（电磁场与微波技术专业论文）直流供电系统在线监测装置的研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 ( 直流供电电源是配电站电力自动化系统的重要组成部分，直流供电电源分布式监 控系统是一种用于实时监测多支路直流供电系统中接地、过压、欠压等故障的装置。，r 一一 本文分析了直流供电系统接地故障的检测方法，介绍了绝缘在线监测装置的工作 原理。装置采取软件交流磁调制检测技术，有效抵消了剩磁效应。装置设计采用单片 机现场可编程外围芯片p s d 的新技术，实现了以往较为复杂的i o 重建、扩展控制器 地址空间、外部芯片选择、逻辑组合实现d s p 中断等电路设计。本文给出了基于数 字信号处理机( d s p ) 的分布式监控系统的结构与组成，详细讨论了d s p 与r a m 的接 口、p s d 控制器、检测电路、通讯电路等硬件模块设计，完成了系统软件设计，并分 析了实验测试结果。 本课题的研制经历了方案论证、系统设计、硬件制作、软件编程、系统调试等完 整过程，所研制样机的主要性能指标已达到系统设计要求，证明系统设计方案是可行 的儿一 关键词：电力系统自动化直流供电电源故障检测数字信号处理 智能传感器 气 皇堕堡皇墨笙壅垡堕型茎重塑堑型 a b s t r a c t d cp o w e rs u p p l yi sa ni m p o r t a n tp a r to fa u t o m a t i o ns y s t e mf o re l e c t r i c i t yr a t i o n s t a t i o na n di t sd i s t r i b u t e dd e t e c t i n gs y s t e mi sak i n do fd e v i c et h a tc a nd e t e c tr e a lt i m e m u l t i t a s kf a i l u r e si nd cs u p p l ys y s t e m ，s u c ha se a r t h i n g ，o v e r - v o l t a g e ，b e l o w - v o l t a g e ， e t c t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed e t e c t i n gm e t h o do fd cp o w e rs u p p l yg r o u n d i n gf a i l u r e ， i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fi n s u l a t e dd e t e c t i n gd e v i c eo n l i n e r e m a n e n c ei se l i m i n a t e d e f f e c t i v e l yb yu s i n gs o r w a r et e c h n i q u eo f a c m a g n e t i s mm o d u l a t i o n t h ed e v i c ea d o p t s p s dn e w t e c h n o l o g y , r e a l i z i n gc i r c u i t sd e s i g nm o r e c o n v e n t i o n a lt h a nb e f o r e ，s u c ha si 0 r e e s t a b l i s h m e n t ，c o n t r o l l e ra d d r e s se x t e n s i o n ，o u t s i d ec h i ps e l e c t i o n ，d s pi n t e r r u p t i o nb y l o g i c a lc o m b i n a t i o n ，c t c t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es t r u c t u r ea n dd e m e n t so fd i s t r i b u t e d d e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nd s p , a n dp r e s e n t sp a r t i c u l a rd i s c u s s i o na b o u th a r d w a r ed e s i g n ， i n c l u d i n gi n t e r f a c eo fd s pa n d 洲，p s dc o n t r o l l e r , d e t e c t i n gc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i n g c i r c u i t ，a n df i n i s h e ss o f t w a r ed e s i g