（电力系统及其自动化专业论文）厂站数据接入pi系统的研究.pdf

塑坚- 大兰堡圭兰些堡塞 t h es t u d yo ni n t e g r a t i n gs u b s t a t i o nq u a s i r e a lt i m ed a t ai n t op is y s t e m a b s t r a c t i no r d e rt of a c i l i t a t ed a t a - p r o c e s s i n gw i t hc o m p u t e r , t h ef i r s ts t e pi np o w e r s y s t e mi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ni st oc o n v e r ts u b s t a t i o no p e r m i o np a r a m e t e r si n t o d i g i t a ls i g n a l s ok i n d so fi n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ( i e d ) o r ei n w o d u c e di n t ot h e s u b s t a t i o n n o wt h e s ei e dc a np r o v i d ev a r i o u sd a t af o rp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n ，a n d p o s s e s st h ea b i l i t yt ot r a n s m i s s i o nt h e i rd a t at ot h er e m o t ec o n t r o lc e n t e r h o w ee v e r , al o r g en u m b e ro fi e dd a t ac a nn o tb eu s e de m c i e n t l y ，t h a ti st h es o c a l l e d “i s l a n d o fh l f o r m a t i o n ”p r o b l e m t h e r eo r em a i n l yt w of a c t o r sr e s u l t i n gi ot h ei n f o r m a t i o n w a s t e ：t h ea b s e n c eo fd a t a b a s ew h i c hc a ns t o r ea l lt h es u b s t a t i o nd a t am a k e s d a t a s h a r i n gd i f f i c u l t ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h ev a r i e t yo fp r o t o c o l sw h i c hi e dc o n f o r m t oc o m p l e xt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m t h eu s eo fp l a n ti n f o r m a t i o n ( p 1 ) s y s t e mi n p o w e rs y s t e me l i m i n a t e st h ef i r s tf a c t o lt h a ti s t h ep is y s t e ma c t sa sau n i f i e dd a t a i n t e g r a t i o np l a t f o r mh o l d i n ga l ls u b s t a t i o nd a t a t l l i sp a p e ri st ob r i d g i n gl e da n d t h ep is y s t e m t h es e a m l e s sc o m m u n i c a t i o no fp o w e rs y s t e mi sb a s e do nt h ei e c 6 18 5 0s t a n d o r di nt h ef u t u r e s oo u rs u b s t a t i o nd a t a - a c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e dt o a b i d ei e c6 18 5 0a n db a s e do nc o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( c i m ) t h ew h o l e s y s t e mc o n s i s t so fs e v e r n ls l a v es t a t i o n si n s t a l l e di ns u b s t a t i o n sa n dam a s t e