（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的故障录波器设计.pdf

竺筌量矍三查兰：耋竺：兰竺篁塞 d e s i g no f f a u l tw a v er e c o r d e rb a s e do nd s p a b s t r a c t t h ef a u l tr e c o r d e ri so n eo fm a i ne q u i p m e n tw h i c hp r o v i d e sd a t at oa n a l y z e m a n yk i n d so fp o w e rs y t e ms t a t e s i th a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a l v a l u ef o r o p e r a t o r st oa n a l y z et h es y s t e mc o n d i t i o nu n d e rn o r m a la n df a u l ts t a t e sa n dt r e a t f a u l t sa c c o r d i n gt ot h ed a t ag a t h e r e db yt h er e c o r d e r f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef u n c t i o na n dd e v e l o p i n gs t a t u so ff a u l t r e c o r d e r , t h e nd i s a d v a n t a g e sa n dd e v e l o p i n gt r e n do ft h er e c o r d e ra r ea n a l y z e d b e c a u s et h en e e do fg a t h e r i n gt h ef a u l ts i g n a lo nt h ed cp o w e rs u p p l ya tt h e t r a n s f o r n l e r ss u b s t a t i o ns i d e ，af a u l tr e c o r d e rw h i c hi su s e dt og a t h e rt h eh i g h s p e e df a u l ts i g n a li sd e s i g n e d f i r s t l y , t h eb l u ep r i n ti sd e s i g n e du s i n gt h et h i n k i n g o fm u l t i h i b e r a r c h yw h i c hm e a n st h a tt h e r ei sad a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n ta tt h e b o t t o ma n dac o m p u t e ra tt h et o p t h et o pa n dt h eb o t t o mc o m m u n i c a t ei ns e r i a l m o d e l t h i sp a p e ru s e st m s 3 2 0 v c 5 5 0 9a st h ec o n t r o l l e ro ft h ed a t aa c q u i s i t i o n e q u i p m e n t r e l e v a n th a r d w a r ei s d e v i s e db a s e do nd s p s h i g h s p e e do f c o m p u t i n ga n dp o w e r f u la b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n g ，a n dt h es o f t w a r ei sw r i t t e nb y t h et h i n k i n go fm o d u l a r i z a t i o n t h ed a t ag a t h e r e db yt h ee q u i p m e n ti ss a v e db yc c s sf u n c t i o no ff i l e o u t p u t ，t h e nt h ed a t ai ss h o w e db yt h em a t l a b sf u n c t i o no