（电力系统及其自动化专业论文）基于arm的电力负荷管理控制终端.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h a l g em a n a g e m e n to fp o w e ri sa ni m p o r t a n tp a r to ft h em a r k e t i n go fe l e c t r i cp o w e ra n d c l l s t o m c rs e r v i c e , t h es y s t e mo fc h a r g em a n a g e m e n to fp o w e ri sn o to n l yt e c h n o l o g ym e a l i $ o f l o a df o r e c a s t m g ，l o a dc o n t r o la n dp e a kl o a ds h i f t i n g ，b u ta l s oc a nm o n i t o rc u s t o m e rt i s e ，i tc a n p r o v i d ed a t eo fb a s i ca n a l y s i sa n dm a n a g e m e u tf o rm a r k e t i n gm a n a g e m e n ts i m u l t a n e o u s l y s c x v i c ei s p r o v i d e df o rc u s t o m e r s ，w h i c hc o n t a i n so p t i m i z a t i o na n a l y s i s o fl o a dc u r v e ， i m p r o v e m e n to ft h ee f f i c i e n c yo fp o w e r - u s i n g ，d e v e l o p m e n to fe f l c r g ym a n a g e m e n ta n d i n f o r m a t i o no f p o w e r s u p p l y c h a r g e m a n a g e m e n t o f p o w e r i s n e c e s s a r y m e a n so f p o w e r d e m a n d s i d em a n a g e m e n t t h i sp a p e rl a y s 蛐r e 鲳o nc o n t r o l 钯r m i n a lo fl o a dm a n a g e m e n to fp o w e rb a s e d0 1 1 1a r m p r o c e s s o ra n de m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mu c o s 一a r e rt h o m u g h l yr e s e a r c ho ft h e a r c h i t e c t u r eo f a r mp r o c e s s o r a n d t h es t e po f a p p l i c a t i o n a r m ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e s t h e d e s i g n o fc o n t r o lt e r m i n a lo fl o a dm a n a g e m e n to fp o w e rb a s e d0 1 1a r ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r eo f a p p l i c a t i o ni nd e t a i l a f t e rd e s i g no f h a r d w a r e ，w e l d i n ga n ds o f t w a r et e s t i n g ，ah i g hp e r f o r m a n c e e m b e d d e ds y s t e mi sa c h i e v e d i te m b o d i e st h ep o w e ro f a r m o nt h eh a r d w a r ed e s i g no fs y s t e m , t h ep a p e ra n a l y z e se v e r ys e c t i o no ft h ec i r c u i to nd e t a i l s e c t i o no f t h es y s t e mh a r d w a r ei n c l u d e sp o w e rc i r c u i t , a cs a m p l ec i r c u i t , m e m o r yc i r c u i t , c l o c k c i r c u i t , k e y - - b o a r da n dl c dd i s p l a yc i r c u i t ，s w i t c hs t a t u sv a r