rs t a t i o n l o c a t e di nc o n t r o lc e n t e ln es l a v es t a t i o n p e r f o r m sd a t a - a c q u i s i t i o n & m o d e l - t r a n s l a t i o nf u n c t i o n t h em a s t e rs t a t i o nm a n a g e sa l ls l a v es t a t i o n sa n dp a s s e s i e dd a t ai n t op is y s t e m t h es u b s t a t i o nd a t a - a c q u i s i t i o ns y s t e mn o to n l yh a s t r a d i t i o n a ld a t aa c q u i s i t i o na n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n s ，b u ta l s os a t i s f i e s d a t a i n t e g r i t ya n dr e a l - t i m er e q u i r e m e n t si np o w e rs y s t e mi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n k e y w o r d s ： d a t aa c q u i s i t i o n ；e m b e d d e ds y s t e m ；r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ；q u a s ir e a l t i m ei n f o r m a t i o n ；i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e s ；p l a n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ； i e c 6 18 5 0 ；c o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ； 浙江大学硕上毕业论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 电力系统是一个动态性很强的系统，电能从生产到消耗应时刻保持平衡。 同时，在电力生产过程中还要考虑电能质量、电网安全等多方面的因素。实现 以上控制的前提是必须充分了解电力系统当前的运行状态，需要对现场的运行 数据进行监视。 数据采集与监控系统( s c a d a ) 在电力系统中应用最为广泛，技术发展也 最为成熟，它充当了电力系统自动化的实时数据源，为电力系统的运行与控制 提供了大量的实时数据。就目前的情况来看，s c a d a 系统的数据采集和监视 功能是非常强大的，已经能够提供绝大多数运行数据。但其存储实时历史数据 的能力还相对欠缺，表现在：s c a d a 的实时数据库具有专用性，一般由各个 厂商独立开发，其数据模型和访问接口是非标准的，限制了整个系统的开放性 和互操作性；s c a d a 的历史数据处理能力是有限的，不能进行历史数据的长 期在线保存。随着电网规模的不断扩大，这种矛盾会更加突出。弱化s c a d a 系统的数据存储功能，在s c a d a 系统之外再建立一个标准的实时数据平台就 成为信息集成的一种趋势。 p i 系统( p l a n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是由o s l s o f l 公司开发的商用实时数据库 平台，属于专用内核数据库，在响应速度、可靠性、容量等方面具有良好的性 能，适用于电力系统中的实时信息集成【l l 。p i 采用了旋转门压缩技术和二次过 滤技术，有效地提高了历史数据的存储效率。由于采用了索引技术，其访问历 史数据的速度也是相当快的。目前，浙江省电力公司正在利用p 1 实时数据库平 台，建设全电网的实时数据仓库，对电网变电设备的运行数据进行集中数据存 贮，为实时运行分析和高级应用提供强大的、统一的数据基础。 建立统一的实时数据平台，第一阶段是要集成电网的运行数据。这类数据 具有较强的实时性，一般是通过s a c d a 系统直接导入p i 系统。随着应用的深 入，还需要考虑将变电站内的安全保障、设备监视、电源等辅助系统的数据送 入p i 系统。这类信息具有准实时特征，即在一般情况下无须实时地反映到调度 浙江人学硕士毕业论文 控制中心；在设备异常或故障的情况下，需要在第一时间将这些信息报告到上 级调度中心。目前，变电站内的准实时信息一部分是在电站内进行处理的，而 不传送到远方控制中心：还有一部分是按照专业进行传送和处理的，信息孤岛 现象比较严重。p i 数据平台的建立要求将各个专业的信息进行集中的存储，供 相关专业交互使用，为此考虑在厂站端与远方调度中心之问建立除s c a d a 系 统之外的另一个数据通道。