fd r a w i n g t h e d e s i g n o ft h ee q u i p m e n t sc o r r e c t n e s si s p r o v e di n c o n t r a s tw i t ht h er e a l w a v e a n dt h ee q u i p m e n t sf u n c t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o n 、s t o r ea n dt r a n s m i s s i o n a r cp r o v e d b e c a u s ev i s u a l b a s i ci sp o w e r f u li nu s e rw i n d o w s d e s i g n i n ga n d d a t a - b a s e m a n a g e m e n t ，t h e s o f t w a r eo nc o m p u t e ri s c o m p i l e dw i t hv i s u a l b a s i c ，a n dd a t a b a s ei ss e tu pb ya c c e s st od e p o s i tf a u l td a t a t h es o f t w a r e s f u n c t i o n so fr s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n t a n dc o m p u t e r 、 m a n a g e m e n to fd a t a - b a s ea n dd r a w i n go f f a u l tw a v ea r e v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s k e y w o r d s f a u l tw a v er e c o r d e r ；h i g hs p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ；d s p ；v i s u a l i i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的故障录波器设 计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 一礤拟 日期：衫年多月，尸f 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于d s p 的故障录波器设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 日j 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 埘粕 锄乍 同期：衫年；月纬 只期：z p 谚7 月7 , o n 哈尔滨理t 大学t 学顼卜学位论文 第1 章绪论 在电力系统中，由于自然灾害、设备老化及各种人为原因，不可避免的会 发生电力系统故障。它们对生产、生活、国民经济等都会造成巨大的影响和损 失，我们必须想方设法避免它们的发生。分析、研究故障发生发展的规律，并 采取相应的措施，有效地减少它们的发生。而记录下故障发生前、发生时、发 生后的波形和数据，是进行行之有效的故障规律研究的基础。故障录波器就是 达到这些要求的有力工具。 1 1 故障录波器功能概述 电力系统的故障录波器是常年投入监视电力系统运行状况的一种自动记录 装置。它可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等犬扰动引起 的系统电流、系统电压及其导出量，如系统频率、有功、无功的全过程变化现 象，同时还记录继电保护与安全自动装置的动作行为。性能优良的故障录波 器对保证电力系统的安全可靠运行具有非常重要的作用。进入8 0 年代后，微 机型故障录波器在电力系统中得到了广泛的应用，录波器的故障记录已经成为 分析事故发生原因，帮助寻找故障点，迅速处理事故，特别是分析继电保护动 作行为的依据。目前它己成为电力系统自动化及系统管理的重要组成部分。其 具体作用有以下几个方面： 1 正确分析事故的原因，制订反事故措施。 一个大的电力系统往往连着广大地区的很多发电厂和变电站，当系统发生 事故时，除继电保护和自动装置动作切除故障外，尚斋尽快查明事故原因，以 便确定防止事故的对策。但如无故障录波器，就不能得到可靠的直接数据，因 此在分析事故时，不得不进行假设和推测，这样常常i i 后矛盾，难以解释。