超过毫秒级。 1 1 2 电力系统继电保护的发展现状 随着1 9 世纪末电力系统的出现，继电保护技术就相伴而生。在1 9 0 5 - 1 9 0 8 年研 制出电流差动保护之后，保护就开始不断的发展完善。建国后，我国电力部门所使 用的主要为从美国g e 、英国g e c m 公司和日本等国进口的一些简单的保护继电器。5 0 年代末，开始自主研制新型线路保护，6 0 年代中期我国开始了独立研制保护装置并 研制出第一套高压电网复杂保护装置，6 0 年代末n s o 年代中期国内广泛采用晶体管 型保护装置。1 9 8 5 年，第1 套集成电路距离保护在南京自动化研究院研制成功。到 8 0 年代末，集成电路保护已形成完整系列，逐步取代晶体管保护。7 0 年代末，我国 开始了计算机继电保护的研究，而进入实用阶段并不比先进国家晚，1 9 8 4 年由华北 电力学院研制的微机线路保护首先通过鉴定，并获得应用，揭开了我国继电保护发 展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。n 9 0 年代，我国继电保护技术已 完全进入微机保护数字式时代。 华北电力大学硕士学位论文 纵观继电保护技术的发展历程，可以看出：虽然保护原理早已提出，但它总是 根据电力系统的需要，不断地从相关的学科中吸取最新成果而发展和完善自身。总 的来说，继电保护技术的发展可以概括为4 个阶段、2 次飞跃。4 个阶段是电磁型( 整 流型) 、晶体管型、集成电路型、微机型。第1 次飞跃是由电磁型到晶体管型，主要 体现在保护由电磁式向静态式转变，保护装置弱电化、无触点化、小型化和低功耗。 第2 次飞跃是由集成电路型到微机型，主要体现在保护由模拟式向数字式转变，保 护装置智能化和信息化。可以预计继电保护技术将会继续根据电力系统的需要，不 断地从相关的学科中吸取最新成果而发展和完善【l 】。 目前，随着光纤通信的不断发展，保护信号的传输也开始由传统的电力线载波 通道向光纤通道转换。国内的继保厂家均推出了不同型号的光纤通道保护装置。例 如，许继集团公司的w x h 8 0 3 系列，南瑞继保的r c s - 9 3 1 系列，南自的p s l 6 0 3 系列， 北京四方的g x h l 0 3 系列保护装置均为采用光纤通道传输的光纤电流差动保护装置， 现在已经在国内电力系统中普遍应用。 一 1 2 本课题研究的意义 、h 随着电力系统继电保护领域中，光纤通讯为主干网的电力通信网络逐步建成， 电力通讯网络的发展和普及为光纤分相电流差动保护的大规模应用提供了充足的 通道资源，分相电流差动保护是将来保护发展的必然趋势。随着光纤电流差动保护 应用的普及，调试、投运、运行中由于通道原因暴露的问题愈来愈多。保护与通讯 两个专业的配合暴露出来的问题也越来越多，从而限制了光纤电流差动保护的进一 步应用，对保护装置及电网的稳定运行带来隐患。 光纤电流差动保护在定检投运前应作保护性能试验及通道仿真试验及检查。但 实际生产中对通道仿真少，或者由于条件限制，对通道仿真不充分，给保护装置的 安全运行带来隐患，具体体现在： 一 1 保护装置的光收发功率、接收灵敏度、光收发模块的稳定性等； 2 在正常误码及许可误码的情况下保护装置的动作行为，确保装置在许可误码 下装置正确动作； 3 光纤电流差动保护由于是基于通道的纵联保护，通道的时延，间断对保护性 能有影响； 4 采用双通道的光纤电流差动保护，应检查双通道保护动作情况及单通道的动 作情况； 5 采用复接设备时，有条件时应检查其他业务对光纤电流差动保护的影响。 这些影响在目前的光纤电流差动保护定检中均未考虑【2 1 。以上部分问题在文献 华北电力大学硕士学位论文 2 1 中给出了通常的测试方法和检测手段，但是对通道延时，尤其是收发通道的不对 称延时、通道瞬时中断、严重误码等方面的工况由于受测试设备等条件的限制，对 保护装置不能进行充分的试验和动态测试，对保护装置性能的影响不能进行充分的 验证，可能给电力系统的安全运行带来隐患。 针对保护装置测试中存在的缺陷和不足，设计开发了g 7 0 3 通信误码生成仪。 g 7 0 3 通信误码生成仪是根据目前光纤电流差动保护中通信设备的主要参数性能， 对6 4 k 和2 m 速率、符合1 8 4 b 及h d b 3 码型的电信号进行接收，通过用户操作进 行工作参数设置，输出用来仿真通道中断、延时、误码等各种工况的信号。