i a b l e ss a m p l ec i r c u i t , p u l 卵v a r i a b l e s s a m p l ec i r c u i t ，s w i t c hv a r i a b l e so u t p u tc i r c u i ta n di n f i a r c di n t e r f a c ec i r c u i t ，r s - 2 3 2a n d r s - 4 8 5 c i r c u i t t h e s em o d u l ec i r c u i t sc o n s t i t u t eae m b e d d e dh a r d w a r e 鲥s t e mw h i c hp e r f o r m a n c e sw e l t a n dm e e t st h er e q u i r eo f a p p l i c a t i o n o nt h es o f t w a r ed e s i g no f s y s t e m , t h ep a p e rf 口s t l yi n t r o d u c e s r e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e mu c o s h ，a n da n a l y z e sc o n d i t i o nt h a ti sr e q u i r e dt h ek e r n e lo f u c o s 一1 ib e i n gt r a n s p l a n t e do na r m , t h et r a n s p l a n to fu c o s - i n c l u d e sr a n s p l a n tl a y o u t , p r o g r a m m i n go fs t a r t - u pc o d ea n dm o d i f i c a t i o no fs e v e r a lf i l e s b a s e do nt r a n s p l a n t , t h ew h o l e s y s t e mi sp r o g r a m m e da n dd e v i d e di n t os e v e r a lt a s k s ，t a s k si n c l u d ek e y - - b o e r da n dl c dd j s p i a y p r o g r a m , a ds a m p l e p r o g r a m , f f t p o w e r m e t e r i n g p r o g r a m a n dr e a l - - t i m e p r o g r a m i nt h ee n d t h er e s e a r c hi st e s t e d , a n a l y z e da n dc o n c l u d e di nt h i sp a p e r t h er e s u ro f t e s t i n g p r o v et h a tm e e t st h ed e m a n do fd e s i g n d e f i c i e n c yo fr e s e a r c ha n dw h a tc a nb ci m p r o v e di nt h e f u t u r ei sb r o u g h tf o r w a r d k c y w o r d s ：e m b e d d e dr t o s ：a r m ；u c o s - i h 肿：a ds a m p l e 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。 东南大学学位论文使用授权声明 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。 研究生签名：导师签名： 日期：，z 卜哆 第一章绪论 i i 研究背景 第一章绪论 自2 0 世纪9 0 年代中国开始引入电力需求侧管理d s m ( p o w e r d e m a n d s i d e m a n a g e l n e m ) 以 来，负荷管理作为需求侧管理的一个重要组成部分也得到了大力发展，从最初的单向 控制到双向采控，从单纯的遥控功能发展的集遥控、遥信、遥测等多项功能于一体的 较完善的用户侧网络，它为推动d s m 迈向现代高效提供了强大的技术支持，特别是在2 0 世纪9 0 年代中期的初始阶段，得到了大力发展，为合理安排负荷，平滑负荷曲线，催 收电费起到了较好的作用。但由于该系统建设背景和条件的限制，原有的负荷控制系统存在 着明显不足：首先是系统功能单一，主要是以负荷控制为主要任务，系统不能为其它数据应用提 供有效的支持；其次是系统的建设未按营销信息化整体规划实施，因此收集的数据往往形成信息 “孤岛”。不能在营销其它信息技术支持系统中得到有效应用。也难以与其它系统实现信息共享； 再者，以今天的视角看，原有的负荷控制系统整体技术装备档次偏低，不能有效利用现有的技术 条件。实现功能扩展。 