有 了故障录波器，通过录取的故障过程中的故障电流、电压的数值以及断路器的 跳合闸时间和重合闸是否成功等情况，可以正确分析和确定事故原因，避免人 为因素介入，根据分析结果制定出相应对策，消除系统中的薄弱环节，提高运 行可靠性。 2 正确评价继电保护和自动装置的工作。 在电力系统发生事故时，继电保护装置有时会出现拒动或误动的情况。仅 凭借保护装置的信号表示，有时并不能正确评价继电保护和自动装冒的工作。 哈尔滨理t 大学 学硕七学位论文 有了故障录波器，利用故障录波资料就可以正确评价或验算继电保护装胃工作 的正确性。特别是当发生转换性故障时，更需要录波资料来正确评价继电保护 和重合闸装置的工作。 3 进行故障定位。 电力系统中，超高压输电线路上发生的系统故障绝大部分是接地故障“。 每次故障发生以后一般都需要及时巡线找到故障地点进行处珲，而伞线的巡查 将受到地理因素、天气状况等的限制，特别是超越高山、峡谷的高压、超高压 线路，巡线是及其困难和艰苦的。同时，这样做的效率也很低。而利用故障录 波器，由故障波形可判断故障性质( 相日j 短路，接地及故障相别) ，并根掘电 流、电压等录波量大小推算故障点位置。作为新一代的微机故障录波器还具有 直接测量故障点的功能，使巡线工作缩小到某重点区段，省时、省力，有利于 迅速消除故障，保证线路的安全输电，对迅速恢复供电有重要意义。 4 发现继电保护和自动装黄的缺陷，便于改进和完善装胃。 超高压线路上装设的继电保护和自动装置在设计安装上，仍叮能有不合理 或考虑不周的地方。这些问题在作各种模拟实验，甚至在运行中部不易被发 现，但在系统发生故障时，就会暴露出来，造成装冒的误动或拒动。利用录波 资料可以分析发现装置的缺陷，并及时予以改进。 5 发现次设备缺陷，及时消除隐患。 在超高压电力系统中，有的一次设备，例如高压断路器存在的缺陷，平时 不易发现，但从录波数据的分析，就很容易找到问题所在。 6 记录电力系统的振荡过程。 7 提供转换性故障和非全相运行时再故障的资料”1 。 因此可见，故障录波器对保证电力系统的安全运行是十分重要的。由于它 所起的巨大作用，所以其在电力系统中的地位也愈发重要。 1 2 故障录波器的发展概况和存在的问题 国内在引用微机技术之前，主要的故障录波器足早期的机械光学式故障录 波器。因其启动带延时，所以很难录到故障前和故障_ 玎始瞬间的故障波形，而 这段时问的波形对分析电网故障极为重要；且由于感光胶带长度肯限，不得不 采用定时记录方式，记录速度也人为的予以压缩，还因感光胶卷的霄换、冲 洗、运送等原因使维护复杂，记录不及时且故障波形仅能以波形方式输出，精 度低，不便于定量分析故障电流电压的绝对值。由于其在设计原理及实现技术 哈尔滨理t 大学_ 学硕+ 学付论文 上的局限性，现己被全部淘汰。 取而代之的是数字式录波器，此种录波器生产于9 0 年代仞但也肓其固有 缺陷，由于采用大量分立元件，所以抗干扰性较差，定值极易丢失而且易出故 障，操作维护也较为不便，波形不直观，运行可靠性差，它使用己被淘汰的 2 8 6t 控机及兄弟牌( b r o t h e r ) 打印机( 与其他打印机不兼容) ，这螳问题使之越来 越不能适应日益微机化的电力系统的要求，所以也在被逐年更换。 如今电力系统所采用的均为微机型故障录波器，其较前几代录波器有明显 优点，其硬件设计采用高性能嵌入式微处理器、高速a d 和大容量存储器，使 硬件设备先进可靠，基本解决光电式故障录波器环节多、容量小、无时标、无 记忆能力，数据读取误差大等问题，已具有记忆能力强、存储容量大、能进行 故障计时、故障类型判别、故障参数和事件顺序记录的功能，能实现数据远传 和便于进行后台分析等特点而得到很大发展。国内微机故障录波器的生产厂家 很多，已知目前主要的有：许昌继电器、上海继电器、山东科汇、武汉水电仪 表厂、南京电力自动化研究院、南京银山、武汉哈德威等，总而言之圈内的微 机型故障录波器已有了很大发展，但其在性能上仅仅完成了从模拟式录波向数 字式录波的转换，还远未发挥出计算机的巨大潜力，仍存在下列问题： 1 大多数故障录波器的采样频率多为每周2 0 点( 1 - 频下) 甚至更低。显然 不适应高速故障记录的要求； 2 有限的随机存储器容量使得系统缺乏足够的灵活性， 内发生多次启动时，不可避免地造成数据丢失： 3 硬件配置不合理，一般采用单片机完成数据的采集、 国外普遍采用专用的d s p 芯片。 特别是当恕时f s j 计算和判断，而 国外产品的性能和质量上较高，但针对国内运行的实际情况仍然存在着以 下的几个问题： 1 国外产品的价格太高，使得在变电站中的普遍安装存在一定的经济问 题： 2 国外故障录波器除前置录波器外，还要配置专门的故障分析软件，构 建独立的录波网，投资大、技术要求高，不适合目前仍以集中组屏式结构为 主，网络功能不健全的变电站系统”1 。 故障录波器发展的趋势表现在以下几个方面： 1 模块化的硬件设计。