配合已 有的测试方法和检测手段，利用g 7 0 3 通信误码生成仪可以对保护装置进行充分的 验证和试验。 1 3 本课题所做的工作 1 本文调研了电力系统通信及电力系统保护的发展现状，对目前广泛使用的光 纤电流差动保护装置测试中存在的缺陷和不足进行了论述。明确了本课题的 意义，提出了本文研究的主要内容； 2 对g 7 0 3 通信误码生成仪的整体可行性设计方案进行了探讨，对误码生成和添 加原理、方法进行了研究，并提出了合理的解决方案； 3 对g 7 0 3 通信误码生成仪的硬件平台进行了搭建，本文主要介绍了a r m 7 d , 系 统，l c i ) 及外围电路，2 m 和6 4 k 接口电路的设计； 4 a r m 7 程序设计，主要包括l c d 驱动程序，输入输出端口程序，外部中断程序， 定时器中断程序设计以及a r m 7 的初始化参数设计； 5 f p g a 程序设计，主要包括6 4 k 信号时钟提取程序，键盘驱动程序，延时程序， 中断程序，误码添加程序设计； 6 制作2 台样机，对样机的各项参数指标进行了定量测试，并与许继集团公司 生产的w x h 8 0 3 光纤电流差动保护装置进行了联机调试，对测试的数据进行分 析得出样机的实际工作参数。 一 华北电力大学硕士学位论文 第二章整体方案设计 根据光纤电流差动保护的实际测试需要，在本章提出了整体提出了g 7 0 3 通信 误码生成仪的整体要求，并在此基础上提出了整体方案设计；详细论述了装置的工 作流程。 2 1g 7 0 3 通信误码生成仪整体要求 光纤电流差动保护装置可以采用符合g 7 0 3 标准的2 m 和6 4 k 速率进行数据传输，也 可以使用专用光纤通道进行数据传输。由于各个厂家的保护装置在光纤传输的码型、速 率没有统一的标准，无法进行光纤通道的仿真，但是可以对保护装置提供的2 m 接口或 6 4 k 接口进行通道仿真。无论是光纤通道、2 m 速率通道还是6 4 k 速率通道在发生故障时 均会给接收端装置带来误码率。而通道仿真是为了能够提供通道各种故障情况，即仿真 通道中断、通道随机干扰、通道瞬时干扰等情况。因此，可以使用2 m 通路和6 4 k 通路 进行通道仿真来验证和检测保护装置。 g 7 0 3 标准【4 】是i t u - t 建议会议电视国际标准中规定的传输帧结构及接口标准，包括 多种传输速率并对码型、编码等做了严格的规定。标准规定6 4 k 采用1 8 4 b 编码，传输 速率为6 4 k b p s ；2 m 采用h d b 3 编码，传输速率为2 0 4 8 m b p s 。因此，在课题设计过程中 要严格按照标准要求进行数字信号的接收及处理等工作。 根据对目前市场调研发现，现有的误码生成设备并不多，常见的是清华华环公司的 e 1 时延误码仿真仪。市场上比较普遍的是误码测试仪，分为专用型设备和通用设备两 种。专用型设备是针对特定的传输速率和传输码型来进行误码率测试，通用型设备可以 进行多种传输速率和不同传输码型的误码率测试。这种设备的主要功能是用来测量信道 的通信质量，但是不能用来模拟信道，也不能用来产生误码进行试验环境仿真，因此不 能对设备的容错能力进行测量。这类产品很多，专用型的有台湾的h c t - b e r t p h 一2 me l 数据全功能误码测试仪等，通用型的有l i n e e y e 公司的l e 系列产品等，这类产品功 能强大，品种繁多，不一一列举。 根据对现有市场的了解和分析，现存的各种设备在电力系统的保护传输部分应用都 存在着这样那样的问题，现以比较符合继电保护测试应用的e 1 时延误码仿真仪为例来 进行分析。这种设备的特点是： 1 采用大规模可编程逻辑器件实现设计，处理速度快，性能稳定； 2 可以在e 1 信道中同时插入延时和误码； 3 e 1 接口满足g 7 0 3 标准；同时支持7 5q 和1 2 0q 两种类型的e 1 ( 2 m ) 接口。 但是存在着以下弊端： 4 华北电力大学硕士学位论文 1 只提供了符合6 7 0 3 标准的2 m 信道的仿真功能，没有提供6 4 k b p s 信道的仿真功 能，无法满足保护设备多速率接口的要求； 一 2 操作上过分依赖于计算机，需要利用计算机进行参数设置等，不能方便灵活的 在现场使用； 3 使用l e d 发光管进行装置状态显示，读取目前工作状态困难，提供的人机界面 无法满足现场要求； 4 不能模拟通道瞬时中断、通道不对称延时等工况。 