na n de x p e r i m e n tr e s u l ta n a l y s i si sa l s og i v e n t h i st a s kw e n tt h r o u g haw h 0 1 ep r o c e s so fp r o j e c ta r g u m e n t a t i o n ，s y g e md e s i g n ， h a r d w a r ep l a n ，s o f t w a r ed e s i g n ，s y s t e md e b u g g i n g ，a n dm a i np e r f o r m a n c eo fr e s e a r c h e d s a m p l ed e v i c eh a sm e tt h ed e m a n d so fs y s t e md e s i g n , w h i c ha f f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo f s y s t e ms c h e m e k e yw o r d s ：e l e c t r i cs y s t e m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a u t o m a t i o nd cp o w e rs u p p l yf a i l u r e d c t e c t i n g i n t e l l i g e n ts e n s o r 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 为保证电力系统安全可靠性，发电厂、变电所、开闭站内的保护装置、继电器、 跳合闸开关等的工作电源均采用有蓄电池贮能的直流电源。该直流电源作为发电厂 和变电所电气设备的操作及控制电源，是一个庞大的多支路供电系统，接地故障经 常发生。当发生一点接地时，电力行业规程规定必须尽快找出接地线路与接地点； 否则，若发生第二点接地，可能造成继电器或保护装置误动作，酿成重大事故。因 此，直流系统绝缘在线监测，对直流系统及整个电力系统的正常运行，起着至关重 要的作用。直流供电系统自动化监控装置可用于直流5 0 0 伏以下的直流系统，如电 力、石油、化工、煤炭、冶金、铁路、高层建筑等行业发电厂、变电所及开闭站内。 电力自动化系统中直流供电系统在线监测装置，是一种用于监测多支路直流供 电系统中接地、过压、欠压等故障的装置。当直流系统母线电压出现过压或欠压情 况时，该装置自动报警，显示和记录故障信息；当直流系统出现接地时，装置自动 启动，开始巡检各支路传感器输出的数字信号，找出接地支路，并在液晶屏上显示 故障信息。 由于直流系统接线复杂、分支多，给接地选线造成一定困难。国内电力行业有 关研究人员做了大量工作，己研制出一些自动监测装置。直流供电系统故障在线监 测装置的工作原理，主要分为两种方法。第一种方法是用欧姆定理直接计算。该方 法是在每条出线上加装一直流传感器。这种方法较理想化，不需向直流系统注入信 号，且不受线路对地电容影响。主要问题出在直流传感器上，其采用磁平衡原理， 做成有源传感器，当一侧有电流变化或有电流冲击时，易发生剩磁变化，尤其传感 器无源时，受电流冲击后，剩磁变化更大。这种剩磁变化会严重造成电流、电压放 大器及a d 转换器的直流偏移，致使用以上方法做成的选线装置零点不断漂移，需 及时调节装置的零点及传感器特性，才能保障选线装置的精度及稳定性。这种做法 不仅给现场带来极大不便，而且造成装置选线不准。第二种方法采用在直流母线上 注入低频交流信号的方法。该方法是在正负母线上平衡对地注入一低频信号，这种 方法受线路对地电容的影响较大，而很多厂家在电源与大地间接抗干扰电容，使得 支路电容增大，造成这种方法监测不准。本装置工作原理选择第一种方法，并选用 智能传感器，用于多支路接地故障选线，软件交流磁调制检测法灵活地避免了剩磁 引起零点漂移的问题。 本论文首先描述了直流供电系统在线监测装置的工作原理与检测方法，重点分 析了该装置的系统结构、硬件与软件设计，给出了系统调试和测试数据分析。 直流供电系统在线监测装置的研制 1 2 课题的研究内容 1 2 1 直流供电电源自动化监控系统的组成 直流电源自动化监控系统包括四大部分：监控对象、监控装置、上位机、调试机。 这四部分的简要关系如图1 - 1 所示。 图1 - 1自动化直流监控系统示意图 一、监控对象 直流供电系统绝缘在线监测装置的监控对象是直流供电系统，包括一段或两段 母线以及向电气负载供电的馈电支路，每个负载支路通过智能传感器与监测装置相 连。事实上，被检测的智能传感器由单片机控制，单片机与智能传感器构成一小型 单片机控制系统，监控装置通过与该小型控制系统通信来实现监控。 监测装置可2 4 小时不间断实时检测，一旦发现母线过压、欠压、接地或负载支 路接地，马上报警、显示，并记录故障信息。 二、监控装置 监控装置，即直流供电系统绝缘在线监测装置，是一种用于监测多支路直流供 电系统中接地、过压、欠压等故障的装置。