（电力电子与电力传动专业论文）微机型继电保护测试仪的研制——微处理器系统设计.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw 曲t l l eq u i c kd 删e l 叩m e i i to f c o m p u t e rt e c l l f l 0 1 0 9 y ，r e l a yp r i ) t 。c t i t c s d f i gd e v i c ei s d e v c l o p i l l gt oe m b e d d e d 掣s i c i n t 地刚d 髂l l 】忙l l a r d w a 他s y s l e mo f 婶l a yp i d t e c t i o nt e s t i n g d e v i c ea ye x p 柚d i l l gs p 黜t ob c m 1 铝僦m i n i i i l i z e d ，h i 曲c 1 1 a 均曲喇鲥c h i 曲p e m 哪娜 t h i sa f t i c l ep “氍 溺m e a 蚶吨d c “c eb a s e d 彻d s p 柚df p g a f o r t h e 鼬l a yp n 懈6 蛐 t e 蚶n gd 州i c e 锄dd e v e l o p s 咄化向r i i l gt ds 咄t y p i c a l 他1 a yp f l 疵廿o n 蜊n gd e “c 器t i l i s p a p e r 锄p h 鹅i so nt l l ed e v e l o p m e t i to fm 刚n gd e v i sm j c r o c 9 i l t r 0 1 l e i n c l u d i n g 如d e s i 乳 d e b 啊n g 锄dm l i 猫 u s i n gp e f s o n a l m p 哪玎罄u p p 盯踟p 啦rc o h a r d w a r ep 1 砒f 研m 锄dd s pb 1 a c 妊n 5 3 1o f a d 伽蝴p 甜l y 鹬l o 、懈c o 陀舢m u n i c 砒i o 螨c o r i n d u 盯锄d 协“n gu s bb l l s 鹧c o 咖u n i c a t i 册 m 劬o d w ed e v e l o p e dt l l i sm e 勰谢t l gd e v j b a s e d 彻d s pa n dn ，g am 即细c d mt l l i sa 币c l e h l c h a p i t e i o n c n 抽删u c 嚣廿 峙d i s r t 砸j sb l c g 咖棚锄ds i 鲥f i c 锄伍鸭t l l p r 叩o s c t e r 他o f 他i 巧p r o 把c t i o nt e s t 锄dt e c t l r l o l o g i c a ic h a l l e n g ed u r i l l gs y s t e md e s i g 【lh lc h 印塘rt w o ， i ti n m 硼u c 瞄m 吼时n gd e v j sd 髂j 删n g 诅曙e c 矗r 薅m e np r o p o s 讳s y s t e m 轴：t l l r ci n c 咖p 甜i s 州t l lt l l r 磬m e 枷o n s l 帮p i 州e c t i 0 i l 据鲥n gd 刚c e h lc h 印t e rt i l 僦，i td e s j 乎1 s 甜l d i l n p l e m e m 缸i o f 把l 州w a 糟p l a l f 砷io f t l l ed e v i f i f s t ，i 越l u d i n gt l d 器i g no f m a s t e i 。b a r d ， w a v e 窘舶盯a t i l 培h 吐j l l p u t ，0 u t p mb c 脚d 卸ds y s t e me r r o r 辩l f t i i n i n g 1 nc h 归f o u hd 髂i 霉坞 t e s t i i 塔d c v i sn i l j 州n g f 衍a 增f i r s tj tp l q ) o s 器d e s i g n 协o u g l i l 卸d 们o wd j a g m ma f m o i l i t 嘶n gs o 行w a 糟s t 量i i n 仃d d i 麟s y s t e i l l su s b 咖m l 】i l i c 址i o i id e s i g f l w l l i c hi 眦1 u d e 蹦v 盯 s o f t w a 佗d e s i g l l ，m m l i c 撕p f d 蕾o ld e s i g l l t 1 1 d i 虬u 豁佗l a yp i d t e c t i t e s t m gm 毗h o d p p 嘴嚣t e s 廿n gn a wo ft 、v ot e s t i n gm o d u l 嚣l a 瓯i l lc h a p 嘲f i v e “j l i 帆) d u c 髂m e ( 1 川so f s y 咖m se m c 如i g 【li l lc h a p t 苗s i 弓赴到m m 缸i z 鹤a l la b o v et op o i n l so l 琏s h o r i c o m i n g s 柚d g j v 髂吣卸a p p l i c 甜p f i ) s p e c l k 0 ，w o r d 鄯d s pa w gd d sf p g au s b 东南大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：瑟篮聋日期：a ：i ! 