针对以上不足，g 7 0 3 通信误码生成仪在整体方案设计中充分考虑到现有设备存在 的不足，并结合光纤电流差动保护设备制造厂家提供的保护设备测试相关技术参数要 求，提出了装置设计的具体要求和需要达到的技术指标。 装置设计的具体要求如下： 1 提供符合g 7 0 3 标准的2 m 和6 4 k 接口速率的透明传输。 + 、2 可以分别在2 m 和6 4 k 通路中准确的添加误码率、连续误码位数、连续误码帧数、 通道中断、通道对称延时和不对称延时等功能。 3 提供良好的人机界面，利用小键盘进行参数设置并在彩色l e d 上对装置的工作 状态进行显示。 4 所设计的装置应尽可能小，方便携带。 5 装置价格应比较低廉，符合市场对价格的要求。 6 装置应采用主流芯片进行设计，并能够使装置稳定工作。 根据g 7 0 3 标准要求及光纤电流差动保护装置对通道要求，课题所设计的g 7 0 3 通信误码生成仪需要达到的技术指标如下： 1 接口类型 6 4 k b p s 接口： 满足g 7 0 3 1 要求：传输速率：6 4 k b p s ；接口码型：符合g 7 0 3 1 同向型 码型要求；特性阻抗：1 2 0q 5 平衡； 2 m b p s 接口( e 1 接口) ： 满足g 7 0 3 6 要求：传输速率：2 m b p s ；接口码型：h d b 3 码； 特征阻抗：7 5q 5 ( 非平衡) ；12 0q 5 ( 平衡) ； 2 误码类型： 生成误码率：1 e - 11 e - 21 e - 31 e - 4 1 e - 51 e - 61 e - 7 1 e - 8 1 e - 90 s 华北电力大学硕士学位论文 精度兰5 ( 1 0 档) 连续误码位数( b i t ) ：2 0 1 0 03 0 05 0 02 0 0 0 5 0 0 0 精度兰5 连续误码帧数：351 02 03 0 3 通道时延：5 0 0 u m ，- - 2 5 0 0 0 u m ，步长为5 0 0 u m ；精度三1 0 4 通道中断( m s ) ：01 02 0 3 04 05 0 6 0 7 0 8 01 0 0 ；精度耋1o 通道中断为每秒钟内出现的通道中断，例如，当设置为l o m s 时，每秒钟 产生l o m s 的通道中断，直到用户取消通道中断为止。 5 工作电压：- - - 2 2 0 v 1 5 工作温度：一1 0 4 5 g 7 0 3 通信误码生成仪是针对光纤通道保护装置设计的专用型试验设备。根据上 面提出的要求，装置应具有如下特点：准确产生误码率、连续误码位数，可以产生 不对称的通道延时和通道中断，性能稳定，参数设置方便，便于携带等特点。 2 2f i 7 0 3 通信误码生成仪整体方案设计 、 2 2 1 功能设计 光纤电流差动保护具有6 4 k b p s 和2 m b p s 两种接口速率，均符合g 7 0 3 标准要求， 在6 4 k b p s 电路设计和2 m b p s 电路设计中采用的方法和原理一致；因此，在以下的 论述中均以6 4 k b p s 信号为例详细介绍装置的功能。 根据g 7 0 3 标准的6 4 k b p s 自身的特点【4 】。该装置具备以下功能设计： 1 中央处理单元：在课题设计中，中央处理单元起到了重要的作用，同键盘、 显示单元共同完成人机交互功能；完成装置工作参数设置、响应中断等。 2 键盘电路：键盘是人机交互的重要组成部分，同中央处理单元、显示单元配 合完成人机交互功能；通过键盘，用户可以设置装置的工作参数等。 3 显示单元：显示单元是人机交互的重要组成部分，同中央处理单元、键盘配 合完成人机交互功能；通过显示单元，用户可以方便的查看当前参数设置等。 4 单双极性转换：g 7 0 3 标准规定6 4 k b p s 的数据信号采用1 8 4 b 编码，该码型 包含丰富的时钟信息，为接收端提取时钟信号提供了方便；在传输过程中采 用双极性信号，双极性信号在传输过程中与单极性信号相比，双极性码优点 为：不含直流分量；两种码元极性相反，接收判决电平为0 ，稳定性高；可 在电缆等线路不接地传送( 平衡传输) ；大大提高了信号在通道传输过程中 的抗干扰能力。因此在输入到f p g a 之前要进行单双极性转换，使输入的信 号为单极性信号。 6 华北电力大学硕士学位论文 5 锁相环电路：锁相环电路是为了实现接收信号的时钟提取。在进行信号接收 时，首先要从接收信号中提取时钟信号，然后利用提取的时钟作为基准进行 信号接收。锁相环的工作稳定性直接决定了接收信号的误码率、同步时间等 重要工作参数。