根据工程现状和技术发展，浙江大学和杭州升源科 技公司联合开展了“厂站数据接入p i 系统项目”，本毕业设计课题正是源于该项 目。 1 2 本文的内容安排 本文各章节主要内容包括： 第一章简要介绍了课题背景和课题所研究的内容。 第二章从信息统一形式、与p i 系统接口、系统安全等方面进行了方案讨论， 在此基础上将数据采集系统确定为“主站+ 子站”的结构框架，分析了主站 和子站的功能，并提出了初步的设计方案。 第三章进行信息采集子站的结构设计，将其确定为“数据服务板+ 数据采集板” 的母板结构，并分析了各部分的硬件需求。在此基础之上详细设计了数 据采集板和数据服务板的硬件电路。 第四章介绍了实时操作系统的基本概念，之后进行了操作系统的选型。经过比 较，选择嵌入式实时操作系统v x w o r k s 作为数据服务板和数据采集板的 操作系统，并完成了板级支持包b s p 的移植。 第五章对信息采集子站的上层应用软件的进行了初步设计，确定了各软件模块 的功能。 第六章结论 浙江大学硕士毕业论文 第二章厂站数据接入p i 系统的方案分析 将厂站端的i e d 设备的信息接入调度中心的p i 系统是一个数据导出和导入 的过程，在此过程中必然要和厂站端的l e d 设备、调度中心的p i 数据库打交道， 因此不可避免地要涉及到两种系统的数据模型和数据接口。 2 1 厂站l e d 装置的信息统一 2 1 1 信息统一的必要性和途径 电力系统信息化建设的第一步要求是将反映系统运行的各种参数转化为数 字量，以便利用计算机技术进行处理，为此在电力系统厂站端设置了大量的智 能设备( 1 e d ) 。这些l e d 设备已经可以采集到丰富的运行数据，同时能够利 用自身的远动通讯能力将数据传输到远方。以光纤技术和以太网技术为核心的 电力系统数据网的发展，为电力系统厂站端l e d 的联网与信息交互提供了更为 高效的数据通道，从这一角度上讲，厂站端的各种信息是完全可以被远方调度 中心利用的。目前存在的主要问题是：厂站端的各种i e d 往往采用独立运行或 独立组网方式，所使用的通讯接口和远动规约各不相同，这就阻碍了信息的远 传和共享，形成信息孤岛，造成了i e d 设备资源和数据资源的浪费。 图2 1 信息孤岛问题的产生和解决 产生信息孤岛问题的根源在于缺少一个统一的标准，各个系统按照不同的 方式对数据进行描述，即采用不同的数据模型。由于数据交换过程中，通讯双 方必须采用相同的数据模型，当只有两个系统进行信息交换时，只需进行一次 模型变换即可；若同时有多个系统需要进行数据交换时，情况将变得非常复杂， 如图2 1 ( a ) 所示，在缺少统一数据模型的情况下，需要进行多次数据模型转 浙江人学硕士毕业论文 化工作，这必然造成重复开发，阻碍了异构系统间的信息共享，产生了信息孤 岛问题。 随着电力系统信息化的深入，厂站端的l e d 设备作为一种数据资源，已经 引起了广泛的重视，如何对厂站端的l e d 进行集成，实现信息的无缝对接与交 换，也成为电力行业中急待解决的一个问题。解决信息孤岛问题的关键是：制 定一种标准，各种系统均向该标准靠拢，如图2 1 ( b ) 所示。为此，国际上的 多个标准组织都在为电力系统信息化制订相关标准。国际电工委员会( i e c ) 在 i s o 、i e e e 的基础上，针对电力行业的特点，提出了大量基于光纤技术和以太 网技术的电力系统信息建模与信息交互的标准。i e c6 1 8 5 0 是i e c 第5 7 技术委 员会( t c 5 7 ) 制定的变电站通信网络和系统系列标准，是目前基于网络通 信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，也将成为各国电力行业相关标准的 基础【2 1 。 图2 21 e c6 1 8 5 0 对数据的描述 i e c6 1 8 5 0 采用自上向下的方式对变电站自动化系统进行分层、功能定义和 对象建模，并对一致性检测进行了详细的定义1 3 l 。其主要特点是： ( 1 ) 对于信息均采用面向对象的自我描述方法，将数据与数据的自我描述 结合起来进行传输【3 】。如图2 2 所示，在得到一个数据的同时也得到了数据的物 理含义。该方式隐藏了数据的存储细节，可实现自动化系统的自动配置甚至于 实现“即插即用”，增加了上层应用软件的可重用性。 ( 2 ) 采用面向对象的方法对整个电力系统进行统一建模，定义了完整的数 据对象和逻辑节点、逻辑设备，同时定义了访问数据对象的标准方法，增强了 异构系统之间的互操作性。 ( 3 ) 采用抽象通讯服务接口，与网络的应用层协议相独立，与采用的网络 无关【4 】。随着网络技术的不断发展，必然会出现更符合电力系统生产特点的多 种类型的网络，1 e c 6 1 8 5 0 采用抽象通讯服务接口，能够适应将来网络的变化。 浙江人学硕上毕业论文 i e c6 1 8 5 0 标准不仅适用于厂站内l e d 的通信，同时也适用于j 一站和控制中 心之间的通信，是目前全世界唯一的变电站网络通信标准。 2 1 2 厂站l e d 信息统一方式的选择 新一代的数据采集系统遵守i e c 6 1 8 5 0 标准已经成为电力系统信息集成的发 展趋势【3 1 ，匿此我们基于i e c 6 1 8 5 0 设计厂站数据采集系统，即：首先将i e d 数 据统- - ni e c 6 1 8 5 0 标准上，再将标准模型下的数据导入p l 实时数据库系统。 