缉呈尹 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：哗导师签名：鹳期：岔出 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 近年来，随着我国电力工业的迅速发展，新型继电保护装置特别是数字式微机保护和安 全自动装置，以其优越的性能在我国得到广泛的应用。同时，如何对这些新型保护装置、设 备进行准确和高效的测试，已经成为关系到这些新型继电保护装置安全运行的最重要环节。 为保证继电保护装置性能和动作行为的正确性，人们在保护装置【1j 的开发和测试上，传统方 法通常采用理论分析和具体试验两种方法。在理论分析方面，许多学术前辈做了大量的研究 工作，达到了很高的学术水平。但理论分析只适用于继电器静态运行特性的分析。在具体试 验方面，对于继电保护装置投入系统之前要进行鉴定性试验，对于线路中已经使用的继电器 要定期进行测试试验以保证使用可靠性。在对这些新型保护装置、设备测试的过程中，传统 测试方法已不靛满足其要求，基于计算机自动测试等先进技术的继电保护微机试验装置，已 成为电力生产和微机保护测试中必不可少的专用设备，而微机型保护装置测试仪已成为国内 外保护测试仪领域研究的重点。 微机型继电保护装置是以微型计算机为主体，由微机产生电压、电流信号，经d ，a 转 换，低通滤波，最后经电压放大器和电流放大器对信号进行放大，得到继保测试中所需要的 电压电流源激励。近年来，随之电子技术的迅速发展，特别是d s p 处理器、f p g a 在测试 数字系统设计中得到广泛使用，大大提高了信号部分的数据计算、处理能力，不仅可以提高 每周波输出的数据点，而且使测试装置的闭环实时监视成为可能。以上数字信号处理性能的 大大提高，也为测试仪的软件提供了优秀的硬件平台。 在上世纪九十年代初，国外先进的微机型继电保护测试仪逐渐进入中国市场，并在部分 省市中试所和大型电厂得到应用。之后国内不少研究单位相继开发出了不同类型的微机型继 电保护测试仪，特别是1 9 9 7 年制定的继电保护微机型试验装置技术条件d l t 6 2 4 - 1 9 9 7 国家标准极大地推动了国内继电保护测试仪的研发和制造水平，在输出精度、装置可靠性、 软件功能等方面有了大幅度提高。涌现出一大批专业研发生产继电保护测试仪的企业，已经 完全实现了在国内市场的绝对占有率，在硬件水平上已经完全可以与国外同类设备相媲美。 其中市场应用较广泛的包括：广东昂立电气的3 l o o d 和5 l o o d 、北京博电s 系列和p 系列 以及扬州广达的r t 系列等。 近年来随着继电保护的数字化进程，继电保护测试装置趋向具备数字化、高效的数据处 理能力、装置模块化、小型化方向发展，国内的主要几家测试仪生产研制厂家不断地推出电 压与电流等级更高、信号纯度更好、每周期内点数更多、系统软件功能更加强大的继电保护 测试仪器系统。这些测试仪虽然生产厂家不同，功能性能略有差异，但是都有如下特点： 1 硬件电路上采用一体化模块设计； 2 多采用高速处理器，精度高，速度快。具有故障转换，故障再现功能； 3 拥有g p s 全球定位系统，可进行同步测试； 4 宽带功率放大器高效率、高可靠，高精度、大功率输出，具有良好的线性特性； 5 基于w i n d o w s 的测试软件，图形用户界面友好。 扬州广达生产的基于i n 纠8 0 c 1 9 6 k c 单片机的r t 型继电保护测试仪已不能适应市场 要求，此款产品的开发就是为适应次竞争环境下技术含量要求应运而生的。 东南大学硕士学位论文 1 2 继电保护测试内容 微机型继电保护测试系统，测试对象主要是2 2 0 k v 及以下高压输电线路的继电保护及 安全自动装置。系统通过模拟电力系统的各种故障：输出三相电压、电流或直流试验电压， 采用电压、电流由正常运行值突变到故障值等，同时测试继电保护装置对故障的响应状态和 响应速度。除了对各种电压、电流、负序、阻抗、方向、差动、重合闸等各类保护装置进行 校验外，还能模拟单相接地、两相短路、三相短路等各种故障的发生与切除过程，模拟故障 过程中电流电压的变化，从而检验被检保护装置的整体动作性能。 微机型继电保护测试装置主要组成部分包括：信号控制单元、电流电压放大器和开关量 输入通道。信号控制单元是一个微机控制的可编程的信号发生器，可模拟电力系统各种常态 和故障态的电气量，输出的弱信号，经功放放大成具有一定功率的电流、电压激励信号，开 关量输入通道检测被测试继电保护装置的保护动作信号。