数字锁相环同模拟锁相环比较具有调节方便、跟踪性能好、 稳定性高等诸多优点，因此采用数字锁相环进行电路设计。在课题设计中， 需要对接收端和发送端信号分别进行时钟提取，因此，采用了两个锁相环电 路。 6 延时电路：光纤差动保护要求收发通道具有相同的延时，为了能够仿真收发 不同延时对保护装置的影响，需要将收、发延时电路分开设计。延时电路主 要实现了6 4 k b p s 的信号延时，可以实现0 5 m s 2 5 m s 的延时；并可将收、 发设置为不同延时以满足测试要求。 7 误码电路：通过中央处理单元进行参数设置，实现误码率为0 1 e - 9 的误码 设置，通过f p g a 将误码添加到6 4 k b p s 的信号中； 8 连续误码电路：通过中央处理单元进行参数设置，实现位数为2 0 5 0 0 0 的 连续误码设置，通过f p g a 将误码添加到6 4 k b p s 的信号中。 9 通道中断电路：通过中央处理单元进行参数设置，实现长度为0 4 l o o m s 的 通道中断设置，通过f p g a 将误码添加到6 4 k b p s 的信号中。 1 0 参数设置：需要通过中央处理单元设置的参数如下： 1 ) 速率选择：6 4 k b p s ，2 m b p s ； 2 ) 误码类型选择：生成误码率连续误码位数； 3 ) 生成误码率选择：1 e - 1 ，l e - 2 ，1 e 一3 ，1 e - 4 ，1 e 一5 ，1 e - 6 ，1 e - 7 ，1 e - 8 ， l e 一9 ，1 e 一1 0 ，0 ： 4 ) 连续误码位数选择( b i t ) ：0 ，2 0 ，1 0 0 ，3 0 0 ，5 0 0 ，2 0 0 0 ，5 0 0 0 ； 5 ) 通道时延选择：发送端：o u s 2 5 0 0 0 u s ，步长为5 0 0 u s ； 接收端：o u s 2 5 0 0 0 u s ，步长为5 0 0 u s ； 6 ) 通道中断选择( m s ) ：0 ，1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 ，7 0 ，8 0 ，1 0 0 。 通过中央处理单元、键盘、信息处理单元和显示单元配合工作完成装置的初始 化设置和装黄的运行参数设置。 2 2 2 装置工作流程 装置各部分功能在图2 一l 中均有显示，并且图中提供了装置的完整信号流程， 系统工作时，首先通过键盘操作对运行参数进行设置。键盘的地址分配和中央处理 7 华北电力大学硕士学位论文 单元中断信号的产生都是通过信息处理单元实现的。当键盘有按键操作时，信息处 理单元产生中央处理单元中断，中央处理单元接收到中断后响应中断，读取键值， 并在显示单元中显示相应的晃面，同时将所匹配的参数设置到信息处理单元中锁 存。当参数设置完成后，点击确定按键就可以使装置在设置的参数下运行。 当同光纤电流差动保护装置联机工作时，将有信号输入到g 7 0 3 通信误码生成 仪中，首先经过单双极性转换电路进行极性转换，将通道中传输的双极性信号转 换成符合数字芯片处理得单极性信号；然后送入到信息处理单元中进行添加延时、 误码和中断。根据中央处理单元对信息处理单元参数设置的不同，可以只添加延时、 误码或中断其中一种功能，或添加其中的两种功能，也可以添加全部功能或不添加 任何功能。在这里值得注意的是发送端通路和接收端通路是功能相同却完全独立的 通路，因此可以设置成不同的工作参数。根据实际要求，除了对接收、发送延时可 以进行分别设置外，其它参数在两路通道中使用相同的设置。然后将处理后的数据 输出到单双极性转换电路中，将单极性信号转换成适合在通道中传输的双极性信 号，输出到对端光纤电流保护装置中进行接收。 、 在g 7 0 3 通信误码生成仪进行工作时，首先要通过中央处理单元进行速率选择， 然后才能在相应速率的通道中正确设置通道延时、通道中断、误码添加等参数。装 置工作时，只能对接收到的信号进行码型处理，自身不能作为信号源使用，输入到 装置的信号可以透明传输。 k 发 k 收 k 收 k 发 图2 1 装置功能框图 注：1 冈2 m 信号处理与6 4 k 信号处理相似，图中没有显示出2 m 信号的处理过程。 2 图中箭头所指方向为数据传输方向，地址均是由中央处理单元输出。 。，【“ 华北电力大学硕士学位论文 第三章硬件电路设计 本章根据第二章提出的整体方案，进行了芯片的选择和整体硬件电路设计，并 详细介绍了各部分硬件电路的实现方法。 