该监控装置的结构主要可分为四大部分： 1 、主控部分，包括c p u 芯片、现场可编程外围芯片、时钟芯片及按键、蜂呜器等。 2 、检测部分，包括检测选线电路、被测信号的前端处理以及报警输出部分。检测选 线电路主要负责控制被测信号的选择输入；被测信号的前端处理主要负责主c p u 采样被测模拟信号前的处理；而报警输出则主要负责报警和指示。 3 、通信部分，包括与智能传感器的4 8 5 通信、与上位机的通信以及与调试机之间的 通信。如前所述，与智能传感器的通信主要用于检测支路负载的工作状况。与上 位机的通信可使上层监控中心实时了解监控装置的运行参数设置( 如通信波特 率、过压判断标准等) 、监控的故障信息等等。此外，与调试机的通信可用于输 入或修改监控装置的运行参数。 4 、显示部分，包括大屏幕液晶显示屏和指示灯。液晶屏实时显示装置运行状态，包 南京航空航天大学硕士学位论文 括时间、故障信息等。指示灯部分包括指示各种不同工作状态的1 2 个指示灯， 分别显示一段母线或二段母线过压、欠压、接地、装置运行正常、装置有故障、 装置处于通信状态、系统接地、装置内电源正常、传感器电源正常等1 2 种状态。 三、上位机 自动化直流监控系统中的上位机是监控装置的上层监控中心，通过与监控装置 通信来了解监控装置的运行参数设置、监控的故障信息等。 四、调试机 调试功能是专门为装置出厂前调试方便而设计的。调试机为一般的p c 机，通 过p c 机的串口c o m l 或c o m 2 与监控装置通信，为监控装置设置参数或修改参数。 1 2 2 课题的研究内容 本课题的具体研究包括硬件的设计、制作和软件的编制、调试等。在进行调研和 搜集国内外相关检测技术的资料和技术并加以研究的基础上，首先进行系统的总体设 计，然后进行系统硬件、软件的具体设计，最后进行系统联调，取得初步结果。 系统硬件电路设计中主要是： 装置主控板电路的原理设计； 装置检测板电路的原理设计； 装置通信板电路的原理设计； 装置主控板、检测板、通信板的硬件制作、调试。 系统软件设计中主要是： 装置主控板的软件框图设计和编程调试； 装置检测板的软件框图设计和编程调试； 装置通信板的软件框图设计和编程调试； 系统软件的编制、调试。 1 3 课题的研究成果 本课题所研制的直流供电系统在线监测装置，集检测、显示、数据存储、报警等 功能于一体，对直流系统及整个电力系统的正常运行起着至关重要的作用，可广泛应 用于电力、石油、化工、煤炭、冶金、铁路、高层建筑等领域。 整个装置采用t i 公司的数字信号处理芯片以及其它新器件，集成度高，抗干扰 能力强，功耗低；输入通道设计为四通道，每个通道可以由用户任意接入两段母线的 正负对地电压；采用液晶屏幕( l c d ) 全汉字菜单显示，直观明了，与触摸式薄膜按键 相结合，操作方便。所研制样机经过钡9 试验证，主要性能指标达到要求，表明系统设 计方案是可行的。 k 厶又钆 h 久k 钆 直流供电系统在线监测装置的研制 第二章系统性能指标及总体设计方案 2 1 系统功能及性能指标 本装置的主要功能要求是： 1 、装置硬件采用嵌入式c p u 芯片，集成度高，抗干扰能力强，功耗低。 2 、采用大屏幕全汉字显示，直观明了，操作方便。 3 、采用自动跟踪、软件锁相工作原理，使硬件设计规范化，装置工作部分无需硬件 调节。现场安装时，只需检查接线及根据说明书设定运行参数。无接地故障时，不 注入低频信号，对系统正常工作无影响。 4 、可与站内原有的绝缘监测装置并列使用。 5 、装置接地、欠压、过压报警有两组独立的常开接点，可适应不同的现场需要。 6 、装置可由软件选择波特率等通讯参数。 7 、可分别记忆1 0 次接地故障、绝缘下降( 平衡电阻接地) 故障、过欠压报警记录， 装置掉电后信息不丢失。 8 、装置应具有完善的自检、自调试功能。 9 、可区分母线接地、线路接地。 针对该装置的总体功能要求，提出如下的主要性能指标： 1 、电源等级：直流5 0 0 伏以下； 2 、母线段数：1 2 段； 3 、选线回路：1 1 2 8 路； 4 、通讯接口：提供r s 2 3 2 、r s 4 8 5 两种通讯接口； 5 、工作电源：d c 2 2 0 v _ + 2 0 ； 6 、继电器接点容量：d c 2 2 0 v 5 a 。 2 2 系统总体设计方案 2 2 1 系统工作原理 直流供电系统绝缘在线监测装置采用软件磁调制工作原理，软件自动跟踪传感 器输出电流变化，进行及时校正。首先，通过检测正、负母线电压值，判断系统工 作状态；若系统母线电压出现异常，装置内平衡电阻桥失去平衡，装置自动启动， 开始巡检各智能传感器输出的数字信号。智能传感器用于检测各支路不平衡负载电 流，采用软件磁调制技术，传感器输出直流信号，经内部放大电路对直流信号进行 放大。设有双重振荡电路，对传感器一侧受电流冲击后的剩磁进行消磁。d s p 数字 传输技术，把模拟信号转化为数字信号后与主机进行传输。传感器套穿在各路直流 4 南京航空航天大学硕士学位论文 回路的正负母线上，当回路绝缘水平正常时，穿过传感器的直流电流大小相等，方 向相反，此时传感器中的合成直流磁场为零，其输出也就为零；当回路中出现合成 直流电流，输出就不为零。因此，主机通过巡回检测各回路传感器的输出是否为零， 来判定直流系统接地故障回路。