随着电力市场营销业务的日益创新，营销信息化工作得以迅速推广，客户现场信息的集中采 集和分析应用，成为营销业务工作不可缺少的基础技术要求，同时由于国民经济的快速发展，有 序用电管理再度成为社会发展的迫切需求。在这样的需求背景下，新轮电力负荷管理系统随之 产生。 面对出现的需求变化，现有的负荷控制系统则因原有的系统规范限制而不能适应，加之计算 机应用技术的发展，远远超过原有的技术规范和技术条件所确定的范畴，也就是说原有的负荷控 制系统功能规范和技术条件已不宜作为建设和运行管理的依据 在此背景下，为了指导电力负荷管理系统的迅速推动和有序发展，保障系统功能满足电力市 场营销需求，保证系统资源和数据的共享，国网公司重新组织编写和拟定了电力负荷管理系统功 能规范，明确了系统在电力营销信息化技术支持系统中的作用，从而从报本e 解决了该系统的系 统定位问题，为电力负荷管理系统的建设发展和保障系统生命力奠定了坚实的基础。为了满足电 力工业对电力负荷管理系统提出新的要求，本课题准备采用先进的技术和器件开发电力负荷管理 终喘装置。 1 2 研究现状和意义 电力负荷管理系统曾为缓解我国9 0 年代中期以前的电力供需矛盾起了关键性的作用，随 着电力买方市场的形成，负荷管理系统的职能逐渐发生了变化。国内电力负荷管理系统的发 展可概括为3 个发展阶段，它反映了电力企业对信息自动化系统的需求变化过程。 第1 阶段： 负荷控制系统，仅限于满足负荷限电不拉路的基本要求，它独立于电力企 业内部的其他系统，信息的一致性和共享能力差。 东南大学硕士学位论文 第2 阶段 第3 阶段： 负荷管理系统，除满足基本的控制功能外，信息的采集功能进一步加强， 如远方抄表、小电厂上下网及发电信息采集、催缴电费、购电等，系统的使 用仅限于负荷管理部门内部 负荷综合管理系统，系统的负荷控制仅作为一项基本的功能要求，信息采 集的面更广，通信方式多样。软件系统的建设，除满足负荷管理部门内部使 用外，更注重其他部门对信息的使用和一致性要求 随着计算机技术、现代通信技术发展，开展新的电力负荷管理和客户实时数据平台系统 成为可能“1 。 近年来，出于限电目的的“负荷直接控制”越来越少，而围绕营业所进行的“负荷直接控 制”则大量增加。今天的负荷管理系统，已经被赋予了全新的含义，发展成为电力负荷的综合 管理系统它已经成为沟通供电企业与用电企业的最便捷的桥梁，成为一种立足于双重服务 的信息中心：为电力系统的内部各部门提供信息服务和技术支持，为电力用户提供信息服务 和技术支持。 电力负荷管理是电力营销与客户服务工作的重要组成部分，电力负荷管理系统不仅是做好负 荷预测、负荷控制、错峰避峰的技术手段，而且可以实现客户用电现场监测，为营销管理提供基 础分析和管理的数据，同时还可以为客户提供用电负荷曲线优化分析，提高用电效率、开展能源 管理、供电信息发布等服务，是需求侧管理的必要手段一。 电力负荷管理系统是以计算机应用技术、现代通讯技术、电力自动控制技术为基础的信息采 集、处理和实时监控系统。由系统主站、客户端负荷管理终端和主站与终端间的通信信道组成。 本课题是对电力负荷管理系统的下位机( 终端) 层面出发进行的研究。 1 3 研究的应用前景 在电力市场条件下，电力负荷管理系统应由“控”转“管”，具备应用国家政策，技术政 策引导用户用电，实时抄袭计费，事故情况局部限电三大功能的发展方向。 1 负荷管理系统为供用电双方提供交流的途径在以市场为中心的电力营销体系中，供电方 和用电方必须及时交流信息，这样，供电方可以合理安排发电和购电计划，用电方也能及 时了解电力供应的变化，调整生产安排。 2 为电网的紧急调度、避免大面积停电提供手段，电力负荷管理系统的远方控制功能为电 网紧急调度、避免大面积停电提供了技术手段。即使在电力生产相对过剩的情况，也必 须考虑电网的事故限电和其它的紧急调度需要。 3 与营业、计量紧密结合电力负荷管理系统的优点之一是将触角深入各种工商业用户，特 别是大型工商业用户。利用负荷管理系统采集电能量数据、完成大用户抄表自动化。 4 为反窃电斗争提供有力武器反窃电的难点在于我们现有管理和技术手段跟不上窃电作 案方式和技术水平的变化，特别是难以及时发现窃电并抓到直接的窃电证据。电力负荷 管理系统直接深入用户计量现场，能够充当反窃电斗争的“千里眼”：它通过实时监测用 户的负荷情况和计量器具的工作状态，判断和捕捉窃电特征。 2 第一章绪论 5 为营销和计划业务提供有力支持。电力营销的主要任务是利用各种管理手段和技术手段 开拓电力市场，并及时收回电费。负荷管理系统不单是一个进行负荷监控与电能采集的 实时系统，而且具备很强的离线分析功能。不但可以提供负荷和电量的历史数据和实时 数据，而且可以提供大量的数据分析结果，包括：日( 周、月、年) 的用户用电分析、行业 用电分析、分局用电分析、系统用电分析、线损分析等，并生成各种负荷曲线和报表。 分析用户的用电变化和负荷曲线，可以评估用户对用电合同的执行情况，挖掘用电潜力 并采取积极的措施引导用户经济合理地用电“。 1 4 研究内容 本装置准备采用3 2 位c p u 和模块化设计，与国内同类产品相比较要具有以下些特点：实 时处理能力强：工作稳定可撬在掉电的情况下也不会丢失数据；配有大容量r a m ，可进t y - k 批i 数据存储；支持g s m 或g p r s 或c o m a 等无线网络通讯方式，要具有速度快，工作电流小，抗干扰 能力强的特点，从而使数据传输具有高可靠度。准备采用高精度不掉电实时时钟模块，使时钟每 小时走时误差小于0 1 s ；脉冲量。