当前的继电保护微机型测试装置具 有以下功能： 信号发生和开关量单元：要求能够独立产生各种输出电压、电流信号通过采用高 性能数模转换电路，提供高质量的放大器输入端信号；输出直流至所需各种频率的交流电压、 电流信号，可以为正弦，方波、三角波等各种波形和电力系统任意混成波形；提供八路开关 量输入和输出； 故障模拟：用于电路中接地短路等运行故障同时还提供模拟故障转换及测试保护装 置的动作时间等功能； 仿真功能：可以进行各种不同类型等仿真实验如将故障记录数据重新转化为模拟量 再现电网当时的故障情况； 阻抗搜索：用于测试和搜索阻抗继电器动作时间和阻抗的关系用数字方法合成试验 波形，如正弦波或叠加直流分量和高次谐波，可测试保护继电器的稳态特性或暂态特性。 1 3 测试仪研发的技术关键 论文的主要工作是完成测试仪下位机部分的设计，包括下位机系统的设计和调试，为了 实现检测仪的整体性能，必须很好地实现以下几个技术关键，以便较好地实现其实时性、准 确性等要求。 1 良好的系统架构 为了提高测试仪的总体性能，测试仪的许多功能的实现都依赖于硬件电路如系统控制电 路、任意信号发生器，译码及读写控制电路、总线驱动的控制、i ，o 接口等，所以测试仪的 硬件电路非常复杂。可能引起可靠性、电磁兼容性、功耗，设计风险，设计周期、设计费用 等方面的问题。 2 u s b 通讯协议 通讯协议制定的好坏关系到系统测试的准确性和有效性。制定的协议必须保证数据的正 确性的同时尽量减少数据的通讯量。r t 型测试仪采用的串口通信方式在大量数据实时传输 时，速度已不能满足要求；基于u s b 通信的方案是本文设计的重点之一。 3 高性能任意波形发生器的f p g a 实现 任意波形发生器的实质是通过d ，a 转换器产生模拟电力系统故障状态的三相电流和电 压信号，信号质量将直接影响测试仪的性能指标。设计具有相位灵活可变、频率稳定且适当 可调的任意波形发生器是测试仪的关键。在任意波形发生器的设计中，主要解决的问题有： 全量程范围内实现信号输出的高分辨率；o 信号的高稳定度；o 信号任意波形、幅度、相 2 第一章绪论 位的实现；信号的谐波叠加等。 4 保护动作的识别 继电保护装置的动作信号有电位式、节点式等，还可能有正、负极性之分，测试装置需 要能够自动判别保护装置输出的常态和动作标志。 5 电磁兼容( e m c ) 的保证 在设计过程中，需要分析产生干扰的原因和干扰侵入的途径。从而采取有效的软、硬件 防范措施，一方面尽量消除电磁干扰、将干扰抑制到能够容忍的水平，提高测试的准确性， 另一方面减小系统自身产生的辐射干扰，提高系统的电磁兼容性。 3 东南大学硕士学位论文 第二章系统整体方案设计 2 1 测试仪的基本功能和技术指标 2 1 1 基本功能 本文设计的测试仪所实现的基本功能有： 1 实现任意周期信号的输出：根据测试的要求，运用软件或硬件的方法，实现各信号 通道波形的相位、频率和幅值的任意设定，以及和不同频率信号的混合，构成所希望的电流 电压信号。 2 保护动作的识别：测试仪需要能够自动判别保护装置输出的常态和动作标志。 3 软件功能：下位机部分测试监控软件实现满足市场上绝大多数继电保护装置的测试 要求。 4 u s b 通信的实现：p c 机和下位机之间u s b 传输的实现，通信速率不低于1 m b 2 1 2 技术指标 根据国家电力总公司颁布的国家电力行业标准继电保护微机测试装置技术条件【2 】， 继电保护微机测试装置必须满足如下的技术规范和要求。 模拟故障的输出通道； 能够独立地输出三相电压u a u b 、u c ，三相电流i 、i b 、l c ，中线电压3 u o ； 能够通过一路直流电压输出u d 开关量输出接口的要求： 装置需配备8 对开关量输出接口； 开关量的遮断容量不低于2 5 0 v m 3 a ( d c ) ： ， 各对开关量输出通道在电气上完全隔离。 开关量输入接口的要求： 装置需配备8 对开关量输入接口； 开关量输入接口的输入阻抗不低于l o k ； 电压型或接点型开关量可以自动识别； 开关量输入电压不低于2 5 0 v ( d c ) ： 各开关量输入通道在电气上完全隔离。 交流电流源的要求： 电流幅值范围为：o 3 0 a 电流幅值的分辨力为： o o o l a 电流频率变化范围为： 0 1 0 0 0h z 电流频率变化分辨力为： 0 0 0 1h z 交流电压源的要求： 电压幅值范围为：o 7 5 v 电压幅值分辨力为：0 0 0 l v 电压频率变化范围为：o l 咖h z 电压频率变化分辨力为： o 0 0 th z 电流与电压的同步性； 不同步时间小于1 0 0 懈 4 第二章系统整体方案设计 直流电源的要求： 直流电源电压范围为：o 2 5 0 v 直流电源电压分辨力范围为： o - o l v 交流电压源。电流源的相位控制： 相位范围： o o 3 6 0 0 ；分辨力：o 1 0 时间测量： 时间测量范围： 0 9 9 盼9 9 秒 时间测量分辨力：o 0 0 0 1 秒 2 2 系统整体方案制定 实现继电保护测试仪的方案有以下几种： 1 微处理器系统 第一代继电保护测试仪，是以单片机为核心的微机测控系统通常以l c d ，l e d 数码管 为输出设备，并配备信号输出通道和功率驱动环节，其结构如图2 - 1 所示。因为单片机的计 算速度较慢，它能产生每周波3 0 - 6 0 点的正弦函数，这是最初的智能型测试仪。