一般来说，对厂站内部l e d 设备进行数据统一主要有两种方案： ( 1 ) 在电网调度中心实现信息规约和传输规约的统一； ( 2 ) 在厂站内部实现信息规约和传输规约的统一； a 至电所b 贾电所 图2 3 在电网调度中心实现信息规约和传输规约的统一 第一种方案如图2 3 所示，是在厂站内加装多串口通信服务器或网络交换 机，实现远方调度中心与智能装置之间的点对多点的信息传输，信息规约和传 输规约的统一工作主要是由电网的调度中心完成的，而厂站内的数据处理任务 相对较轻。此种方案具有易于实施的优点，实施工作主要集中在调度中心的规 约转换软件的开发上。现有的变电站内准实时系统多采用这种方案进行改造。 此种方案存在许多弊端，如： a ) 所有的信息规约和传输规约的统一工作都集中在调度中心的前置机中 实现，使得前置机的任务非常重。特别是随着l e d 数量的增多，这一问 题就越发严重，由此导致的直接后果是数据采集的实时性和可靠性变差。 丽丽 浙江大学硕上毕业论文 为了采集更多的l e d 数据，不得不增加前置机的软件规模，甚至增加前 置机的数量，这就大大增加了维护成本和设备投资。 b 1 调度中心和厂站端之间传送的不仅仅是装置的数据，还有大量的纠锚 信息、确认、装置对时等冗余数据，这就降低了网络的利用率，当厂站端 有录波器等数据量较大的设备接入时，容易引起整个信息网的拥塞。 c ) 出于调度中心一台前置机连接有一个或多个变电站内的所有l e d 设 备，对前置机进行维护时，所影响的范围较大，可能造成多个变电站的 l e d 信息的丢失。 d 1 不符合信息化建设分级分层的总体框架要求。 e ) 难以对单个变电站或单个l e d 设备设置数据安全隔离措施，整个通讯 过程存在安全隐患。 a 娈电所b 变电所 图2 4 在厂站内部实现信息规约和传输规约的统一 第二种方案如图2 4 所示，是在厂站内设置信息集成服务器，就地实现信息 规约和传输规约的统一，调度中心和厂站端之间只传送标准的i e d 数据。这种 方案具有明显的层次性，信息集成服务器向上层屏蔽了i e d 的具体特性，如： 通讯方式、规约的差异，减轻了电力信息网和调度中心的负担，使调度中心可 以将主要精力集中在信息处理上。该方案具有如下优点： a ) 信息规约和传输规约的统一工作被分散在各个厂站，每个厂站所要完 成的数据处理任务都是比较小的，因此可以利用性能一般的处理器来完成 转换工作。相对于集中式规约转化来讲，分布式规约转化方案更为经济。 b ) 调度中心和厂站端之间只传送l e d 所采集的数据，网络的利用率是比 _ 一丽丽 厂土蓍池一 浙江大学硕士毕业论文 较高的。此外，还可以根据网络的负荷情况对当厂站端的l e d 数据进行 缓冲，实现对调度中心和厂站端之间网络的流量控制。 c 1 信息集成服务器与l e d 装置之间的通信属于近距离通讯，其可靠率性 高于厂站与远方调度之间的以太网。当厂站与远方调度失去联系时，可以 先在厂站内部对准实时信息进行备份保存，从而保证了数据的完整性。 d 1 这种方式符合信息化建设分级分层的总体框架要求，可以很灵活地在 厂站端设置数据安全措施。 通过以上比较，我们不难发现第二种信息统一方案是比较优越的，其实质 是一种分布式规约转化，该方案将电网调度中心和厂站之间的功能划分得更加 明确了，厂站端向上提供标准的数据，调度中心将主要精力集中在对数据的发 掘和利用上。第二种方案实际上还决定了数据采集系统的体系结构为“主站+ 子 站”结构，这种结构与i e c 6 1 8 5 0 标准规约结合后，所构造的采集系统就可以具 有良好的开放性，能够实现不同厂家的数据采集主站和数据采集子站之问的无 缝互联。 2 2 嵌入式系统的引入 采用分布式规约转化方案后，很大一部分处理工作集中在厂站端，为此需 要在厂站端设置数据采集子站平台，主要有2 种实现方式：工控机和嵌入式系 统。 工控机即工业控制计算机，是一种通用的计算机系统，它是在普通计算机 系统的基础上强化了电磁兼容、防尘、抗冲击等方面的性能指标，能够适应工 业控制领域中恶劣的工作环境。一般的工控机只包含c p u 、内存、硬盘等常用 外设，为了满足不同的应用要求，还需要插装各种扩展板卡。工控机的数据处 理能力是很强的，为此通常是配置通用操作系统( 如：w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 等) ，以保证其c p u 资源能够得到最大限度的利用。 工控机的特点是基本上不需要进行硬件开发，只要编写应用程序即可。在 数据采集系统这个概念刚被提出时，人们自然而然就想到了利用工控机对现有 的厂站进行改造。