状态量及开关量的输入、输出采用光电隔离的方式从而具有高 抗干扰性能；可通过4 8 5 接口直接读取多功能电能表的数据；可实现月电能量控制、购电量控制、 催费告警等三种电能量定值f j j 环控制，可实现时段控、厂休控、营业报停控和当前功率下浮控等 四种功率闭环控制；要具有保电剔除功能和实现主站遥控跳闸功能：采用1 2 8 6 4 图形液晶显 示用电现场数据的实时显示。 终端的基本要求如下： i 终端完成对客户端实时用电数据、计量工况和事件的采集，并及时向系统主 站传送采集的数据和信息。用于结算电费的相关数据必须从计费电能表直接读取。 2 终端对客户端的配电开关实施控制，实现用电负荷就地闭环控制，接受主站 的遥控命令完成遥控操作等功能。 3 终端为客户提供电网供应、电能使用、负荷管理等信息服务 4 终端应具有足够的数据存储容量和信息处理能力，确保满足数据采集的完整性、控制功能的 实时响应及高可靠要求。 终端应符合电力负荷管理系统通用技术条件，电力负荷管理系统数据传输规约， 以及国家和行业标准。 3 东南大学硕士学位论文 第二章系统硬件设计和实现 2 1 电力负荷控制终端的功能要求和主要技术指标 2 1 1 负荷管理控制终端的功能要求 本控制终端是直接面向用电管理和监测的自动化设备，应具备以下功能： 1 不间断采集电网三相电压、电流，频率。并在此基础上计算三相有无功功率，三相有， 无功电量及功率因数 2 按照电力负荷管理系统通用技术条件和数据传输规约的要求，计算每天三相电压合格 率、三相断相统计数据及最近一次断相记录；计算并存储每天三相电压、电流、有功功 率、无功功率发生的最大，最小值及相应时间；计算并存储三相电压、电流各次( 2 1 9 ) 谐波含有率、总畸变率、日最大值及发生时间。 3 通过r s - - 4 8 5 通信接口终端应能按设定的终端抄表日或定时采集时间间隔采集。存储电 能表数据，并在主站召测时发送给主站。 4 状态、脉冲量输入和开关量输出功能。 5 具有功率定值闭环控制的功能，可实现时段控、厂休控、营业报停控和当前功率下浮控等4 种功率闭环控制。 6 具有电能定值闭环控制的功能，可实现月电能量控制、购电量控制、催费告警等3 种电能 量定值闭环控制。 7 具有保电和剔除功能。 8 实现对当日和当月数据的保存，并具有掉电数据保持功能。 2 1 2 电力负荷管理控制终端的主要技术指标 本终端的主要技术指标如下： 1 交流采样 电压输入范围； 0 2 5 0 v 电流输入范围：o 5 a 电压、电流采样精度：正负0 5 有功无功计算精度：正负1 o 功率因数计算精度： 1 2 5 2 脉冲量输入 容量：2 路 隔离方式：光电隔离 3 遥信、遥控 4 第二章系统硬件设计和实现 容量：遥信2 路，遥控4 路 隔离方式：光电隔离 4 通信接口 接口方式：r s 2 3 2 i l s 4 8 5 ( r s 2 3 2 与g p r s 模块相连来实现与上位机通信) 通讯规约：电力负荷管理系统数据传输规约- 2 0 0 4 5 电源：a c 2 2 0 5 a 2 2 电力负荷控制终端的功能介绍 电力负荷控制终端概括起来讲有监测，集抄和控制三大功能，其中控制部分是其中最重 要的一部分。控制功能包括功率定值闭环控制和电能量定值闭环控制 2 2 i 功率定值闭环控制 功率定值闭环控制就是主站向终端下发客户功率定值等参数，终端连续监测客户用电实 时功率，当实时功率超过功率定值时，终端自动按设定轮次和延迟时间依次控制客户端相应 配电开关跳闸。功率定值闭环控制有时段控、厂休控。营业报停控、当前功率下浮控四种控 制类型 1 时段控 主站主站以半小时单位将一天2 4 小时进行时段划分，最多可分成3 个控制时段， 每个时段均有相应的功率定值主站可以输入、存储功控时段、功率定值和功率定值浮 动系数等参数，并下发给终端。设置成功后，主站应有相应的操作记录。 时段控可以根据预先设置的控制时段、功率定值、控制轮次等参数指定成若干方案， 操作员按照调菏需要选择方案，实施功率控制。 主站向终端下发时段控投入命令，终端收到该命令且不处在保电状态时，自动执行 功率定值闭环控制功能。终端在功控时段内监测实时功率，当功率超过设置值( 定值 浮动系数) ，终端按轮次顺序和设定的间隔时间动作输出继电器，控制相应的被控负荷 开关。如终端监测实时功率已在规定时间内持续下降到设置值以下或已降到保安定值， 则中止后续轮次的动作。当控制时段结束或时段控解除后，应允许客户合上由于时段控 引起的跳闸开关。 2 厂休控 根据客户的厂休日将一周种的某l 天或若干天选定为厂体日，并规定厂休日限电的 开始时间及需要控制的定值参数，主站可以对上述参数进行输入和存储，并下发给终端， 参数设置成功后，主站应有相应的操作记录 主站向终端下发厂休控投入命令。终端收到该命令且不处在保电状态时，自动执行 功率定值闭环控制功能。终端在厂休日监测实时功率。当功率超过设置值( 厂休日定值 浮动系数) ，终端按轮次顺序和设定的间隔时间动作输出继电器，控制相应的被控负荷 5 东南大学硕士学位论文 开关。如终端监测实时功率已在规定时问内持续下降到设置值以下或已降到保安定值， 则中止后续轮次的动作。当控制时段结束或厂休控解除后，应允许客户合上由于厂休控 引起的跳闸开关。 3 营业报停控 根据客户申请报停起、止时间，确定报停期间的功率定值。主站可以输入并存储营 业报停起、止时间和功定值并下发给终端，参数设置成功后，主站应有相应的操作记录。 