3 1 主要芯片选择 设计g 7 0 3 通信误码生成仪首先需要完成对芯片的选择。g 7 0 3 误码生成仪是在 原有的传输码型中添加错误的码型图样，要求进行接收信号的时钟提取，具有很强 的实时性要求，因此选择实时性强的f p g a 器件进行电路设计。这种器件的特点是 设计方便灵活，可以在一片芯片内部设计各种门电路，也可以实现复杂的逻辑功能， 例如，数字锁相环、地址分配电路、脉冲发生电路、地址锁存器、计数器等功能， 具有很强的灵活性。 在课题设计中除了利用f p g a 芯片实现数字锁相环功能外，还要实现地址锁存、 计数器、存储器控制等基本功能和延时电路、中断电路、误码添加电路等实际功能， 整体土要求所选的f p g a 芯片具有丰富的门电路资源、布线资源和管脚资源，因此 选择性能优良j 价格比较便宜的e p l k 5 0 q c 2 0 8 2 芯片。这是a l t e r a 公司最近推出 的a c e x l k 系列芯片的一种，在其它领域得到了良好的应用，芯片具有5 万个基本 门电路和丰富的布线资源，2 0 8 个芯片管脚，除了特殊功能管脚外，提供1 4 7 个可 用于输入输出管脚，并且支持5 v 、3 3 v 、2 5 v 不同电压等级的信号输入，满足设 计开发的要求。 选择a l t e r a 公司产品的另一个主要原因是a l t e r a 公司的产品开发软件功能强 大，相对来说开放性比较好，可以方便的获得。在设计中我们采用的是q u a r t u s 5 0 版的开发软件，它支持a l t e r a 公司的高端和低端芯片，提供了强大的仿真功能， 可以在设计初期阶段没有硬件的情况下，利用软件仿真设计程序的各项功能指标， 对开发的程序进行时序分析、波形仿真，同时可以产生各种不同的报表文件，方便 f p g a 软件的开发设计及问题分析。 一 从设计的便携性和参数设计的简单灵活性考虑，装置需要有自己的显示界面而 不是通过计算机进行远程参数设置，这样就需要有可视化的人机界面。单机实现可 视化需要有l c d 液晶显示屏和控制用的处理器。有很多方法和器件可供选用。例如， 单片机+ l c d 、d s p + l c d 、a r m + l c d 等几种备选方案。 l c d 显示屏有单色和彩色两大类。一般彩色显示屏的驱动和设计比单色显示屏 复杂，但是彩色l c d 的整体显示面积和视觉效果都明显优于单色l c d 。从课题设计 的先进性考虑，采用彩色l c d 会使整体设计更加合理。因此，选用t r u l y 公司生产 的彩色l c d 模块m c t g 3 2 0 2 4 0 d n c w 进行方案设计。 9 华北电力大学硕士学位论文 l c d 控制器可以采用单片机、d s p 、a r m 等几种类型的芯片，单片机是简单的处 理器，本身的速率和外围驱动能力非常有限，因此不采用。d s p 较单片机功能强大， 外围驱动能力也较强，但是为了节约装置的成本，选用没有控制电路的l c d 显示屏 ( 比带控制电路的l c d 显示屏要便宜1 0 0 元人民币左右) ，不能使用d s p 驱动。a r m 芯片是最近推出的一种具有非常强的外围驱动能力、性价比优良的d s p 类芯片，自 身集成了丰富的外围接口电路。最终选用a r m 中的低端产品a r m 7 t d m i 作为驱动， 这种芯片与d s p 芯片价格相当，却具有比d s p 强大的外围电路驱动能力，同时芯片 内部集成了l c d 控制电路。因此，选用a r m 7 芯片无论是外围设备的驱动能力还是 自身的处理速度等性能，都是个不错的选择。 综上所述，我们选择了a r m 7 芯片s 3 c 4 4 b o x 和f p g a 芯片e p l k 5 0 q c 2 0 8 2 作为 主设计芯片，l c d 使用彩色显示屏m c t g 3 2 0 2 4 0 d n c w 。 3 2 整体硬件电路设计 基于3 1 中的主要芯片选择后，从装置先进性、性价比等方面对其它芯片进行 了选择，并设计出装置硬件框图，如图3 1 所示。装置由“c p u 板”和“功能板” 两部分组成，“c p u 板”是由a r m 7 芯片s 3 c 4 4 b o x 、f l a s h 芯片、s d r a m 芯片、复位 电路等构成的a r m 7 小系统。