实际上这种方案存在一些问题，主要体现在： a ) 由于厂站i e d 设备最常用通讯形式是串行口，而工控机的串口资源明 浙江大学硕十毕业论文 表2 1 = 控机与嵌入式系统的比较一续 工控机嵌入式系统 一般为通用操作系统，如w i n d o w s ， 采用实时操作系统，如v x w o r k s ， 软件平台软什系统庞大，具有较强的数据处 理能力，但这种处理能力是冗余的 所包含的软件功能非常精简 在工控机外部添加了各种接口装 置，增加了故障点和故障几率，缩 硬件是作为整体而设计的，各模块 短了平均无故障时问； 之间耦合非常紧密，可靠性很高； 通用操作系统容易受到网络病毒的 采用专片 的操作系统，不易受到网 攻击而导致软件失效，甚至于造成络病毒的影响； 可靠性 整个系统的崩溃； 运行的应用软件是确定的，且都是 运行较多的上层应用软件，各软件 由同一设计者开发的，在设计过程 是由不同开发人员设计的，因而各 中即已保证各个任务之间不存在干 个任务之间可能存在干扰，进一步扰，冈而软什的可靠性很高 增加了系统失效的概率： 操作系统基于时问片轮转法进行进 程调度，决定了系统处理外界事件 的时延粒度为一个时间片( 通常为 实时操作系统采用抢占式调度，保 几十毫秒) ，这样的实时性难以满证了高优先级的事件最先被处理； 实时性 足信息采集的要求； 以v x w o r k s 为例，其中断时延可以 工控机与外扩的接口转化装置之问 控制在几十微秒之内 属丁二松散耦台，进一步影响了数据 采集的实时性。 硬件上可以扩展多种接口板，软件 可扩展性 上可以添加各种应用程序，因而比 只适用于某一类应用，可扩展性差 较灵活，可扩展性好 开发周期短，且开发工作集中在应 研发周期较长，需要进行硬件和软 开发周期 用软件上，对人力和物力的要求比 件设计，对人力和物力提出了比较 较低 高的要求 放弃了不必要的软硬件功能，可以 成本较高 大幅度地降低成本和功耗 2 3 与p i 系统的接口方式的探讨 p i 实时数据库分为接口层、服务器层和应用层，接口机是连接数据源和p i 服务器的桥梁问。数据采集系统可以通过p i a p ! 和p - o p c 两种方式将数据送 入p i 系统，接口方式的不同主要体现在接口机上，如下图2 4 所示。图中只标 明了与数据接口相关的部分，而未表示例外测试、数据缓冲等环节。 浙江大学硕士毕业论文 如图2 5 所示，利用o p c 技术对现场设备及其驱动程序进行封装，形成 o p c 服务器。o p c 服务器向下通过设备的驱动程序采集设备的数据，同时响应 o p c 客户应用程序的数据访问请求。由于o p c 规范了接口函数，不管现场设 备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问它，从而保证了现场设备的具 体形态对客户的透明性，使得用户从设备驱动层的开发中解脱出来。 图2 6o p c 服务器的数据组织形式 o p c 服务器按照面向对象的方式对数据进行组织例，如图2 6 所示，包括 了o p c s e r v e r 对象、o p c g r o u p 对象和o p c - l t e m 对象，每类对象都向用户提 供了访问接口。当o p c 应用程序需要进行数据访问时，它首先连接o p cs e r v e r 对象，从中读取相关信息( 如：服务器的属性是什么、包含了哪些o p cg r o u p ) ， 然后得到所要访问的o p cg r o u p 。通过进一步访问o p cg r o u p 对象，o p c 应用 程序最终得到了o p ci t e m 。o p ci t e m 并非数据本身，而是指向数据的一个指针， 利用该指针可以完成实际的数据读写访问。由于o p c 服务器本身已经包含了足 够的配置信息，o p c 应用程序可以通过访问o p c 服务器实现动态配置，这就 提高了信息集成的灵活性和开放性。目前，o p c 规范制定了包括d a ( 实时数据 访问) 、h d a ( 历史数据访问) 、a e ( 事件与报警) 等在内的数据接口规范。o s i s o f t 公司是o p c 会员，其产品p i 数据库本身也已经提供了o p c 接口软件，其它系 统只需要针对o p c 标准开发服务器，就可以将数据导入p l 系统。 综上所述，将厂站数据采集系统与p i 系统的接口设计为o p c 接口具有很 多优势： 采用o p c 接口后，厂站数据采集系统还可以将数据送入p i 系统以外的其 它具有o p c 接口的数据仓库，这样一来数据采集系统的适用范围就更为广 泛了。 接口标准是已知的，我们只需为整个采集系统设计一套标准的o p c 服务 器接口。在设计厂站数据采集系统的软件时可以同时将o p c 接口的特性考 虑进去，使数据采集系统与o p c j i 务器有机地结合起来，提高数据访问的 效率。 浙江大学硕士毕业论文 第三章信息采集子站的硬件设计 根据前面对信息采集子站的功能分析，在这一章进行信息采集子站的硬件设 计。我们采取由上而下的设计方法，先确定系统的结构框架和硬件需求，再设计 具体的硬件电路。 3 1 装置结构的设计和功能细化 3 1 1 信息采集装置的整体框架 通过前面的分析讨论，我们已经将子站的功能确定为：采集i e d 设备的信 息，在本地进行规约解析和模型转化，通过i e c 6 1 8 5 0 或i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 协议将 i e d 数据传送到调度中心的采集主站。设计信息采集子站的硬件首先要考虑的一 个因素是与i e d 设备的接口。厂站端的l e d 具有如下特点： ( 1 ) 在不同的厂站里，i e d 的种类和数量是不同的； ( 2 ) 在同一个厂站内部，i e d 的种类和数量是相对确定，且在一定时期内 是不变的； 图3 1 信息集成子站的结构 嵌入式系统最大的特点是针对具体应用丽设计、软硬件的冗余度小，并以此 来实现低成本、高性能。