主要性能如 下： ( 1 ) 能叠加三次谐波 ( 2 )不能叠加直流衰减 ( 3 )不能连续变化频率 ( 4 )幅值、频率、相位的精度较差 图2 一l 第一代测试仪框图 i a i b i c u a u b u c 3 u o 2 p c 扩充信号发生卡 第二代继电保护测试仪是以p c 机作为智能控制器为特征的，如图2 - 2 所示。它利用p c 机的强大功能，d o s 操作界面，较第一代测试仪有很大进步。 p c 机适时计算达到每周波1 0 0 - 2 0 0 点，主要性能如下： ( 1 ) 能叠加2 1 0 次谐波 ( 2 ) 能叠加非周期分量 ( 3 ) 能连续变化频率 ( 4 ) 精度达到o 5 级 5 东南大学硕士学位论文 图2 2 第二代测试仪框图 3 p c + 微处理器系统 随着电力系统对继电保护测试仪功能、性能指标和可操作性等方面要求的日益提高，微 机型继电保护测试仪的设计开发的技术水平也在迅速的提高和发展，因此第三代继电保护测 试仪通常采用p c 机和微处理器系统相结合的方式( 如图2 3 所示) 系统结构。 i 微黼机h 微篆驴h 滁f 一= = 二= | 信盏誊生h 功率驱动l f 通道 l 圳平”训 i 图2 - 3 第三代继电保护测试仪框图 2 2 1本测试仪系统方案 根据技术参数要求和现阶段对微机型继电保护测试装置的功能要求，本文采用p c + 微处理器系统的系统结构，如图2 - 4 所示。以充分发挥微型计算机软件开发的便利性和 微处理器在硬件操作灵活性。测试仪工作时，通过与p c 机数据通讯的方式，把计算机 数据保存在微处理器系统r a m 区，根据不同的测试项目要求合成波形，输出数据至 d ，a 。这种结构是现在市场上微机型继电保护测试装置的主流结构 图2 - 4 测试仪系统结构 由图可见，测试仪系统由p c 机、微处理器系统合和功率驱动单元三部分组成。p c 机作为上位机，是测试操作和监控的主体，其通过良好的人机界面，将用户输入的数据， 按设定的变化规则计算出相应的数据，转化成单字节数据发给下位机。发送下去的数据 经下位机处理后再传上来，再经上位机处理后，画出相应的波形或描出相应的点，直观 的显示给用户。微处理器系统作为下位机，由微处理器单元、波形发生单元、功率放大 6 第二章系统整体方案设计 单元、信号回采单元、开关量检测等单元构成。微处理器系统完成故障模拟信号的产生、 输出、继电保护动作监视和输出校正、监视等功能。功率放大单元对微处理器系统的输 出信号进行放大，以达到测试继电保护装置的电压、电流幅值要求。论文研究的是除微 型计算机和功率放大单元以外的部分。 2 3 本章小结 本章首先提出了本测试仪所要实现的功能和技术指标，然后通过分析现有的继电保 护测试仪的系统结构及其优缺点，结合r t 系列保护测试仪所存在的不足，在此基础上 提出了本测试仪的系统结构。 7 东南大学硕士学位论文 第三章系统硬件结构设计 测试仪的微处理系统按照功能区别，同时兼顾使用、维护的方便，其硬件电路设计分为 四块板卡，分别为主控制板，波形发生器板( 共四相、3 个信号输出通道) 、开关量板和总 线板，前三块板分别插在总线板上，形成一个整体。主控制板提供数据运算、信号控制、数 据存储、信号回采等功能；波形发生器板将数字信号转换为模拟信号输出到功率放大单元； 开关量板负责检测继电保护装置发出的动作标志、以及继电器输出一些辅助控制信号；总线 板提供各板的电源以及各板之问数字信号线的连接。下面详细介绍微处理器系统的硬件结构 设计。 3 1 硬件结构整体框架 r t 系列微机型继电保护试验装置微处理系统是基于1 1 1 t e l8 0 c 1 9 6 k c p l 单片机，已经不 能满足要求，主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 运算能力：8 0 c 1 9 6 k c2 0 m h z 的晶振单周期指令l l s ，难以完成复杂的运算，限制 了波形的频率精度和频谱纯度的提升。 ( 2 ) 存储空问：片内只有4 8 8 字节r a m ，存储器最大映射空间为6 4 k 。无法满足大容 量数据交换的测试项目的要求，比如数据回采、故障录波等。 ( 3 ) 通信速度：r s - 2 3 2 最大传输速率一般在2 0 k b i 以以下，而且容易受干扰，连接不 方便，在增加数据采集功能的情况下，已不能满足要求。 为了解决上述问题，满足设计指标，微处理器系统采用d s p + f p g a 的结构，其中d s p 作为下位机的微处理器。与单片机相比，d s p 由于内部有硬件乘法器、累加器，使用流水 线结构，使得d s p 芯片更适合数字信号处理，有更高的指令执行速度。具有硬件接口逻辑 和软件等待功能，方便与各种慢速存储器接口，如s d r a m 、s i 认m 、f l a s h 等。有的d s p 还兼具控制器的功能，如a d l 的b l l ( f j i l 5 3 1 。f f ，g a 和c p l d 相比，容量更大，适合时序 逻辑设计。通信接口采用当今流行的u s b 通信方式，与其它通信接口相比，u s b 接口的最 大优点是易于使用：支持热插拔，传输速度快，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无 需用户干预。