通过传感器检测数据进行故障识别后，完成故障信 息处理与报警。 装置检测时，输入的被测信号是两段母线的正、负对地电压。若母线电压正常， 应测得正、负对地电压分别为+ l i o v 和1 i o v 。装置将检测到的数据与一定的标准相 比较，如发生过压或欠压现象，则马上报警、显示，并及时记录下故障识别码、故 障发生时间、故障恢复时间等故障信息。如比较发现接地，则还要通过与智能传感 器的小型单片机系统通信来进一步确定故障类型。通过与小型单片机系统通信，可 回传向电气负载供电的馈电支路状态数据，如所检测支路的漏电流值等。监控装置 分析状态数据后，判定是否为支路接地。若不是支路接地，而一开始检测时又已发 现接地，则判定为母线接地。判断完接地故障类型后，也要报警、显示，并记录下 接地故障信息。除了故障识别码、故障发生时间、故障恢复时间等普通信息外，接 地故障还需记录支路号等信息。此外，装置在检测时，液晶显示屏时刻显示检测信 息和时间，用户可通过液晶显示屏直观地了解当前被检测直流供电系统的状态信息。 2 2 2 系统检测方法 系统实时检测两段母线和向电气负载供电的馈电支路，发现过压、欠压、支路 接地或母线接地时，及时报警，并记录和显示故障信息。 1 、过、欠压故障检测 本装置正常工作时，时刻检测两段母线的电压值，设一段母线正极对地电压的 绝对值为i u 。+ | ，负极对地电压的绝对值为l u 。l 。当发现( i u 。+ i + l u 。一i ) ( 1 + 3 0 ) x 2 2 0 v 时， 判定为母线过压；当发现( 1 u ，+ 1 + f u 。i ) - - - ( 1 3 0 ) x 2 2 0 v 时，判定为母线欠压；当发现 i i u ，+ h u 。1 1 - = “h c 0 0 0 ) ( a d d r e s s ( = “h f f f f ) ( p a g e ；0 ) ( j p s e n ) ； g e n e r a t ea c t i v eh i g hc h i ps e l e c tf o rt h ep s dc o n t r o lr e g i s t e r s 2 5 6c o n t i g u o u sb y t e s m u s tb ed e c o d e df o ra 1 1p s d 8 x xd e v i c e s c s i o p= ( a d d r e s s = “h 0 9 0 0 ) ( a d d r e s s ( = “h 0 9 f f ) ( ! p d 2i s ) ； e n a b l et h ej t a gp o r tw h e nt h ej t a gc h i pe n a b l e j c e n ) s i g n a li sa c t i v e j t a g s e i = ! j c e n j p c 2x i n t l = p c ir x r d y p c 0t x r d y j ! p c 6d r a mc e = ( a d d r e s s = “h 8 0 0 0 ) ( a d d r e s s - “h f d 0 0 ) ( a d d r e s s = “h f c 0 0 ) ( a d d r e s s 2 5 v 之前，r s t 必须为逻 辑0 。此外，当把r s t 驱动至逻辑1 的状态时，s c l k 必须为逻辑0 。 五、d $ 1 3 0 2 的数据输入 跟随在输入写命令字节的8 个s c l k 周期之后，在下8 个s c l k 周期的上升沿 输入数据字节。如果有额外的s c l k 周期，它们将被忽略。数据从位0 开始输入。 。r r r 几r 几r 几n 几r 几r r 几厂- 丽厂 o123 57 口 1245 7 m 丑卫卫卫至匝匝 工工工工 卜 地址指令数据输入，输出 图3 - 8 数据传送的时序图 六、d s l 3 0 2 的数据输出 跟随在输入读命令字节的8 个s c l k 周期之后，在下8 个s c l k 周期的下降沿 输出数据字节。注意，被传送的第一个数据位发生在写命令字节的最后一位之后的 第一个下降沿。只要r s t 保持为高电平，如果有额外的s c l k 周期，将重新发送数 据字节。这一操作使之具有连续的多字节方式的读能力。另外，在s c l k 的每一上 升沿，i o 引脚为三态。数据从位0 开始输出。 七、d $ 1 3 0 2 的多字节方式 通过对地址3 1 寻址( 地址命令位l 至5 = 逻辑1 ) ，可以把时钟r a m 寄存器规定 为多字节( b u r s t ) 方式。如前所述，位6 规定时钟或r a m 而位o 规定读或写。在 时钟日历寄存器中的地址9 至3 1 或r a m 寄存器中的地址3 1 不能存储数据。在多 字节方式中读或写从地址0 的位0 开始。当以多字节方式写时钟寄存器时，必须按 数据传送的次序写最先8 个寄存器。当以多字节方式写r a m 时，为传送数据不必 写所有3 1 个字节。不管是否写了全部3 1 个字节，所写的每一字节都将传送至r a m 。 