模块化设计便于系统的扩大与升级，并且使危险 分散，当一个模块有问题时，只需要更换该模块，而不影响其他模块工作： 2 强大的网络功能和通信能力。提高数据测量的精度，在硬件上，可选 哈尔滨理t 大学- 学硕卜学位论文 用高分辨率的a d 芯片和高速高精度的单片机或d s p 芯片，在软件上，可以 采用低通滤波器对故障时的数据进行滤波，对f 短路引起的电流珏感器饱和问 题，也可以考虑从算法上减小误差”1 ： 3 强大的后台分析软件。可以实现对定值的修改和存取，模拟量、丌关 量的波形显示，故障前后矢量图的绘制，频率曲线绘制，线路参数的计算，谐 波分析、功率分析、序分量分析，波形及分析报告打印，精确故障测距等功能 6 1 1 3 课题的背景 在电力系统中，由于故障、操作、大负荷启停、雷电等的扰动，会在变电 所二次侧直流电源上感应出故障信号，使线路及其两端的设各受到影响。按照 中国电力行业标准 2 2 0 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则，要求记 录因短路故障或系统操作引起的、由线路分布参数参与作用在线路上出现的电 流及电压暂态过程，用于检测新型高速继电保护及安全自动装胃的动作行为， 也可用以记录系统操作过电压和可能出现的铁磁谐振现象。 经实际考查，这个故障信号其中的谐波成分频率一般大于5 k h z ，峰峰值 最高可达l k v 。为了记录和分析这部分故障信号，需要对电压进行实时的监 测，录取这类故障发生时的数据并画出波形。由于这种故障信号频率高，随机 性强，而目前的故障录波器中，多针对工频交流信号的采集而设计，其中的 a d 转换器的采集速率比较低，根本不能采集到此类故障信号的数据”1 。因此 有必要设计一种新型的高速故障录波器来完成此类故障信号的数据采集和波形 绘制。 1 4 本论文主要研究内容 1 针对现有的故障录波器中的a d 转换的速率比较低。设计种基于 d s p 的录波器，并用汇编语言编写录波器中高速数据采集装胥的软件。该录波 器在没有故障时不工作。一旦有故障产生，录波器上的d 转换器立即启动开 始采集数据。为防止数据的丢失，在高速数据采集装胃中的d s p 外扩展了非 遗失性的数据存储器用来存储采集到的数据；为便于数据上传到录波器的上位 机中，高速数据采集装置扩展了异步串口来实现r s 2 3 2 通信。 2 为了验证该高速数据采集装置软、硬件设计的正确性，本文利用该装 哈尔滨理工大学丁学硕十学位论文 置采集了信号发生器发出的各种不同频率和波形的信号，通过实际测试表明该 装冒运行可靠，完全达到了预先的设计要求。本文利用c c s 中的文件输出功 能将采集到d s p 中的数据先以文件的形式保存下来，然后利用m a t l a b 中 的绘图功能来显示所采集到的信号，结果证明该装霄的最高采样速率叮达 2 0 m s p s ，可以用来采集一些高频故障信号。 3 用v b 编写相应的上位机程序，实现上位机和高速数据采集装霄的通 信功能、数据库的管理功能和故障波形的绘制功能等。在实际的运行中，证明 该上位机界面友好，操作方便，能完成上述的一些基本功能。 哈尔滓理t 大学t 学毋 学倍论文 第2 章系统总体方案设计 2 1 对故障录波器的基本要求 本课题设计的录波器主要功能是记录由于故障、操作、大负荷启停、雷电 等的扰动，在变电所二次侧直流电源上感应出的过电压故障信号；用于检测继 电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统暂态过程中系统各电气参量的变 化规律，校核电力系统计算程序及模型参数的j t 确性，检测新型高速继电保护 及安全自动装置的动作行为，也可用以记录系统操作过电j 匾和可能出现的铁磁 谐振现象。其特点是采样速率要求高，但记录时问短。我国颁御的d l t 5 5 3 9 4 ( 2 2 0 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则对电网的故障录波制定了技 术准则，基本要求为： 1 系统发生故障时，能自动地对故障全过程按要求进行记采，并当系统 动态过程基本中止后，自动停止记录。并也可以由外部命令启动或停止。 2 容量足够大，当系统连续发生故障时，应能无遗漏的记录每次系统故 障发生后的全过程数据。 3 记录数据安全可靠，满足要求不失真。 4 记录装置本身可靠，有足够的抗干扰能力，满足规定的电气量线性测 量范围，便于维护，绝缘试验指标及抗干扰要求与继电保护装置等同。 5 在记录高速故障时还有如下的要求：要求记录冈短路故障或系统操作 引起的、由线路分布参数参与作用在线路上出现的电流及电压的暂态过程，其 特点是：采样速度高，一般采样频率不小于5 k h z ；全程记录时间短，例如不 大于1 秒“】。 2 2 录波器的硬件结构 硬件结构采用分层设计的思想，由高速数据采集装置和上位机组成。