主站向终端下发营业报停控投入命令，终端收到该命令且不处在保电状态时，自 动执行功率定值闭环控制功能。当终端监测实时功率超过设置值时，终端按轮次顺序和 设定的间隔时间动作输出继电器，控制相应的被控负荷开关，直到实时功率在设置值之 下营业报停时间结束或营业报停控解除后，允许客户合上由于营业报停控引起的跳闸 开关。 4 当前功率下浮控 主站可以输入并存储当前功率控制下浮系数、当前功率下浮控定值滑差时间等参 数，并下发给终端，参数设置成功后，主站应有相应的操作记录。 主站向终端下发当前功率下浮投入命令终端收到当前功率下浮控制投入命令后，当 功率控制投入且不在保电状态时自动执行功率定值闭环控制功能。根据设置参数计算 当前定值，当终端监测实时功率超过当前定值时。按设定时间间隔动作输出继电器，控 制被控负荷开关，直至实时功率在当前定值之下。当前功率下浮控解除或控制时段结束 后，终端允许客户合上由于当前功率下浮控引起的跳闸开关。 5 受控轮次 主站可以对以上l q 的四种功率控制的受控轮次进行设置并有相应的操作记录。 6 告警时间 主站可以输入并存储各轮次的功率越限告警时间，并下发给终端，设置成功后。应 有相应操作记录。 7 投入及解除 主站可以根据系统应用要求，选择以上四种功率定值闭环控制类型向终端下发控制 投入和控制解除命令，下发成功后，应有相应操作记录。 2 2 2 电能量定值闭环控制 电能量定值闭环控制就是主站向终端下发客户功率定值等参数，终端连续监测客户用电 实时功率，当实时功率超过定值时，终端自动按设定轮次和延迟时间依次控制客户端相应配 电开关跳闸。电能量定值闭环控制有月电能量控制、购电控、催费告警等控制类型。 1 月电量定值参数设置 主站可以输入并存储月电量定值及电能量浮动系数等参数，并下发给终端，参数设 置成功后，主站应有相应的操作记录。 主站向终端下发月电能量控制投入命令，终端收到该命令后，自动执行月电能量定 值闭环控制功能。月电能量超过设置值时，终端应按投入轮次动作输出继电器，控制相 6 第二章系统硬件设计和实现 应的被控负荷开关。当月电能量控制解除或月末2 4 时，终端允许客户合上由于月电能 量控引起的跳闸开关。 2 购电量( 费) 参数设置 主站向终端下发购电能量( 费) 控参数设置命令，包括购电能量( 费) 设置单号、 购电能量( 费) 值、报警门限、跳闸门限、各费率时段的费率等参数，终端收到这些参 数设置命令后修改相应参数，参数修改应有音响( 或语音) 告警通知客户 主站向终端下发购电能量( 费) 控投入命令，终端收到该命令后自动执行购电能( 费) 闭环控制功能终端监测剩余电能量。如剩余电能量小于设定的告警门限值，应能发出 音响告警信号：剩余电能量小于设定的跳闸门限时，按投入轮次动作输出继电器，控制 相应的被控制负荷开关。购电能量( 费) 控解除或重新购电剩余电能量大于跳闸门限时。 终端允许客户合上由于购电能量( 费) 控引起的跳闸开关。 3 催费告警参数设置 主站可以输入并存储催费告警参数，并下发给终端，参数设置成功后，主站应有相 应的操作记录。主站向终端下发催费告警参数设置命令，终端受到这些参数设置命令 后修改相应参数，主站向中断下发催费告警投入命令，终端收到该命令后自动执行催 费告警功能。终端在告警时间内发出音响( 或语音) 告警通知客户。当客户重新交费 后，主站向终端下发催费告警戒除命令，终止催费告警信号。 4 受控轮次设置 主站可以对以上电能量定值闭环控制的受控轮次进行设置并作好相应的操作记录 5 投入及解除设置 主站可以根据系统应用要求，选择l 一5 的控制类型向终端下发控制投入和控制解除 命令，下发成功后，应有相应操作记录 7 1 u 在硬件设计上，与目前市场的同类产品相比，本装置采用了电子行业技术先进的3 2 位 a m 微处理器作为核心主芯片，由于内部具有丰富的资源，从而使本装置的成本大大降低同 时测量电路采用了电能计量芯片c s 5 4 6 0 通过s p i 口与a m 相连，测量精确性比市场同类产 品更高 2 3a r m 及l p c 2 2 1 4 处理器简介 2 3 1 a r m 概述 删是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写，是微处理器行业的一家知名企业。该企业设计 了大量高性能、廉价、低功耗的r i s c 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低 和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入式控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式 应用等。 a r m 将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o 吼厂商，每个厂商得到的都是一 套独一无二的a 跚相关技术及服务。利用这种合作关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标 7 东南大学硕士学位论文 准的缔造者。 目前，总共有3 0 家半导体公司和a r m 签订了硬件技术使用许可证，其中包括i n t e l 、 i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、p h i l i p s 和国家半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人， 则包括微软、升阳和躲i 等一系列知名公司。 