南京航空航天人学硕十学忙论文 八、d s l 3 0 2 的r 历时钟 一一 m j “ h i j _ j 二 二 二j 二二园 二 三 三工三【互 二园 一一e j 三工三工三 二 二臣目 一僵 二 互 互工三工三 二 二 夏嗣 一一 三= 工三工三 二 二二i ! 蜀 臣工三e 1 三 j 工盈 二 三 三工三工二丁二 二 芝蜀 t 二 二 三工= 工二 二卫里蜀 。j = 三1 三工二 丑二丁三二e ! 蜀 i # e 二 二丁二工= 工二 二e ! 弱 二【二工三 二 二二 三工三 圈 一e 二1 = 工二 二e 三团 j 工二 二1 = 工二园 一- l 兰l ! ! ! l 三三二二 一 二三互二工二二j 五 躺：匿口二 噩五五 二= j ”弱；l ! ! 工三三三 二二三三二 一，一 三丁三工矿【二二三三二 r 三工三 三j ! i 三一l 三二二 一 二三三三二二 二二三三 匹习二 三 _ 三工三工三 二 口 e 丑三三王三正王巨丑三圈 二 二 二工二工二1 二 二 二 i 。 二_ 二 二1 二工二 二 图3 - 9d s l 3 0 2 的寄存器地址定义 如图3 - 9 所示，时钟同历包含在7 个日历时钟信息寄存器内，每个寄存器为8 位，分别存储从秒、分、小时、日、月、天到年的信息。可以对这些寄存器进行读 写操作。读操作用于读出当时的时阳j 信息，写操作用于更新、修改保存的r 历时钟 信息。包含在时钟日历寄存器内的数据是二十进甫i j ( b c d ) 码。 九、d s l 3 0 2 的时钟暂停位 秒寄存器( s e c ) 的位7 定义为时钟暂停位，当设置为逻辑1 时，时钟振荡器停止， d s l 3 0 2 被置入低功率的备份方式，其电源消耗小于1 0 0 毫微安，当设为逻辑0 时， 时钟将启动。 十、d s l 3 0 2 的a m p m 1 2 - 2 4 方式 小时寄存器( h r ) 的位7 定义为1 2 或2 4 小时方式选择位。当它为高电平时，选 择1 2 小时方式。在1 2 小时方式下，位5 是a m p m 位，此位为逻辑高电平表示p m 。 在2 4 小时方式下，位5 是第2 个1 0 小时位( 2 0 2 3 时) 。 十一、d s l 3 0 2 的写保护寄存器 写保护寄存器( c o n t r o l ) 的位7 是写保护位。丌始7 位f 位0 6 ) 置为零，在读 操作时总是读出零。在对时钟或r a m 进行写操作之前，位7 必须为零。当它为高 电平时，写保护位防止对任何其它寄存器进行写操作。 十二、d s l 3 0 2 的慢速充电寄存器 慢速充电寄存器( t r i c k l ec h a r g e r ) 控制d s l 3 0 2 的慢速充电特性，图3 1 0 的简化电路表示其基本组成。慢速充电选择位( t c s ) ( 位4 7 ) 控制慢速充电器的选择， 为防止偶然因素使之工作，只有1 0 1 0 模式才能使慢速充电器工作，所有其它模式将 直流供电系统在线监测装置的研制 禁止慢速充电器。d s l 3 0 2 上电时，慢速充电器被禁止。二极管选择位( d s ) ( 位2 _ 3 ) 选择是一个二极管还是两个二极管连接在v c c 2 与v c c l 之间，如d s 为0 1 ，选择一 个二极管；如d s 为1 0 ，选择两个二极管；如d s 为0 0 或1 1 ，则充电器被禁止，与 t c s 无关。r s 位( 位0 - 1 ) 选择连接在v c c 2 与v c c i 之间的电阻，其选择方式如下： r s 何 电阻器典喇值 0 0 无无 0 1r 12 k n 1 0 1 1 2 4 k q 1 1r 3 8 k q 如果r s 为0 0 ，充电器被禁止，与t c s 无关。 _ 一m l t i r t d 图3 1 0d s l 3 0 2 的可编程慢速充电器 二极管和电阻的选择由用户根据电池或超容量电容充电所需的最大电流决定。 最大充电电流可按以下说明进行计算，假定5 v 系统电源加到v c c 2 而超容量电容接 至v c c l ，再假设慢速充电器工作时，在v c c 2 和v c c l 之间接有一个二极管和电阻r l 。 因而最大电流可计算如下： i m a x = ( 5 0 v 一二极管压降) r 1 兰( 5 o v 一0 7 v ) 2 k q 兰2 2 m a 显而易见，当超容量电容充电时，v e t 2 和v c c l 之间的电压减少，因而充电电 流将会减小。根据本系统的需要，设计慢速充电器工作时在v c c 2 和v c c l 之间接有 一个二极管和电阻r l 。 十三、d s l 3 0 2 的时钟日历多字节方式 时钟同历命令字节可规定为多字节( b u r s t ) t 作方式。在此方式下，最先8 个 时钟日历寄存器可从地址o 的第0 位丌始连续读或写。 当指定写时钟同历的多字节方式时，如果写保护位设置为高电平，那么没有数 据会传送到8 个时$ - q r 历寄存器( 包含控制寄存器) 的任一个。在多字节方式下，慢 速充电器是不可访问的。 十四、d s l 3 0 2 的r a m 以及r a m 多字节方式 静态r a m 是r a m 地址空间中顺序寻址的3 1 8 字节。 r a m 命令字节可规定多字节工作方式。在此方式下，可以从地址0 的第0 位开 始顺序读或写3 1r a m 寄存器。 