在不同的厂站里，i e d 的种类和数量是不同的，而各种 i e d 所采取的通讯端口、通讯规约之间也存在较大的差异，造成了系统需求的不 确定性，这实际上与嵌入式系统的低冗余性相矛盾。为此我们将信息采集子站设 计为“采集板+ 服务板”结构，如图3 1 所示：采集板主要负责与1 e d 通讯，获取 与具体规约无关的装置数据；服务板处理来自采集板的i e d 数据，并完成数据 浙江大学硕士毕业论文 集成服务和数据上送；数据服务板和数据采集板之间采用多个点对点的串口通 讯。 这种结构实际上是将信息采集子站的功能分为数据采集和数据服务两个层 次，具有如下的优点：( 1 ) 针对不同的厂站，可以在数据服务板上配置不同的 采集板，增加信息采集子站的灵活性和广泛性；( 2 ) 由于数据采集板向数据服 务板屏蔽了i e d 的设备细节，对于数据服务板来说，所有的i e d 设备都具有相 同的结构和数据模型，在根据需要扩展采集板时，只需对数据服务板进行简单的 配置，而不必修改服务板应用程序；( 3 ) 数据采集板已经将l e d 数据模型进行 了统一，这在一定程度上简化了数据服务板的c i m 模型转换工作。( 4 ) 数据服 务板和数据采集板之间采用多个点对点的串口通讯，不存在采集板之间的数据拥 塞问题，同时还能很方便对数据数据流向进行限制。 3 1 2 功能划分和需求分析 数据服务板和数据采集板将予站的功能划分为两个层次：上面一层为i e d 的数据服务板，主要作用是接收数据采集层的送来的装置数据，按照c 曰v i 模型 进行转化，同时提供i e d 准实时信息的数据服务功能，包括：进行数据的本地 备份、向远方的信息采集上送数据、响应厂站自动化系统的数据查询请求；下面 一层为i e d 的数据采集板，主要实现对i e d 的通信与数据采集，得到与具体规 约无关的数据，同时对i e d 的状态进行维护。 数据服务板是数据采集予站的核心部分，实现了数据处理与转发，数据模 型转换，人机界面管理，通信管理等应用功能。数据服务板处理所有来自采集板 的数据，完成c “模型的转化，为保证整个系统的可用性和可靠性，服务板在 硬件设计上首先考虑的是c p u 的运算速度和处理能力。数据服务板的硬件需求 如表3 1 所示。 数据采集板主要实现i e d 的数据采集转发，完成i e d 数据采集、规约转换 与转发等功能，其硬件需求很大程度上取决于厂站端的i e d 设备。在硬件设计 上主要考虑的是通讯端口的种类和数量是否能满足厂站的需求，要尽量精简数据 采集板上的硬件资源，以降低成本，提高整套采集装置的灵活性，数据采集板的 硬件需求见表3 1 。在具体设计时，我们将数据采集板划分为高档、普通两个档 浙江大学硕上毕业论文 并将其授权给许多著名的半导体厂商。采用a r m 公司的i p 核生产的微处理器， 即我们通常所说的a r m 处理器，具有如下特性【1 0 州】： 占用的硅片尺寸小、低功耗、低成本、高性能； 支持1 1 1 u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器件； 大量使用寄存器，指令的执行速度快； 寻址方式简单，执行效率高，可以同时对多个寄存器进行加载存储， 提高了系统的吞吐量； 指令长度固定，且指令格式简单、统一，简化了指令的译码过程； a r m 微处理器目前主要分为：a r m 7n l u m b 、a i t m 9 1 1 1 u m b 、a r m l 0 t h 啪b 和s t r o n g 删等几个系列，其中s 仃o n g 删已经由i m e l 公司取得专用授权。 每个系列的a r m 处理器都有各自特点，删7 为低功耗3 2 位处理器，适合于 对价位和功耗要求较严格的消费类电子应用；a r m 9 和a r m l 0 系列微处理器在 运算速度上有了近一步提高，主要应用于工业控制、i i l t e m e t 设备、网络和调制 解调器设备等场合。 3 2 1 2c o m 蠡阳处理器 c 0 1 d f i r e 系列微处理器是摩托罗拉公司于19 9 4 年在m 6 8 k 基础上开发的微 处理器芯片，它属于指令长度可交的肘s c 结构【1 2 j 。m c f 5 2 7 2 微处理器是为了 满足通用低端外设和网络市场需求而提出的高性能、低价位的c o l d f i r e 微处理器。 m c f 5 2 7 2 在1 6 6 m h z 的时钟频率下，具有1 5 9 m i p s 的处理能力f 2 6 1 。m c f 5 2 7 2 提供了丰富的外围部件，如s d r a m 控制器、d m a 、计时器、u a r t 、片选控制 器、通用i ，0 、片上存储等，还包括了1 0 ，1 0 0 m 以太网控制器和u s b 模块，能 够满足一般的嵌入式网络应用。 3 x 浙江大学硕士毕业论文 板。综上我们选择c 0 1 d f i r e 方案。 3 2 2 硬件电路设计 根据需要我们在m c f 5 2 7 2 的基础上扩展了两片0 5 m 1 6 b i t s 的f l a s h 、两 片4 b a l l k s l m i6 b i t s 的s d r a m 、一片4 通道u a r t 芯片16 c 5 5 4 和一个实时时 钟，如图3 2 所示。 