a 跚架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器。 2 3 2a r m 的体系结构 a r m 的设计实现了非常小但高性能的结构。a r m 处理器结构的简单使a r m 的内核非常小， 这样使器件的功耗也非常低。 a r m 是精简指令集计算机( r i s c ) ，因为它集成了非常典型的r i s c 结构特性： 一个大的、统一的寄存器文件； 加载存储结构。数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作； 简单的寻址模式，所有加载存储的地址都只由寄存器的内容和指令域决定； 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码。 此外，a r m 体系结构还提供： 每一条数据处理指令都对算术逻辑单元( a l u ) 和移位器进行控制，以实现对a l u 和移 位器的最大利用； 地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化； 多寄存器加载和存储指令实现了最大数据吞吐量； 所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行。 这些在基本r i s c 结构上增强的特性使a r m 处理器在高性能、低代码规模，低功耗和小 的硅片尺寸方面取得了良好的平衡。 2 3 3a r m 7 t d ( s ) a r m 7 t d m i 是目前低端的a 跚核( 并非芯片。a r m 核与其它部件如r a m 、r o w 、片内外设 组合在一起才构成现实的芯片) ，具有广泛的应用，其最显著的应用为数字移动电话。 a r m 7 t d m i 是从a r m 6 核发展而来的。a 跚6 核( 在a r m 体系结构中) 最早实现了3 2 地址 空间编程模式( 早期的a r m 为2 6 位地址) ，但现在已经被取代a 删7 弥补了这一不足，且 在短时间增加了6 4 位乘法指令( 带m 后缀的) 、支持片上调试( 带m 后缀的) 、高密度1 6 位的t h u n b 指令集扩展( 带t 后缀的) 和e m b e d e d i c e 观察点硬件( 带i 后缀的) ，形成了 a r m 7 t d m i 。 删7 t d m i ( - s ) 是a r m 7 t d m i 的可综合( s y n t h e s i z a b l e ) 版本( 软核) 。对应用工程师来 说，除非芯片生产厂商对a r m 7 t d m i ( - s ) 处理器a 胁通用3 2 位微处理器家族的成员之一。a r m 处理器具有优异的性能。但功耗很低，使用门的数量也很少。a r m 结构是基于精简指令集计 算机( r i s c ) 原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这 样的简化实现了： s 第二章系统硬件设计和实现 高的指令吞吐量； 出色的实时中断响应： 小的且高性价比的处理器宏单元； a i 碰7 t d m i ( - s ) 处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度。这样可使几个操作同时进 行，并使处理器系统连续操作，能提供0 9 m i p s 吼z 的指令执行速度。 流水线使用3 个阶段，因此指令分3 个阶段执行，即取指、译码、执行。 在正常操作过程中，在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从 存储器中取出。 a r m 7 1 d m i ( 一s ) 处理器使用了冯诺依曼( y o nn m 籼) 结构，指令和数据共用一条 3 2 位总线。只有加载，存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。数据可以是8 位 字节、1 6 位半字、或者3 2 位字。字必须分配为占用4 字节，而半字必须分配为占用2 字节 2 3 4 处理器操作状态 a 圈7 t 咖i - s 处理器有两种操作状态： a 跚状态3 2 位，这种状态下执行的是字方式的a 跚指令； t h u m b 状态1 6 位，半字方式的t h u m b 指令。 在t h u m b 状态中，程序计数器( p c ) 使用b i t l 来选择切换半字。 ( 注：棚和t h u a b 状态间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容。) 可以使用b x 指令将a r m 7 t d m i s 内核的操作状态在a 础状态和t h u m b 状态之间进行切换 所有的异常处理都在a 础状态中执行。如果异常发生在t h u m b 状态中，处理器会切换到a 脒 状态。