南京航空航大大学硕士学位论文 十五、d s l 3 0 2 的晶振选择 3 2 7 6 8 k h z 的晶振可通过引脚2 和3 ( x i ，x 2 ) 直接连接至d s l 3 0 2 。所选用晶振 规定的负载电容量( c 。) 应当为6 p r o 十六、d s l 3 0 2 的电源控制 v c c l 在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。v c c 2 在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中v c c i 连接到备份电源，以便在没有 主电源的情况下能保存时间信息以及数据。d s l 3 0 2 由v c c l 或v e t 2 两者中较大者 供电。当v c c 2 大于v c c l + 0 2 v 时，v c c 2 给d s l 3 0 2 供电。当v c c 2 小于v c c l 时， d s l 3 0 2 由v c c l 供电。 图3 - i id s l 3 0 2 时钟接口电路 d s l 3 0 2 实时时钟接口设计如图3 - 1 1 所示。d s p 和p s d 只需接入串行时钟线 s c l k 、复位线r s t 、串行数据传送线i o 即可。在对d s l 3 0 2 进行读写操作时必须 注意：1 、日历时钟的数据传送只能通过单根i o 数据线进行，因此读，写数据必须以 串行方式进行，从最低位开始。2 、为了对日历时钟进行读写，必须首先对日历时 钟进行初始化，包括开写保护，电阻、二极管等慢速充电寄存器设置，启动时钟。 3 1 7d s p 硬件设计中的时序配合 d s p 的高速度给硬件设计增加了诸多麻烦，使d s p 与外围器件之间的时序配合 显得极为重要。许多硬件在逻辑上是正确的，但由于d s p 的速度很快，几纳秒的门 延迟，几十纳秒的释放时间若不加以考虑，都可能造成时序无法匹配，而使系统不 稳定或根本无法工作。基于这一原因，我们考虑使用专为电机控制设计的商集成度 的t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，以提高系统工作可靠性。f 2 4 0 虽然内部集成了诸如a d 、s c i 、s p i 、 p w m 生成器等大量功能部件，但在许多具体设计中，必要的外围器件仍必不可少， 如显示模块、外部程序、数据存储器。在这些硬件设计中，元件之间的时序匹配非 常重要，这里以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为例，说明时序配合中应加以注意的几个问题。 一、数据释放时间t 。 外设在片选信号失效后，由于电容作用信号线上原有的数据还将保留一段时间， 这段时间称为数据释放时间。由于f 2 4 0 速度很快，读完一个外设再读另一个，残留 数据会对系统产生危害。 f 2 4 0 允许t d 。2 6 n s ，对于数据释放时间超过此值的外设不能直接挂在数据总 工舀矗 直流供电系统在线监测装置的研制 线上，而要通过总线收发器隔离，其总线收发器的数据释放时间，i d h 一般为2 5 n s 可避免冲突发生。以f 2 4 0 外部程序数据存储器c y 7 c 1 9 9 1 5 与f 2 4 0 接口为例。 图3 1 2 程序数据存储器c y 7 c 1 9 9 1 5 的读时序 由c y t c l 9 9 - 1 5 读操作时序图3 1 2 可知，当地址信号加到c y 7 c 1 9 9 1 5 引脚t a a 的时间后，c y 7 c 1 9 9 1 5 将在数据引脚d 。d ，上输出稳定有效的数据信号。t h z c e 是 片选信号无效后读出的数据信号在数据引脚上由于输出电容作用而持续的时间，即 c y 7 c 1 9 9 1 5 的数据释放时间。对于c y 7 c 1 9 9 1 5 各参数如下：t a a = 1 5 n s 、t h z c e = 7 n s 。 a = = = = ) k = = = ：= = = = = = = = = = 日目b 弋i 一，_ 。 = = 彝= 璺圄叵窭匹e = t 严1 0 n 图3 - 1 3t m s 3 2 0 f 2 4 0 主总线读时序 f 2 4 0 读时序如图3 1 3 所示。由f 2 4 0 读时序图知在a 送出有效地址后经t a 必 须要求存储器送出数据且稳定地出现在f 2 4 0 主总线的数据脚上。根据f 2 4 0 的手册 提供参数t a = 1 8 n s ，结合c y 7 c 1 9 9 1 5 读操作时序知，在不插等待周期情况下即满足 f 2 4 0 时序要求，因此c y 7 c 1 9 9 1 5 与f 2 4 0 的配合可使微处理器全速运行。 图3 1 4t m s 3 2 0 f 2 4 0 主总线写时序 这里应强调，c y 7 c 1 9 9 是t i 推荐的高速s r a m 选型，而c y 7 c 1 9 9 的类型很多， 存储时间从8 n s 到4 5 n s 不等，而要求与f 2 4 0 配合使处理器零等待全速运行的s r a m 类型存储时间必须低于18 n s 。 