因此，u s b 使用起来非常方便，这也是u s b 通信的主要优势所在。改进后的 测试仪微处理器系统由微处理器单元、波形发生单元、输入量检测单元、误差校正单元、系 统存储器和u s b 通讯接口等单元构成，其系统结构如图3 1 所示。 8 第三章系统硬件结构设计 图3 - 1 微机型继电保护测试仪微处理器系统的结构图 其中波形发生单元即任意波形发生器由d d s 频率合成器、地址发生器、波形存储器、 两极a 转换器组成。频率合成器为地址发生器提供计数时钟，以实现频率可调；任意波 形发生器核心地址发生器由h ，g a 实现，通过改变地址发生器的起始地址即可改变波形的 相位，实现相位可调；两极d a 转换器的前一级用以实现幅值可调。下面具体讨论主要功 能模块的设计思想和控制原理。 3 2 主控板设计 主控板提供通信接口、数据运算、信号控制、数据存储、信号回采等功能。如上节图 3 一l 所示，主要由微处理器、u s b 接口、系统存储器、误差自校正单元和总线扩展等部分组 成，下面详细介绍主要模块的设计。 3 2 1d s p 芯片选型 在主控板中，d s p 州担负着协调测试工作的任务，同时要负责与p c 机的通讯，是整个 主控制板的核心，因此d s p 芯片的选择是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才 能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。总的来说，d s p 芯片的选择应根据实际的应 用系统需要而确定。但一般来说，选择d s p 芯片时应考虑以下诸多因素： 1 d s p 芯片运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片 时所需考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量： ( 1 ) 指令周期：即执行一条指令所需要的时间，通常以璐为单位。如a d s p - b f 5 3 1 在主频为加0 m h z 时的指令周期为2 5 啮。 ( 2 ) m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时问。大部分d s p 芯片可以在一个指令 周期内完成一次乘法和加法操作。如a d s p b f 5 3 1 在3 0 0 m h z 工作时的m a c 时间是1 6 7 1 1 s 。 ( 3 ) f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。由于f f t 运算涉及的运 算在数字信号处理中很有代表性，因此f i 丌运算时间常作为衡量d s p 芯片运算能力的一个 9 东南大学硕士学位论文 指标。 ( 4 ) m i p s ：即每秒执行百万条指令。如a d s p b f 5 3 l 的处理速度为8 0 m i p s ，即每秒 执行八千万条指令。 2 d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一个重要因素。如果 采用价格昂贵的d s p 芯片，即性能再高，其应用范围肯定会受到一定的限制，尤其是民用 产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个价格适中的d s p 芯片。 3 d s p 芯片的硬件资源。不同d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内r a m 、r o m 的容量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i ，o 接口等 4 d s p 的运算精度。一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位，如系列。现在，已出现3 2 位 的定点运算d s p 芯片。浮点芯片的字长一般为3 2 位。 在以上诸多因素中，一般而言，定点d s p 芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度 较低。而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高，但价格稍贵，功耗也较大。综合考虑，本文 选用a d i 公司b l l d i n 系列性价比最高的一款a d s p b f 5 3 l l ，j 。 b l 幽n 是1 6 位产品的大系列，a d i 公司最新的基于微信号体系结构的d s p ，它是a d l 和i n t e l 联合开发的体现高性能体系结构的首款第四代d s p 产品，目前公布的有b f 5 3 5 ， b f 5 3 l ，b f 5 3 3 ，b f 5 3 2 等，作为一种尖端的信号处理技术，b l l ( f i nd s p 不仅特别适合完 成视频、图象、音频、语音和数据通信的数字信号处理，同时还提供综合的控制能力。 b l l 【f i l l 5 3 ld s p 结构框图如图3 - 2 所示。 