由 于本文所设计的录波器要采集的故障信号具有频率高，随机性强的特点，因此 首先必须设计一种高速数据采集装置。数据采集装置以德州仪器公司的高速数 字信号处理单元1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 为核心；该装置可实现两路模拟信号的同步 采样，模拟信号的最高采样速率可达2 0 m s p s 。上位机选用了研华a c p - 4 0 0 1 系 哈尔演理t 大学t 学颂+ 学付论文 列工控机。运行时，高速数据采集装置完成现场数据的采集、处理和上传，上 位机可独立完成对数据的保存和波形绘制，高速数据采集装胃和上位机之日j 采 用r s 2 3 2 串行通信。录波器结构如图2 i 所示。 一储器i d s p 一一储器i i z 忖加b z 卜 一上裟言? l 图2 - 1 高速录波器结构j 璺| f i g 2 - 1f r a m eo f h i g hs p e e dr e c o r d e r 2 2 1d s p 在故障录波器中的应用 虽然单片机作为m c u 也可以应用到故障录波器的设计中并使外围电路得 到一定程度的简化，系统成本也可以进一步降低，但是也存在一些问题，如单 片机的指令执行速度慢，总线带宽窄，不能满足系统实时性的要求，且一般单 片机不具有d m a 数据传输方式，限制了传输速度等缺点。综合以上因素，一 般单片机显然不能满足系统的要求。 而数字信号处理芯片( d s p ) ，作为种为达到快速数学运算而特殊设计的 新型微处理器，具有相当强大的数据处理能力。它以其快速的指令周期、哈佛 结构、流水操作、专用的乘法器、特殊的d s p 指令，以及集成电路上的优化 设计，使之在相同的主频下甚至要比目前最先进的个人计算机快l o 5 0 倍。 另外，d s p 可以不再单纯用作数据采集，它还同时能肩负以往由主c p u 完成 的主要运算和控制功能。因此d s p 与高速a d 以及现代计算机技术的结合， 将可以进一步提高和完善微机保护自动装置以及故障录波等对实时要求很高的 装置。因此d s p 技术在电力系统中具有广泛的应用前景。 基于以上考虑，本课题将运用d s p 进行高速故障录波器的研制和开发， 哈尔滨理t 大学t 学面卜学位论文 即以d s p 改造传统的故障录波器，充分发挥其在信号处理及数字运算方面的 强大功能，来满足录取变电所二次侧直流电源端故障波形的需要。 具体的，本文选择了c 5 0 0 0 系列d s p 中的新成员t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 。 t m $ 3 2 0 v c 5 5 0 9 是1 r i 公司近期针对低功耗应用领域推出的一款低功耗高性能 定点数字信号处理器。 在c 5 4 x 系列d s p 基础上，c 5 5 x 系列d s p 总线增加了两条，一条读操作 数据总线( b b ) ，一条写操作数据总线( f b ) ；乘加单元( m a c ) 增加了一个；增加 了一个1 6 比特的a l u ；将累加器增加到4 个，即a c 0 、a c i 、a c 2 和a c 3 ； 临时寄存器增至4 个，即t 0 、t 1 、t 2 和1 r 3 。它的处理除具有c 5 4 x 系列d s p 的一般特点外，还具有以下独特的特点： 1 通过增加功能单元，大大提高了综合性能，它最高支持1 4 4 m h z 的时 钟频率 2 由于片内具有双乘累加器，使得它每周期可执行一条指令或两条并行 指令，具有高达2 8 8 m i p s 的处理能力，非常适合于用来做高速数据采集这样的 应用。 3 采用1 6 v 的核心电压以及3 3 v 的外围接口电压，最低可支持0 9 v 的 核心电压以o 0 9 m w m i p 的低功耗运行。 4 v c 5 5 0 9 内部存储器采用统一编址，带有1 2 8 k 字r a m ，其中包括 3 2 k 字双存取r a m ( d r a m ) 以及9 6 k 字单存取r a m ( s r a m ) ，另外还有6 4 k b 片内只读r o m ，并可以实现高达4 m b 的外部存储空日j 扩展。 通过与c 5 4 x 系列其他d s p 相对比，1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 作为一款应用f 低功 耗场合的通用d s p ，其性能指标完全符合本论文中的设计要求。因此，综合多 方面考虑，决定选用该款d s p 作为高速数据采集装置的控制器。 2 2 2 上位机的选择 在本文设计的录波器中，上位机具有高速度、大容量、对实时性相对要求 较低的特点；同时故障录波器是一种长时间投入运行的设备，因此上位机还要 求能够长时间开机运行，具有很高的可靠性；此外，上位机能够抵抗各种各样 的电磁干扰，具有较高的机械强度。 