由图3 1 4 分析t m s 3 2 0 f 2 4 0 主总线写操作时序知，若存贮器的数据释放时间 t h z c e 大于f 2 4 0 的数据释放时间t o 。( 2 6 n s ) ，则前一读操作信号将会与后一写操作 的数据信号发生总线冲突，使处理器运行不正常。因此在设计选择外围存贮器时必 须注意这一问题，这里由于c y 7 c 1 9 9 1 5 的数据释放时间t h z c e 为7 n s ，低于f 2 4 0 2 4 南京航空航天人学硕士学位论文 的数据释放时间2 6 n s ，所以不存在上述问题。f 2 4 0 可与c y 7 c 1 9 9 1 5 数据引脚直接 相连。具体连接在本章的3 1 3 节“d s p 外部存储器扩展的设计”中已讲过。 二、读时序 根据f 2 4 0 读时序要求，在f 2 4 0 管脚w r 、i s 、d s 、p s 有效最多等待1 8 n s ， 外设数据必须稳定出现在f 2 4 0 的数据总线上，这其中包括信号传送中全部门延迟时 间。所以，我们归纳计算插入等待周期个数步骤如下： ( 1 ) 根据外设读时序操作图，计算外设从片选有效至输出数据稳定的时间t ； ( 2 ) 根据f 2 4 0 片选信号产生所经过的逻辑门，计算从w r 、r w 、i s 有效到外设 片选有效的延迟时间t ，； ( 3 ) 若外设与f 2 4 0 之间有总线收发器，还应加上总线收发器延迟时间t 3 ； ( 4 ) 根据t a = t l + t 2 + t 3 选择适合的等待周期数。 因此在地址译码，片选，读写信号生成电路应选高速器件，以满足要求。这里 以可编程通讯接口8 2 5 1 与f 2 4 0 的接口为例。 r x r d y 数据输出( d 酌 c ：；( 或c d ) 图3 1 58 2 5 1 的读时序图 8 2 5 1 的读时序如图3 - 1 5 所示，r x r d y 是接收器准备好信号，该输出信号表示 8 2 5 1 存有一个准备好要输入到c p u 的字符，从读有效到r x r d y 信号清除需t r 。 为2 6 n s 。c d 是控制，数据端，该输入端与，w r 和，r d 输入端结合起来通知8 2 5 1 在 数据总线上的字是数据字符、控制字还是状态字。c d = 1 ，为控制状态；c d = 0 ， 为数据。在读数据周期，从该信号有效到读信号有效需t 。最小为0 。当8 2 5 1 数据 接收准备好时，8 2 5 1 的r x r d y 引脚有效，为高电平，触发f 2 4 0 中断i n t l ，读取 8 2 5 1 的并口数据，地址位将面+ 艺i 拉低( 读使能) 。其读出时间由时序图3 一1 6 可知， f 。+ f 。( 从读信号r d 有效到数据延时+ 在读之前的地址或片选时间稳定) = 2 0 0 n s ，由 上述等待周期计算可知t 1 ( 8 2 5 1 的读出时间2 0 0 n s ) + t 2 ( 从f 2 4 0 片选有效到8 2 5 1 片选 有效所经过7 4 h c 2 4 4 传输延时1 8 n s ) + t 3 ( 7 4 h c 2 4 5 总线收发器传输延时9 n s ) = 2 2 7 n s 。 所以当f 2 4 0 工作于5 m 时，只需插入一个等待周期就可满足f 2 4 0 的读操作要求。 这部分工作无需通过硬件电路实现，因为f 2 4 0 可通过软件插入一个等待周期。 在第一部分已提到，为避免数据冲突，外设的数据释放时间t d 。不能超过：2 4 0 2 s 直流供电系统在线监测装置的研制 的数据释放时间。因为c p u 读完8 2 5 1 的数据后，8 2 5 1 的数据总线先浮空，然后片 选再拉高，也就是说8 2 5 1 的数据释放时间t d h 为负。所以8 2 5 1 的数据引脚d 。d ， 可以与扩展总线的数据引脚直接相连，可避免数据冲突的发生。具体的硬件方案还 将在本章后面3 3 2 节的“与上位机通信的接口设计”部分有详细介绍。 三、写时序 写时序配合主要是根据外设要求信号有效电平持续时间的长短，插入等待周期， 调整片选、写信号与数据有效问的时序关系。一般要求某信号保持有效达规定的 时问，须针对不同的外设进行不同的处理。 图3 - 1 6l c d 的写时序图 这罩以l c d 液晶显示模块f m 2 4 0 1 2 8 a 与f 2 4 0 的接口为例说明，图3 1 6 为l c d 的写操作时序图，各参数如下：t c d s = l o o n s ，t c d h = 1 0 n s ，t c e = t w r = 8 0 n s ，t d s = 8 0 n s ， t d h = 4 0 n s 。当f 2 4 0 的系统时钟工作于5 m 时，刚w 可持续低电平2 0 0 n s ，若f 2 4 0 不 插入等待周期，也完全满足其脉宽要求的有效电平。 此外由l c d 的时序图知其数据释放时间t 5 = 1 0 n s ，低于f 2 4 0 的数据释放时问 2 6 n s ，因此液晶显示模块的数据引脚能与扩展总线的数据引脚直接相连。具体的硬 件方案将在本章后面3 4 1 节“液晶显示器f m 2 4 0 1 2 8 a 的性能与接口”中详细介绍。 