图3 - 2b 1 8 c k f i n 5 3 1 的结构框图 其主要功能和性能指标如下： 1 6 位定点d s p 内核，可以实现4 0 0 姐z 的持续工作；在3 0 0 m z 工作时能完成每秒6 亿次 乘加指令，在o 9 v 条件下功耗为4 2 娟，它的推出使a d i 的d s p 性能提高了4 倍以上， 1 0 第三章系统硬件结构设计 功耗降低了近l 3 ； 4 g b 统一寻址空间； l l 指令存储器包括3 2 k 应用灵活的s i 认m 和r o m ； 支持片外同，异步存储器并具有2 个双通道全双工同步串行接口和一个支持i r d i a 的通行串行口，1 2 个通道的d m a ； 1 6 个g p i o ； 3 个定时，计数器； 3 2 2 系统间连线设计 以实现系统信息传送为主要目标，并兼顾系统的通用性和可扩充性，是设计系统连线 的原则和指导思想。微处理系统分为四块板，各个板子之间通过总线板上的接插件相连。 d s p 作为主控制器，控制对象有f p g a 、c p l d 和d a 芯片，为完成主控板对其它板的控制， d s p 的数据线、地址线、控制信号线和电源线需引出，加驱动器以提高带负载能力，供其 它扳使用。系统连线主要包含以下几个部分的内容： ( 1 ) 数据线 系统采用了1 6 位的d s p ，对于信号发生板，数据线为1 6 根d o d 1 5 ，开关量板只需 要d o d 7 。 ( 2 ) 地址线 总线中地址线的设置，需兼顾信号发生板、开关量板对地址线的需求。d s p 处理器共 有1 9 根地址线，可用地址线a o a 1 8 ，完全满足各板的需要。 ( 3 ) 通道选择和读写控制 信号发生器板内部存储器的寻址依靠a o a 1 3 完成，但无法确定选择哪一个信号输出 通道( 两块信号发生器板具有a 、8 、c 、n 四相8 个通道) ，还有d d s 输出允许和s r a m 选择等信号。因此在总线中必须设置1 6 位工作方式寄存器肋s a 州f l g ，后文将做详细介 绍。微控制器对总线的读信号为，r d ，对总线的写信号为，、r 。 ( 4 ) 中断请求 为了能够快速响应输入信号检测板中断请求和g p s 中断请求等一些i ，o 接口的请求， 允许它们向c p u 提出中断请求。在总线中设立中断请求信号包含信号发生器板的两个中断、 信号回采板的一个中断和输入量检测板的一个中断。 ( 5 ) 电源 为了方便各插板的安装，插板所需要的电源通过接插件从总线板引入。主板仅需要一组 + 5 v 电源，称之为v c c 及d i 斟d 。信号发生器板除v c c 及d 外，还需要d a 转换器 的1 2 v 电源，与v c c 、d g n d 完全电气隔离的+ 5 v 电源；输入量检测板需要除v c c 、 d g n d 电源外还需要电气隔离的+ 5 v 电源。信号回采输出控制板与信号发生器板的电源需 求一样。因此总线中共需4 组电源。 ( 6 ) 备用信号线 总线板上除了以上介绍的一些信号线外，还留有一些空余的端子，为了系统更好的调试 和升级，将一些没有使用的端子连到主板，它们有s y s s t 、s y s - s y n 、b k p i n 0 、 b k pi n l 、c h ob k p 、c h lb k p 、c h 2b k p 、n o u s e l 、n o u s e 2 等。 3 2 3b f 5 3 1 存储器管理机制 b l k f i n 5 3 l 的i ，o 接口资源丰富，但是其存储器资源相对较少。所以满足不了系统的要 求。需要扩充存储器。b f 5 3 l 的存储器管理1 6 l 使用3 2 b n 寻址，把所有d s p 资源虚拟为一个统 东南大学硕士学位论文 一的4 g b 地址空间。存储器的相关资源，包括内部存储器、外部存储器、p c l 配置空间和i ，o 控制寄存器，都有独立的地址空间。 b f 5 3 1 的外部地址访问空间可达1 3 4 m b ，通过外部总线接口单元e b i u ( e 姬e m a i b 嘴 i n l e 哟帅碓) 进行管理。e 引u 支持多种存储器，如s d r a m 、s r a m ，r o m 、f l a s h 等 等。 1 存储器选型 存储器的选型主要考虑存取速度、容量，价格等因素。s d r a m 9 】存取速度较快，容量 大，价格适中，便于扩展；f l a s h 存取速度较慢，但可掉电保存数据。s r a m 存取速度快， 但一般容量较小。，根据系统设计需求，综合考虑本文选用以下两款存储器。详见下表3 1 。 f l a s h 选择的是a m d 公司的a m 2 9 l v 8 0 0 b 问，存放掉电保持数据如正弦数据等，s d r a m 选用s a m s u n g 公司的k 4 s 弱1 6 3 2 e 唧。用于存放临时波形数据和波形发生电路的输出数 据。下面简要介绍一下f 1 a s h 和s d r a m 。 