在异常处理返回时自动切换回t h u m b 状态“1 2 3 5 操作模式 a r m 7 t i i s 处理器具有7 种操作模式： 用户模式这是a 删程序通常执行的状态用于执行大多数应用程序； 快速中断f i o 模式支持数据传输或通道处理； 中断i r q 模式用于通用中断处理； 超级用户模式是操作系统一种受保护的模式； 中止模式在数据或指令预取指中止时进入该模式； 系统模式是操作系统一种特许的用户模式； 未定义模式当执行未定义的指令时进入该模式； 除了用户模式之外其它模式都被归为特权模式。特权模式用于服务中断异常或者访问受 保护的资源。至于系统模式，它与用户模式一样，不能由异常进入，且使用与用户模式完全 相同的寄存器，然而它是特权模式，不受用户模式的限制。有这个模式，操作系统要访问用 户模式的寄存器就比较方便。同时，操作系统的一些特权任务可以使用这个模式，以访问一 些受控的资源而不必担心异常出现时的任务状态变得不可靠“1 。 9 东南大学硕士学位论文 2 3 6l p c 2 2 1 4 处理器功能结构和特性 l p c 2 2 1 4 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t i 瑚i - s 核的微控制器。对 代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失 却最小。由于l p c 2 2 1 4 是l “脚q f p 封装，极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c p 聊 输出以及多达9 个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p 0 s 机。同时 l p c 2 2 0 0 系列芯片是世界首款可加密的具有外部存储接口的螂片。 通过配置总线，l p c 2 2 1 4 最多可提供7 6 1 6 p 1 0 。由于内置了宽范围的串行通信接口，它 们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式m o d e n l 以及其它各种类型的应用 除了a i i 耵叫工一核以外，l p c 2 2 1 4 比较重要的片内外围功能模块包括： 1 6 k 字节片内静态r a 乩； 2 5 6 k 字节的片内f l a s h ； 串行b o o t 装载程序通过u a r t o 来实现在系统下载和编程； 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达l 劬，数据宽度为8 1 6 3 2 位： e m b e d d e di c e - r t 接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内r e a l m o n i t o r 软件调试时， 中断服务程序可继续执行； 嵌入式跟踪宏单元( 胁i ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪； 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 m s ； 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p v m 单元( 6 路输出) 、实时时钟和看门狗。 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 t 业标准u a r t ，高速1 2 c 接口( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口； 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址： 多达7 6 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，1 2 个独立外部中断引脚( e i n 和c a p 功能) ； 通过片内p l l 可实现最大为6 0 姗z 的c p u 操作频率； 片内晶振频率范围：1 3 0 姗z ； 2 个低功耗模式：空闲和掉电； 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 通过个别使能禁止外部功能来优化功耗； 双电源： c p u 操作电压范围：1 8v 士8 3 ( 1 6 5 - 1 9 5 v ) ； i o 操作电压范围：3 3 v 士1 0 ( 3 0 - 3 6 v ) 。 2 4 电力负荷管理控制终端的硬件结构 电力负荷管理控制终端的硬件涉及输入、输出的外围电路较多，所以选择一个资源比较 丰富的微控制器是非常重要的。