通过对l c d 操作时序分析可知，无需插入等待周期即可完成液晶显示器与f 2 4 0 的时序匹配。当f 2 4 0 无法提供满足其脉宽要求的有效电平时，需要插入等待周期， 而实现的方法可通过对f 2 4 0 总线操作控制寄存器进行编程完成，也可通过在控制电 路中设置等待周期的逻辑电路来完成。通过软件编程操作，插入一个等待周期2 0 0 n s ， f 2 4 0 的w r 、i s 信号有效脉宽变为4 0 0 n s 。若此时还不能实现时序匹配，即需插入 一个以上的软件等待周期，而f 2 4 0 通过软件最多只能插入一个等待周期( t m s 3 2 0 c 3 x 最多可插入7 个等待周期) ，那么f 2 4 0 无法单独依靠软件编程来解决，可考虑加入 硬件延时等待来满足其时序要求。比如，可以通过7 4 h c l 2 3 单稳态触发器捕获其下 跳沿产生2 5 0 n s 脉宽的低电平，并将其接到f 2 4 0 的r e a d y 端口，满足时序要求。 3 2 检测板的硬件实现 南京航空航大人学硕十学何论文 3 2 1 选线电路的设计 因装置要求检测两段母线的四路直流母线电压，分别为一段母线电压u 。u ，一 和二段母线电压u ，+ 、u ，需要选择当前采样检测的是哪! 路电压信号，为此专门 设计了用于检测选线的功能模块。因为d s p 内部集成的a d 转换模块可同时实现两 组通道的两路模拟信号的转换，故须设计时考虑可同时选通一路或两路模拟信号。 检测板的选线电路硬件实现如图3 一1 7 所示。 图3 - 1 7 选线电路的便什实现 由图3 1 7 可知，输入的两段母线四路被检测模拟信号分别是x d c i + 、x d c l 一、 x d c 2 + 、x d c 2 一和参考地f g 。装置设计成两级选线，第一级选线由小型直流密封 电磁继电器j z x 2 9 m 完成，而第二级选线由直流固体继电器j g x 1 f a 实现。 小型直流密封电磁继电器j z x 2 9 m ，是一种由弱电控制转换为强电控制的出口 中间继电器，其灵敏度高，接触电阻小，吸合时问和释放时间都很短，可当作理想 的双刀闸刀使用。当未通电时，该继电器的6 脚与2 脚常闭，3 脚与7 脚常闭；当 该继电器的5 脚加电压+ 1 2 v ，4 脚输入控制信号低电平时，原两对常闭端打开，变 为6 脚与l 脚闭合，3 脚与8 脚闭合。 直流固体继电器j g x 1 f a 具有一组常开触点，最大负载电流l 安培，内部设有 r c 吸收网络，线路板式焊接装配使用方便，零电压丌启，零电流关断，输入与输出 采用光隔离技术，高抗干扰技术，高绝缘电阻，能够方便地与装置的数字电路接口。 其l 脚与2 脚是一组输入电源端，3 脚和4 脚是组常丌触点。令1 脚为+ 1 2 v 电源 2 7 直流供电系统在线监测装置的研制 输入端，2 脚是控制信号输入端。当2 脚输入控制信号为低电平时，3 脚与4 脚接通。 在检测选线模块中，被测信号的选择由6 个控制信号确定，这6 个控制信号由 d s p 的i o p c 口提供，并通过7 4 h c 3 7 3 进行信号锁存，其中7 4 h c 3 7 3 的锁存控制 信号端c 由d s p 的i o p b 0 提供。由于小型直流密封电磁继电器和直流固体继电器 的输入控制电压都是+ 1 2 v ，而d s p 的i o p c 口经锁存后的是t t l 电平，所以经 7 4 h c 3 7 3 锁存输出的控制信号不能直接控制这两种继电器，而需再通过一个1 2 v 驱 动的反向器爿能控制这些继电器。在本装置中，1 2 v 驱动的反向器选用u l n 2 0 0 4 。 由图3 1 7 可知，上述6 个控制信号中的两个用来控制小型直流密封电磁继电器 j z x 2 9 m ，是第一级选线。其中反向器u l n 2 0 0 4 的1 l 脚控制j z x 2 9 m ( u 2 3 ) ，用于 选通二段母线的x d c 2 + 和x d c 2 一；反向器u l n 2 0 0 4 的1 2 脚控制j z x 一2 9 m ( u 2 4 ) ， 用于选通一段母线的x d c i + 和x d c i 一。6 个控制信号中的另外4 个用来控制直流固 体继电器j g x i f a ，是第二级选线。其中反向器u l n 2 0 0 4 的1 3 脚控制j g x 1 f a ( u 2 1 ) ，用于二级选通x d c 2 一；反向器u l n 2 0 0 4 的1 4 脚控制j g x 一1 f a ( u 2 2 ) ， 用于二级选通x d c 2 + ：反向器u l n 2 0 0 4 的1 5 脚控制j g x l f a ( u 1 9 ) ，用于二级选 通x d c l 一；反向器u l n 2 0 0 4 的1 6 脚控制j g x 一1 f a ( u 2 0 ) ，用于二级选通x d c ! + 。 3 2 2 被测信号前端处理的设计 装置检测的母线正、负对地电压值j 下常时为+ 11 0 v 和一1 1 0 v ，由于被测的母线 电压值大大超出了主c p u 的测量范围0 5 v ，所以被测信号在进入d s p 之前要做一 定的降幅处理，主要是防止过压