图3 2 数据采集板的电路框图 3 2 2 1 电源、时钟和复位电路 m c f 5 2 7 2 芯片采用3 3 v 供电，考虑到信号传递速度和硬件的复杂性，与 c p u 联系较紧密的电路如：f l a s h 、s d i n m 均采用3 3 v 供电的芯片。3 3 v 逻 辑电路的噪声容限低，其抗干扰能力明显弱于5 v 逻辑电路，因此将i o 部分设 计为5 v 供电。这样一来，采集板上同时需要5 v 和3 3 v 两种电源。我们采用 u n e a r 公司的l t c l 7 5 3 完成5 v 3 3 v 稳压。 采集板具有高速、低功耗的特点，对电源的过电压、极性反接、纹波干扰、 瞬态变化等非常敏感，这些故障可能导致程序出错甚至于硬件烧毁，必须设置保 护电路。如图3 3 所示：由z t s 实现过电压保护，复位电路负责监视电源电压并 产生硬件复位信号。 图3 3 采集板电源方案 浙江人学硕七毕业论文 3 2 2 2 存储器的设计 m c f 5 2 7 2 的存储器资源分为三个层次： m c f 5 2 7 2 内部包含了4 k 3 2 b i t s 的r o m 和1 k 3 2 b i t s 静态r4 m ，这 类存储器具有3 2 位的数据宽度，且直接挂在片内高速数据总线上，其速度 是非常快的，能够在一个时钟周期内完成访问【1 2 】。通过改写基址寄存器 r o m b a r ( 或i 认m b a r ) 可以对r o m ( 或s r a m ) 进行地址重映射。 片内的指令c a c h e ，主要用于对指令进行缓存，对于用户是透明的，可 以通过寄存器c a c r 对c a c h e 进行控制，通过改写访问控制寄存器a c r x 可以确定特定的内存区域是否需要被c a c h e 缓存。 片外存储器，可以根据需要进行扩展，最大扩展空间为4 g b v t e 。 m c f 5 2 7 2 提供了c s o c s 7 共8 条可编程的片选引脚，每条c s 引脚对应 的内存基址、空间大小、数据宽度、读写时序都可以通过寄存器c s b r x 和c s o r x 进行编程，因此扩展存储器是非常方便的。8 条片选线都可以连 接r o m 、f l a s h 、s r a m 和一般的i o 芯片。c s o 用于上电时系统的引 导，应该连接b o o t r o m 。c s 7 与m c f 5 2 7 2 片内的s d r a m 控制器相关联， 可以用于扩展s d r a m ( 支持16 3 2 位的总线宽度，最多4 b a n k s ， 16 m b i 卜2 5 6 m b i t 寻址空间) 。 在访问次序上，片内存储器的优先级最高，c a c h e 次之，片外的存储器最低， 即当c p u 有访问请求时先进行地址比较，如果片内存储器命中，优先从片内存 储器中获得数据i 。经过分析，片内存储器资源不能满足应用需求，因此我们外 扩了f l a s h 和s d r a m 。 ( 1 ) f l a s h 的扩展 f l a s h 存储器是一种非易失特性存储器，可进行在线擦写，具有功耗低、 容量大，擦写速度快的优点。f l a s h 在嵌入式系统中通常用于存放程序代码、 数据常量等需要长久保存的数据。在这里我们选取两片a m d 公司的3 3 v8 m b i t s f l a s h 芯片a m 2 9 l 、，8 0 0 ，该芯片具有比较快的速度，其访问周期可以缩短到 9 0 i l s 。a m 2 9 l v 8 0 0 具有相对灵活的分区，依次分为1 个8 k w o r d 、2 个4 k w o r d 、 1 个1 6 k w o r d 和1 5 个3 2 k w o r d 分区，能够满足多数应用。第一片f l a s h 用于 存储引导程序，连接在片选c s o 上；另一片用于存放主程序和用户文件，连接 在片选c s l 上。两片f l a s h 的a o a 1 8 连接在m c f 5 2 7 2 的a 1 a 1 9 上：d d 1 5 连接在莹曼雾| 瓢罄i 灞灞i 要； 浙江人学硕士毕业论文 硬件连接之后，还需要对相应的c s 管脚进行正确的配置，主要涉及c s b r x 和c s o r x 两个寄存器。这些寄存器是在系统初始化的时中由软件写入的，其取 值与芯片的时序有着密切的关系，需要在这里根据具体的芯片进行确定。 袭3 2 c s b r x 和c s o r x 中与硬件有关的域f 2 6 1 寄存器 域说明 e b l 确定外设类型，1 6 - 3 2 - b j ts r a m 爪o m 、s d r a m c s b r x还是8 b j td e v i c e s b w定义总线宽度 b a m确定存储器的大小 a s e t地址信号是否比片选信号早出现一个时钟周期 写数据时w r 无效后，是否将地址、访问属性、 w r a h 数据信号再保持一个时钟周期 c s o r x 在读数据时，当r d 无效后，是否将地址、访问 r d a h 属性再保持一个时钟周期 w s确定等待状态数 r w 确定访问权限，只读、只写或可读可写 m r w 经分析不难发现，在从a m 2 9 l v 8 0 0 读数据时，片选和地址信号可以同时有 效；不考虑0 e 信号的影响，在片选和地址有效后，还需要经过9 0 n s 数据线才 可能出现有效数据；不考虑地址和片选的影响，在o e 信号有效后，还需要4 0 i l s 数据线上才可能出现有效数据；当片选和o e 失效后，数据线很快变为高阻态。 