各部分功能如下： 1 f l a s h 芯片【5 j 用来存储a r m 7 运行时的程序代码； 2 s d r a m 芯片f 6 】用来存储在程序运行过程中产生的动态数据及存储l c d 的显示 数据等信息； 3 t p s 7 6 7 d 3 2 5 芯片【7 j 将5 v 转换成3 3 v 、2 5 v ，分别提供a r m 7 芯片端口电压 和核心电压，同时3 3 v 电压还为f l a s h 、s d r a m 等芯片提供工作电压； 4 i m p 8 11 芯片8 1 提供手动复位，同时对工作电压进行检测，当电压过低时同 样产生复位； 5 j t a g 接口为用户及调试人员提供调试及程序下载接口； 6 l c d 控制器为a r m 7 内部功能，提供相应的控制管脚进行l c d 控制； 7 晶振电路为a r m 7 芯片等提供时钟。 “功能板”与“c p u 板”之间通过数据总线进行信息交换，“功能板”与“e u p 板”之间的连线有控制信号、中断、地址、数据和l c d 相关连线等。 “功能板”主要由f p g a 芯片e p l k 5 0 q c 2 0 8 9 】及外围电路 1 0 】、a c d c 、2 m 及6 4 k 接口电路、l c d 及外围电路、s d r a m 、4 x 4 键盘等几部分组成。各部分功能如下： 1 f p g a 芯片主要实现片选和读写控制等基本功能和实现锁相环、延时、误码 1 0 华北电力大学硕士学位论文 添加等功能； 。 2 a c d c 电路实现交流2 2 0 v 到直流5 v 电压的转换，为装置提供工作电压； 3 “功能板”同样提供了将5 v 转换成3 3 v 、2 5 v 的t p s 7 6 7 d 3 2 5 芯片电路， 主要目的是提供f p g a 端口和核心工作电压，实现c u p 板和功能板单独供电， 不但方便调试，同时提高装置可靠性； 4 2 m 接口电路提供码型的单双极性转换、时钟提取等； 5 6 4 k 接口电路只提供单双极性转换，时钟提取部分在f p g a 内部实现； 6 l c d 实现由a r m 7 控制显示配置参数界面等；d c d c 转换电路实现5 v 电压到 2 3 v 电压的转换，同时实现输出电压可调，为l c d 提供v e e 电压的同时，方 便将来进行l c d 显示调节； 7 s d r a m l l l 】用来存储延时过程中产生的动态数据； 8 e p c 2 芯片为f p g a 芯片存储程序1 2 】【1 3 】【14 1 ，f p g a 芯片可以选择使用e p c 2 程 、序或是使用在线调试功能，可以通过跳线进行方式选择； 9 晶振电路为f p g a 芯片等提供时钟； 1 0 4 x 4 键盘用来输入用户操作信息给a r m 7 芯片，然后在l c d 上显示相应界面。 图3 1 装置硬件框图 1 l 华北电力大学硕士学位论文 3 3 嵌入式系统设计 c p u 板采用嵌入式芯片s 3 c 4 4 b o x 作为主设计芯片，如图3 1 中c p u 板所示。嵌入 式系统设计即c p u 板的设计，具体实现了l c d 驱动、响应键盘输入并进行参数设置等 一 功能，在整个硬件电路设计中具有很重要的作用。整个嵌入式系统在a r m 最小系统 的基础上进行了扩充并实现具体功能。 3 3 1 嵌入式系统发展趋势及分类 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，此类计算机一般不被使用者在意，亦称 埋藏式计算机，典型机种如微控制器、微处理器和d s p 等”】。嵌入式处理器使宿主 设备功能智能化、设计灵活和操作简单，这些设备功能各异，千差万别，但都具有 功能强、实时性强、结构紧凑、可靠性高和面向对象等共同特点。嵌入式系统是指 作为某种技术过程的核心处理环节，能直接与现实环境接口或交互的信息处理系 统。在这种应用环境中，信息处理系统处于嵌入式工作状态，即实时就绪与环互动， 即实时工作方式，其典型例子! i h p c 在工业过程控制或实验监测中的应用。 、 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体 应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分 散、不断创新的知识集成系统【1 6 】。