本终端选择了p h i l i p 公司的l p c 2 2 1 4 作为核心主芯片， l p c 2 2 1 4 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 、3 2 位a r m 7 t d m i - sc p u 的微控制器，并带有 l o 第二章系统硬件设计和实现 2 5 6 k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代 码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代 码降低超过3 0 ，而性能的损失却很小它带有8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 u s ， 带有2 个3 2 位定时器、多个串行口( 包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速i 2 c 接口( 4 0 0 k b s ) 和2 个s p i 口) 【6 1 硬件结构如图l 所示： 2 5 模拟量输入电路分析 图2 1 硬件结构 本终端选用的是h o p 系列的超小精密电压互感器和电流互感器，其调理电路如图2 2 所示： + 33 圉2 2 模拟信号调理电路 l l 一一一一一 东南大学硕士学位论文 由图2 2 可以看出本装置的调理电路部分是采用了差分输入的方式，原理上只需一端接 地的单端输入就可以实现电压、电流的采集，这是考虑到电能计量芯片c s 5 4 6 0 电压、电流 信号输入方式是采用了差分输入，这样设计只需一路调理就能实现两路的 d 转换( 一路进 a r m ，一路进c s 5 4 6 0 ) 。 本终端是利用a r m 内部定时器中断的方式来确定采样间隔，定时时间间隔为0 0 2 s 6 4 ( 1 个周波的1 6 4 ) ，电压，电流的采集也是利用a r m 的a d 转换器，从采集到的电压、电 流瞬时值经过快速傅里叶变换可以得到各次谐波量数据电压、电流、有功功率、有功电量 是从电能计量芯片中直接得到，本装置应用了芯片c s 5 4 6 0 ，c s 5 4 6 0 是c i l y s t a l 公司最新推 出的带有串行接口的单相双向功率电能计量集成电路芯片，该芯片比目前比较流行的电子 电度表芯片如a d 7 7 5 0 、a d 7 7 5 5 更容易实现与微处理器的连接，具有电流有效值，电压有效 值功率有效值测量及电能计量功能。电能计量芯片c s 5 4 6 0 与a r m 连接如图2 3 所示： g n d d 图2 3 电能计量电路 电路中v s l + 、v s l 一是电压互感器的输出端，v s 4 + 、v s 4 一是电流互感器的输出端，电压、 电流都采用了差分输入的方式。 第二章系统硬件设计和实现 2 6 存储电路和实时时钟电路的设计 电力负荷管理控制终端运行中除了需要较大容量的内存进行运算同时还要保存大量的 历史月数据和历史日数据。因此，选用了c s l 2 4 w c 2 5 6 ，它是一个2 5 6k b 位的支持1 2 c 总线数据 传送协议的串行c m o se 2 p r o m ，可电擦除。为了与主站通信对时和记录特定事件所发生的时间 并且防止掉电所带来的数据丢失，本装置还扩展了时钟电路并配备电池，8 0 2 5 s a 是内置高精 度调整的3 2 7 6 8 k h z 水晶振子的h c 总线接口方式的实时时钟芯片，由s c l 时钟和s d a 数 据2 个信号线按h c 总线接口方式进行数据的读取和写入因s c l , s d a 在v d d 侧都无保护 二极管，可通过对电路印刷板施加下拉电阻的负荷，实现与电源电压不同的主机h o s c 的数 据接口。s c l 的最大计时器频率为4 0 0 k i - i zv 1 7 v 时与h c 总线高速模式相对应可进行 至阳历的下二位数和年、月、日、星期、时、分、秒为止的数据设定，计时牍取。阳历的下 二位数为4 的倍数时可自动识别闰年且自动判别至2 0 9 9 年。电路图见图2 4 。 d i b a g n d d 图2 4 时钟电路 2 7 键盘和显示接口电路分析 电力负荷管理控制终端有很多信息需要就地显示，良好的人机接口是衡量性能的重要组 成部分本装置采用了1 2 8 x 6 4 列字符l c d 液晶显示板，键盘采用了循环扫描方式，有键操 作才有响应【4 】。电路如图2 5 所示： 1 3 东南大学硕士学位论文 v d d 3 3 g n d d 图2 5 键盘电路 4 g n d d 图2 6 液晶显示电路 1 4 第二章系统硬件设计和实现 2 8 开关状态量采集电路分析 开关状态量采集，主要是用于监测跳闸开关的状态，当终端发出跳闸命令后，闸是否 跳开、闸现在是开是关? 可以根据开关状态量采集其状态来判断一般跳闸开关上都有个状 态辅助接点实际应用时，将这个点的两根信号线接到终端相应的端子上、并设置是a 型还 是b 型接点就可以了。具体电路如图2 7 所示： 图2 7 开关状态量采集电路 2 9 脉冲量采集电路分析 电力负荷控制终端在其功能上能与电量袭通过4 8 5 口进行通讯，得到电表数据，并在主 站召测时发送给主站。从而实现远程抄表的功能。但4 8 5 电表通讯频率一般是设在1 5 m i n 以上，要依靠4 8 5 口抄电表数据得到功控所需的功率很明显达不到实时功控的要求。本终端 可以通过脉冲采样来计算出其一分钟平均功率，做为功控的数据来源。由于本装置有交流采 样电路，可以很方便的计算出现场的用电参数，包括有功功率和无功功率，所以也可以根据 交流采样得到的实时功率来做功控 2 1 0 开关控制量输出电路分析 本终端为了达到负荷控制的目的。设计了4 路开关量输出，当主站下发控制命令或者实 现功率，电量当地闭环控制的时候，依次切断轮次开关，使实时功率和电量小于主站设置的 参数值，本部分电路是通过主控制器的基本i o 口输出0 和i 的状态来控制外部继电器的常 开、常闭触点的开和关。电路见图2 8 所示： 东南大学硕士学位论文 2 1 1 复位电路的分析 图2 8 开关控制量输出电路 由于a r m 芯