表3 1存储芯片选型表 存储体芯片名称容量大小存取速度起始地址分配 ( 数量)( 总容量) f l a s h a m 2 9 l v 8 0 0 b5 1 2 胁1 6 b i t ( 1 ) 7 0 n s 0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 ( 1 m ) s d r a mk 4 s 5 6 1 6 3 2 e 2 5 6 k 幸1 6 b i t ( 2 ) 1 0 n s o x o o o o o o o o ( 3 2 m ) 2 存储器介绍 ( 1 ) a m 2 9 l v 8 0 0 b a m 2 9 l v 8 0 0 b 是一种2 7 v 6 v 系统供电的闪速可编程可电擦除的1 6 位存储器，具 有1 m b 存储空闻。写入时间为7 0 n s ，支持高速处理器而不需要等待状态。芯片有2 0 0 n a 的 自动休眠方式电流，7 m a 的读电流和1 5 m a 的编程擦除电流，因此功耗及低。 f 1 a s h 除了存储基波数据，还需要存储用户程序。连接f 1 a s h 的片选信号与b f 5 3 l 的a 惦0 相连，其地址设为o 垃0 0 0 0 0 系统上电后，首先运行固化在f l a s h 中的b 0 0 t l o a d e r 代码， 然后进入用户程序，使系统开始工作。 ( 2 ) k 4 s 5 6 1 6 3 2 e k 4 s 1 6 3 2 e 是s a m s u n g 公司推出的一种单片存储容量高达2 5 6 m b 毗即3 2 m b 的高 速s d r a m 芯片。s d r a m 的主要特点为：一是同步访问，读写操作需要时钟；二是动态存 储，芯片需要定时刷新。k 4 s 弱1 6 3 2 e 采用三星公司高性能c m o s 工艺，它的同步接口和 完全流水线的内部结构使其拥有极大的数据传输率，可阻工作在高达1 3 3 m h z 的时钟频率 下，刷新频率为每6 4 毫秒8 1 9 2 次。该s d r a m 芯片内部有四个存储体( b a n k ) ，通过行、 列地址分时复用系统地址总线对不同存储体内不同页面的具体存储单元进行读写访问寻址。 k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 读写访问的具体时序详见参考文献【9 】。k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 与b f 5 3 1 的接口1 1 1 如图 3 - 3 所示。 第三章系统硬件结构设计 a d s p b f 5 3 l k 4 s 5 6 1 6 3 2 e s 、 吧w e s c a s c a s s r a s r a s s m s c s a d d r n 9 b a l a d d r 1 8 b a o s a l o a 1 0 a d d r 【1 2 ，l o ：l 】a 【l l ，9 ：o 】 s c k e c k e c l k o u c l k s d o m ) l d q m s d q m 。 u d q m d a l - a 【1 5 ：o 】 d q 【1 5 ：0 1 3 3b f 5 3 1 与k 4 s 1 6 3 2 e 接口图 3 2 4 系统通信接口的设计 测试仪常用的通信方式为：r s 2 3 2 串行总线体系结构和u s b 通用串行总线体系结构”u r s 2 3 2 总线是美国电子工业协会e 认于1 9 6 9 年推出的一个串行通信标准，也是目前最 常用的串行接口标准。它的优点是结构简单，几乎所有计算机都配有r s - 2 3 2 总线接口，而 且编程简单。但r s 2 3 2 总线传输距离一般小于1 5 m ，最大波特率小于2 0 k b p s ，不适合高速 场合。 u s b 是一种新的计算机串行总线。在高速传输方式下，数据传输速率最高可达4 8 0 m b p s ： 在全速方式下，可达1 2m b p s ；在低速方式下为1 5m b p s ，u s b 支持热插拔和即插即用，所 有u s b 设备可以随时插入和拔离系统，u s b 主机能够动态地识别设备的状态，并自动地为 接入的设备分配地址和配置参数。 由于u s b 总线具有传输速度高，扩展性好，连接方便等众多优点，而且价格适中。因 为测试系统的响应速度要求比较高，数据传输量比较大，因此我们采用u s b 总线作为系统 的通信方式。 虽然调试u s b 驱动程序较复杂，如常用的p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 ，需要深入理解 u s b 协议，编写复杂的上位机驱动程序和下位机固件驱动。但通过选用集成度较高的专用 芯片。可以大大简化程序的开发工作。而f 1 1 ) i 公司f 1 w 5 b m l l 日就是一款符合我们要求的 高集成度的芯片。该芯片使用简单、性能卓越，只要熟悉单片机编程及简单的v b 、v c 应 用程序编程，就可很容易地进行用户产品开发。 f t 2 4 5 b m 的主要功能是进行u s b 和并行i ，o 口之间的协议转换。芯片一方面可从主机 接收u s b 数据，并将其转换为并行i ，o 口的数据流格式发送给外设；另一方面外设可通过 并行i ，o 口将数据转换为u s b 的数据格式传回主机。协议转换过程完全由芯片完成，开发 者无需考虑固件的设计，能够大大减少开发周期。 f t 2 4 5 b m 内部主要由u s b 收发器、串行接口引擎( s i e ) 、u s b 协议引擎和先进先出 ( f i f o ) 控制器等构成，如图3 - 4 所示。 