目前根据其发展现状，嵌入式计算机可以分成下 面几类： 1 嵌入式微处理器 2 嵌入式微控制器 3 嵌入式d s p 处理器 4 嵌入式片上系统 a r m 芯片属于嵌入式d s p 处理器一类，但是同传统意义上的d s p 芯片相比，a r m 芯 片有很多自身的优点。例如，提供了丰富的外围接口电路，提供了网络操作接口等。 3 3 2s 3 c 4 4 b o x 芯片介绍 三星公司最近推出的s 3 c 4 4 b o x1 1 6 3 2 位r i s c 微处理器是低成本、高性能的微 控制器，它是专为便携式产品而设计的。为了降低成本s 3 c 4 4 b o x 芯片内部提供了 8 k 缓存、可选内部s r a m 、l c d 控制器、4 路d m a 、系统管理功能、5 路具有p w m 功 能的定时器、实时时钟和时钟p l l 功能等。 s 3 c 4 4 b o x 采用a r m 7 t d m i 内核，0 2 5 u mc m o s 标准制作工艺和一个存储器编译 器，它的低功耗，简捷，一流的品质和全静态设计尤其适合对成本和功耗敏感的应 华北电力大学硕士学位论文 用。s 3 c 4 4 b o x 也采用了新的总线结构一s a m b ai i ( s a m s u n ga r m c p u e m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 。 1 7 】 s 3 c 4 4 b o x 的突出特点是：它的c p u 内核是一个1 6 3 2 位、采用先进的r i s c 工 艺的a r m 7 t d m ir i s c 处理器，工作频率可达6 6 m h z 。并且额外提供了t h u m b 反编译 功能、在线调试和一个3 2 位的硬件乘法器。 选择s 3 c 4 4 b o x 作为主设计芯片，主要是考虑其工作频率高达6 6 m h z ，对彩色 l c d 具有很好的控制能力，提供了丰富的输入输出管脚，3 2 位总线宽度和内部具有 的3 2 位硬件乘法器并且价格低廉等，这些功能在满足课题设计实时性要求的同时， 大大降低了开发成本。在课题设计过程中选用了输出电压为5 v 、电流为1 a 的电源 模块进行供电，因此芯片的低功耗设计也是选择s 3 c 4 4 b o x 的一个重要指标。 3 3 3s 3 c 4 4 b o x 小系统设计 s 3 c 4 4 b o x 小系统需要包括： 1 f l a s h 存储器：用来存储系统引导程序和运行程序； 2 s d r a m ：在使用j t a g 进行调试时需要将程序下载到s d r a m 中进行运行； 3 c p u - 构成小系统的核心部分，负责程序的运行和各种功能的实现； 4 j t a g - 连接p c 机和s 3 c 4 4 b o x 小系统的接口，可以下载程序到f l a s h 一中； 在调试时，可以进行小系统和p c 机之间的信息传输； 5 复位信号电路：用来复位系统的电路，在不掉电的情况下复位小系统，使小 系统重新引导程序。 以上部分是构成s 3 c 4 4 b o x 最小系统的必需部分【1 引。但是在设计嵌入式系统的 时候，除了具有最小系统要求的部分外，还需要进行必要的扩展以满足课题设计的 要求，这里我们扩展了l c d 接口，3 2 位数据接口和地址接口，外部中断接口等外 围接口电路。 s 3 c 4 4 b o x 最大可以控制外部存储器容量为2 5 6 m ，分成8 个区( b a n k 0 - - 7 ) 进行管理，每个区是3 2 m ，有独立的片选信号( n g c s 0 7 ) 。在小系统中，采用了 2 m 线性f l a s h 线性存储器2 9 l v 3 2 0 d 作为程序存储器，占用存储区为b a n k 0 厂 因为a r m 要求中断向量表必须放置在从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址开始，连续3 2 个字节的 空间内。b a n k 0 区管理的地址空间为o x o o 0 0 0 0 0 0 o x 0 1 f f f f f f ，因此引导程序和 运行程序存储到b a n k 0 区。两片s d r a m 存储器h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 使用b a n k 6 、 b a n k 7 区，作为l c d 的数据缓冲区和动态数据存储器。