显然，一般的商用计算机根本不能满足这样的要求。本文的设计中选用了 研华a c p - 4 0 0 1 一体化工控机。其配置为c p u 奔2 0 g h z 、4 0 g 硬盘。并配 有两个前置u s b 口、一个r s 2 3 2 口、超薄键盘和触摸板以及6 4 寸t f tl c d 哈尔滨理t 大学t 学砷卜学付诊史 屏幕。其运算速度足够用来完成本文设计的一些功能，硬盘容量也足够大。前 置u s b 口方便了数据的转存及文件的拷贝，由于它自带液晶屏，这使得它非 常适合现在变电所中通用的屏式管理。 2 3 系统的软件设计方案 系统的软件包括两部分：高速数据采集装置的软件和上位机软件。由于高 速数据采集装置由d s p 控制，因此其软件采用d s p 的汇编语言编写，用t i 公 司提供的d s p 集成开发环境c c s 完成软件的调试和应用软件的生成，主要功 能是完成故障时变电所二次侧故障信号的数据采集和数据上传。为了使程序不 仅思路清晰而且维护方便，便于软件以后的升级，整个d s p 的软件在设计时 采用了模块化的编程思想，也即将不同的功能模块分由各个子程序柬完成。由 于本文所采集的信号突发性强，具有很高的随机性，因此在d s p 软件中将采 用外部中断来启动山，d 转换器的数据输出。 由于v b 语言开发周期短，简单易学，并且能满足本文设计的需要，因此 上位机软件采用v b 编写。同时用m i c r o s o f ta c c e s s 建立存储故障波形数掘的 数据库。 2 4 本章小结 本章根据( 2 2 0 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则，明确了本文所设 计的录波器的基本要求并给出了硬件设计框架。在对普通单片机和d s p 性能 做对比的基础上，选择了新一代数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 作为高速数 据采集装置的控制器；同时根据上位机特定工作环境的需要，选择研华a c p 一 4 0 0 1 作为上位机。最后给出了软件设计的基本要求和要实现的功能，并给出了 相应的设计方案。 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 第3 章高速数据采集装置的设计 由于在本文的设计中，采用了1 r i 公司的d s p 作为高速数据采集装霄的控 制器，因此，高速数据采集装置设计包括模拟信号调理隔离电路的设计d s p 外围电路的设计和d s p 软件的设计。下面将首先介绍t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 的一些 外围设备，在此基础上，介绍高速数据采集装置的硬件和软件的设计。 3 1t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 数字信号处理器介绍 3 1 1d m a 控制器 d m a 控制器可以无需c p u 介入而在内部存储器、外部存储器、和芯片上 外设之间传递数据“”。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 内d m a 控制器具有如下特点：d m a 可以独立于c p u 工作；有四个标准端n ( p o r t ) 与d r a m 、s a r a m 、外部存储 器和外设相连；具有6 个通道；可以设置每个通道的优先级；每个通道的传输 可以由选定事件触发；当操作完成后，d m a 控制器可向c p u 发出中断。 d m a 控制器与d s p 其他部件的连接框图如图3 1 所示。 i i _ r - 一 主机 控制器p o r t k ，医x 面i 司 圈：擎 图3 1d m a 控制器与d s p 其他部佴连接图 f i g 3 - lc o n n e c t c h a r to f d m aa n do t h e rp a r t so fd s p 哈尔滨理t 大学丁学硕卜学伊诊文 如前所述，d m a 控制器有6 个通道，用于4 个标准端l j 之间的数据传 送，每个通道可以从某个端口读取数据，也可以将数据写入某个端口。每个通 道有一个f i f o 缓冲区，如图3 - 2 所示，使得数据的传输包括两个阶段：端口 n = l 。2 , 3 ，4 ，5 图3 - 2d m a 传输过程 f i g 3 - 2t r a n s m i s s i o np r o c e s so f d m a 读取和端口写入。d m a 先从源端口读取数据，并将其放到通道的f i f o 缓冲区 里，然后再从f i f o 缓冲区取出写入目的端口。 d m a 控制器的寄存器有两套：一套是配置寄存器，供c p u 写入所需的配 置值：另一套是工作寄存器，供c p u 工作时使用。