在向a m 2 9 l v 8 0 0 写数据时，其过程类似：片选和地址信号可以同时有效；在写 信号的下降沿m n 2 9 l v 8 0 0 进行地址锁存，之后的6 5 n s 内地址信号应保持稳定； 当写周期结束数时，在片选信号& 写信号的上升沿a j n 2 9 l v 8 0 0 对数据线进行采 样和锁存，之后m c f 5 2 7 2 就可以撤销数据线上的信号开始下一个周期的访问。 由此对c s s b i h 和csorx进行如下配置：表3 3 c s b r x和c s o r x 的配置 该片选脚所接的外设为1 6 3 2 b n sram瓜om e b i器的00 该片选脚对应的端口宽度为1 6 位b a m = o x f f e 0 0外扩存储器具有l m b y i e 的容量a set = o w r a在写周 期的结尾，撤销w e 信号后，不需要将址、访问属性、数 读写 周期开始时，片选和地址信号同时出现 据信号冉保持一个时钟周期r d a在读周 期的结尾，撤销o e 信号后，不需要将址、访问属性、数 据信号再保持一个时钟周期w s 。等待5 个时钟周期( 只考虑读数据时等待周期数为9 0 1 5 2 = 4 ；只考虑写数据时等待周期数为6 5，lj1=33，考虑一定度，等待 经过配置后，m c f 的读写时序如图3 4 和3 ，5 所示，均能满足要求。 图3 4m c f 5 2 7 2 读f l a s h 的时序 厂、八，- 广八八八n 八 图3 5m c f 5 2 7 2 写f l a s h 的时序 ( 2 ) s d r a m 的扩展 静态r a m ( s r a m ：s t a t i cr a m ) 的性能好，但价格高，考虑到系统的性 价比和扩展性，我们主要以s d r a m ( s d r a m ：s y l l c h 啪o u sd y n a l l l i cr a m ) 作 为内存。m c f 5 2 7 2 大多数指令的长度为3 2 位，最好采用3 2 位的外存储器，这 样可以减小取指令时间，提高运算速度。从成本上考虑，我们采用2 片1 6 位的 s d r a m 进行并联。经过比较，选取了应用较为广泛的h y n i xh y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 芯 片，该芯片具有4 b a 呔s l m 1 6 b i t 的存储容量，其访问速度可以达到1 0 0 m h z ， 完全满足6 6 m h z 总线的要求。两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 并联后具有1 6 m b ”e 的存储 容量，与3 2 位数据线正好匹配。其硬件接线如图3 6 所示： 图3 6s d r a m 的扩展电路 _ 菩 懈 3 蚀 埘 。 m 叩 浙江大学硕士毕业论文 s d r a m 以b a n k 、行和列的形式来组织存储单元，b a n k 由b a ( b a n ka d d r e s s ) 信号进行选择，行地址和列地址复用a 0 a i1 地址线。在读写s d r a m 之前，必 须激活所要访问的b a n k ，同时在a 0 a 1 1 上给出行地址，之后经过t r c d 便可以 进行s d r a m 读写。s d r a m 写操作可以在一个时钟周期内完成：受芯片速度的 限制，在s d r a m 读操作中，数据需要经过c l 个时钟周期后才能依次出现在数 据线上。当需要读取同一b a n k 的其它页时，要向s d r a m 发出预充电( p r e c h a r g e ) 命令，以关闭当前激活的页，之后经过t r p 时间，方可激活所需访问的页开始下 一次读写。每隔一段时间要对s d r a m 进行刷新，且刷新后要等待t r c 时间使 s d r a m 回到正常的读写状态。s d r a m 的访问时序是非常复杂的，除了上面提 到的激活周期、读写周期、周期性刷新，还包括初始化、预充电等周期，且各种 操作之间有先后顺序和时间限制。m c f 5 2 7 2 提供了标准的s d r a m 控制器，能 够很方便地扩展s d r a m 。配置s d r a m 控制器主要涉及寄存器s d c r 和s d t r 。 通过s d c r 可配置s d r a m 控制器的基本参数( 包括：s d r a m 的容量、行地址 和列地址) ，向s d r a m 发出初始化命令。s d t r 确定了刷新周期和访问时序。 如下表3 4 所示： 表3 4s d c r 和s d t r 中与硬件有关的域1 2 ” 寄存器域说明 m c a s 确定列地址的最高位 s d c r b a l o c 确定b a n ka d d r e s s r t p 刷新周期 r c 刷新恢复时间 s d t rr p 预充电操作的厨期数 r c d 确定从激活命令到读写命令之间的间隔 c l t 确定读数据的等待周期数 表3 5s