电源部分是用来进行5 v 到3 3 v 、2 5 v 电压转换，提供s 3 c 4 4 b o x 芯片接口和内核电压，j t a g 接口用来调 试和下载程序。复位电路用来复位s 3 c 4 4 b o x 重新引导程序。 l 气 华北电力大学硕士学位论文 设计过程中，采用递进的方式完成各部分功能的设计，即首先进行芯片的逐片 焊接调试，当确认硬件电路无误后进行相应测试软件的调试，调试通过即完成该部 分设计，继续焊接下一部分电路，重复上述过程即完成了整个嵌入式系统的设计。 采用这种方式不但方便进行功能调试，同时也简化问题的查找工作。当出现问题时， 只需要对当前电路进行重点分析一般可以解决问题，如果无法解决，才需要考虑电 路之间的配合问题和其他电路出现问题。但是，在采用典型电路进行设计过程中后 者出现的概率非常低，在课题设计过程中没有出现过配合问题。 具备以上功能的s 3 c 4 4 b o x 系统完成后，下载相应的引导程序和运行程序到 f l a s h 中就可以使系统完成简单的功能。当加载具体的功能程序时，可以完成相 应的功能。通过实际调试，实现了a r m 系统的硬件电路的各部分功能，将编写的 简单调试程序写入到f l a s h 中，并在a r m 系统上正常运行。 i 3 46 4 k 锁相环电路设计 在数字信号的接收过程中，为了实现接收时钟与输入信号同步，需要在输入信 号中进行时钟信号的提取，利用提取的时钟信号作为时钟对输入数字信号进行相应 的处理。在课题设计过程中g 7 0 3 标准的6 4 k 信号和2 m 信号中均包含有丰富的时 钟信息，因此可以利用锁相环电路对输入信号进行时钟提取。锁相环电路的输出精 度直接影响到整个装置的输出精度，因此锁相环电路在整个课题设计中具有举足轻 重的作用。数字锁相环具有不受温度、电源电压等模拟因素影响、实现电路方便、 输出精度高等优点。因此，在课题设计过程中选择了数字锁相环电路7 4 h c 2 9 7 来 完成6 4 k 信号的时钟提取。2 m 信号的时钟提取电路采用l x t 3 3 2 芯片内部的时钟 提取功能，因此不需要单独设计锁相环电路来实现时钟提取。下面对6 4 k 的时钟提 取作简要的介绍。 7 4 h c 2 9 7 芯片是t i 公司生产的一种高速的c m o sf - j 电路，输入与t t l ( l s t t l ) 电 平兼容。是一种应用简单、性价比高、精度高的数字锁相环电路芯片。芯片内部包 含k 计数器和所有必需电路，可以方便的实现一阶锁相环。现在7 4 h c 2 9 7 芯片已经 成功的集成到a l t e r a 公司提供的f p g a 开发软件q u a r t u s 中，可以方便的在a l t e r a 公司生产的f p g a 芯片内部实现锁相环电路，而无需外接任何电路。 7 4 h c 2 9 7 芯片提供两种鉴相方式：边沿鉴相和异或鉴相；采用k 计数器环路滤 波器；无需使用模拟元件即可以实现传统的一阶锁相环功能【l9 1 。数字锁相环电路 ( d p l l ) 的精度只依赖k 时钟的精度和锁相环的传输延时，而不受电源、温度等模 拟量变化的影响。 利用数字锁相环芯片7 4 h c 2 9 7 来进行锁相环电路设计。根据经验选择边沿触 发鉴相方式【2 0 1 ，f p g a 实现的锁相环电路如图3 2 。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 c l k 4 m 为输入到f p g a 中的时钟( 频率为4 0 4 8 m ) ，直接送入到7 4 h c 2 9 7 中 作为k 计数器时钟( k c l k ) 和数据振荡器输) , , ( i d c l k ) 。6 4 k b p s 输入信号6 4 k d r 送 入鉴相器的输入端p h a s ea 2 同锁相环输出的时钟c l k 6 4 ( 6 4 k h z ) 进行相位比 较。数控振荡器输出( i d o u t ) 经过分频后产生5 1 2 k - - 6 4 k 的4 个信号作为锁相 环输出，可以很快锁定信号实现同步。 在课题的设计过程中，对数字锁相环电路进行了大量的试验，k 值的大小直接 决定了锁相环的输出精度、锁定时间、带宽等。经过大量的试验发现，当k 计数器 的a 、d 接低电平，b 、c 接高电平( 此时k = 2 8 ) 时，数字锁相环电路的输出精度、 锁定时间等参