1 3 东南大学硕士学位论文 图3 qf r 2 4 5 删的功能框图 u s b 收发器提供u s b l 1 2 o 的全速物理接口到u s b 总线，支持u h c i ，0 峨c i 主控制器； 串行接口引擎主要用于完成u s b 数据的串胼双向转换，并按照u s b l 1 规范来完成u s b 数 据流的位填充，位反填充，以及循环冗余校验码( c l w 5 ，c r c l 6 ) 的产生和检错；u s b 协议 引擎管理来自u s b 设备控制端口的数据流；f i f d 控制器处理外部接口和收发缓冲区间的数 据转换。 f i f o 控制器实现与d s p ( b f 5 3 1 ) 的接口，主要通过8 根数据线d o d 7 及读写控制线 ( 瓜d 、v r 、瓜x f 、，n l ，e ) 来完成和d s p 的数据交互。f 他4 5 b m 包含两个f i f o 数据缓 冲区，一个是l 船字节的接收缓冲区，另一个是3 8 4 字节的发送换缓冲区。它们均用于u s b 数据与并行i ，o 口数据交换的缓冲区。 u s b 通信的硬件设计比较简单。将f t 2 4 5 b m 的d 0 - d 7 与d s p 的数据线相连：瓜d 、 w r 连于d s p 的输出口，瓜x f 、，聊e 连于d s p 的输入口。d s p 通过控制这几根线的时序， 就可以实现u s b 通信。具体的硬件电路图见参考文献1 1 3 】。 3 3 波形发生单元设计 测试仪所需要实现的是通过三相交流电的a 、b 、c 相电流和电压通道，产生能够模拟 电力系统各种故障状况下电流电压的波形。也就是产生以正弦波波形为主，通过改变波形的 幅度、频率、相位，或在基波上叠加各次谐波，合成电力系统的故障波形。这实际上是构建 用于模拟电力系统故障状态的任意波形发生器。由此可见，任意波形发生器( a w g ) 是继 电保护测试装置的核心单元，它负责产生常规测试中所需要输出的波形。 3 3 1 任意波形发生器构造比较 任意波形发生器构造方法主要有三种输出方式【1 4 l ：程序控制波形输出，d m a 方式波形 输出，直接数字合成输出。它们各有优缺点 1 程序控制波形输出 在程序控制输出方式下，计算机上通过输入波形数据点或调用描述波形的函数表达式产 生波形数据点，存入波形存储器中。在微型计算机和控制电路的控制下，按一定的时间间隔 将波形存储器中的波形数据逐个传送给d ，a 转换器，输出具有一定幅值和频率的模拟信号。 图3 - 5 是程序控制输出波形的原理图。 1 4 嚣錾鏖嚣 第三章系统硬件结构设计 图3 - 5 程序控制输出波形原理图 这种工作方式，存在以下一些问题。 1 数据的输出定时的不一致会使波形数据点输出间隔存在微小的差异，影响输出波形 的频率和相位。 2 输出波形数据点需要依靠指令的执行，如果同时控制多个通道的信号输出，相邻信 号通道的数据点之间存在时间差。 3 计算机的正常运行因频繁的定时中断而受到影响 4 由于受计算机运行速度的限制，合成信号的频率较低。 2 d m a 方式波形输出 在d m a 方式下，外部设备利用专用的接口电路直接和存储器进行高速数据传送，而不 是经微处理器。在传送数据时，接口电路要向微处理器发出请求，使微处理器让出总线，即 把总线控制权交给控制d m a 传输的接口电路。d m a 方式波形输出原理图见图3 - 6 。 。 图3 _ 6d m a 方式波形输出原理图 在启动d m a 操作前，由微处理器将需要接收数据的d a 转换器和存储器的地址写入 d m a 控制器。需要d m a 操作时，由d m a 控制器向微处理器发出总线请求信号。微处理器 接受并允许总线请求时，发出总线响应信号，同时放弃对总线的控制，d m a 控制器得到总 线控制权后，通过地址总线给出存储器的地址信号，并选通存储器和d a 转换器。使存储 器相应单元中存放的波形数据传送给d a 转换器。 以d m a 方式输出波形，可大大提高波形数据点的输出速率，但同时也存在一些问题： 东南大学硕士学位论文 1 波形输出期问，微处理器因为失去了总线控制权，无法完成其它需要总线的操作， 只能处于闲置状态。 2 在一个d m a 操作中，d m a 控制器只能在一d a 转换器与存储器之间传送数据， 很难实现多数据通道的波形同时输出。 3 直接数字合成( 肋s ) 技术 图3 - 7 d d s 的基本原理框图 d d s 的基本原理框图如图3 7 所示。它主要由标准参考频率源、相位累加器、波形存储 器、数模转换器、低通平滑滤波器构成。在时钟脉冲的控制下，频率控制字k 由累加器得到 相应的相码，相码寻址波形存储器进行相码幅码变换输出不同的幅度编码。再经过数模变 换器得到相应的阶梯波，最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑，即得到由频率控制字k 决定 的连续变化的输出波形。由于用硬件电路取代了计算机的控制，a w g 的信号输出稳定度高， 同时可扩展性增强。 这种技术有以下一些优点： 采用d d s 技术，与传统a w g 相比：频率切换速度快，频率控制容易，信号发生器结 构简单，信号稳定度高，易操作、功能强，信号选择性良