所以，d m a 通道正在进行 数据传输时，c p u 可以写入下次传输的配置参数，而不影响正在进行的传输。 3 1 2 外部存储器接口e m i f t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 的外部存储器接口e m i f 能支持多种不同类型的外部存 储器件，可以做到和外部存储器的无缝连接1 。其结构框图如图3 3 所示。 d m a 控制器 外设总线控制器 c p u 数据总线 c p u 程序总线 图3 - 3 外部存储器接口结构框图 f i g 3 - 3f r a m eo f e m l f 部存储器欠享 步存储器接口 步存储器接口 略尔滨理t 大学t 擘硕t 学位论文 外部存储器接口除了对异步存储器的支持外，还提供了对硝步突发静态 存储嚣( s b s r a m ) 和同步动态存储嚣( s d r a m ) 的支持。异步存储器可以是静态 随机存储器( s r a m ) 、只读存储器限o m ) 和闪存存储器等存储器，在实际使用 中还可以用异步接口连接并行a d 采样器件、并行显示接口等外围设备。在本 文的设计中，将使用外部e m i f 的异步接口连接8 位并行的a d 转换器。 3 1 3 多通道缓冲串口m c b s p t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 提供三个商速的多通道缓冲串1 3 ( m c b s p ，m u l t i c h a n n e l b u f f e rs c r i mp o r t ) ，d s p 通过m c b s p 可以与工业标准的编解码器、模拟接口芯 片( a i c s ) 及其他串行a d 、d a 芯片直接连接“”。 m c b s p 包括数据通路和控制通路两部分，并通过7 个引脚与外部器件进 行通信，其结构如图3 - 4 所示。 中断到c p u问步事件刘d m a 圈3 _ 4m c b s p 内部结构 f i g 3 - 4i n t e r i o rf r a m eo f m c b s p 1 6 位 外 没 总 线 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 它具有以下一些主要特点：全双工通信：双缓冲数据寄存器允许传送连续 的数据流；独立的收发时钟信号和帧信号：能够向c p u 发送中断和向d m a 控制器发送d m a 事件；具有可编程的采样率发生器；可设冒帧同步脉冲和时 钟信号的极性；传输的字长可以是8 位、1 2 位，1 6 位、2 0 位、2 4 位或3 2 位：可将m c b s p 引脚配置为通用输入输出引脚。 各引脚功能如下所示： d x ：为发送引脚，与m c b s p 相连接发送数据。 d r ：为接收引脚，与接收数据总线相连接。 c l i ( ：x ：为发送时钟引脚。 c l k r ：为接收时钟引脚。 f s x ：为发送帧同步引脚。 f s r ：为接收帧同步引脚。 在时钟信号和帧同步信号控制下，接收和发送通过d r 和d x 引脚与外部 器件直接通信。1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 d s p 内部c p u 对m c b s p 的操作，利用1 6 位 控制寄存器，通过片内外设总线进行访问控制。 如图3 - 4 所示，数据发送过程为首先将数据写入数据发送寄存器d x r ：然 后通过发送移位寄存器x s r 将数据经引脚d x 移出发送。 类似地，数据接收过程为通过引脚d r 接收的数据移入接收移位寄存器 r s r ，并复制这些数据到接收缓冲寄存器r b r ，然后再复制到d r r ，最后由 c p u 或d m a 控制器读出。这个过程允许内部和外部数据通信同时进行。如果 接收或发送字长被指定为8 ，1 2 。1 6 位模式时，d r r 2 ，r b r 2 ，r s r 2 ，d x r 2 ， x s r 2 等寄存器不能进行写、读和移位操作。如果设定的字长大于1 6 位，则写 或读d ( x r ) r 1 之前必须写或读d ( x r ) r 2 。 m c b s p 通过3 个1 6 位寄存器来配置，这3 个寄存器分别为s p c r l ， s p c r 2 和p c r 。m c b s p 口有两种工作方式，一种是时钟停止模式，一种是正 常的时钟模式。本文中m c b s p 均要求工作在时钟停止模式，也就是s p i 模 式，必须要配置s p c r l 寄存器中的c l k s t p = 0 x 。 3 2 数据采集装置的硬件实现 本文所设计的高速数据采集装置所要完成的功能的首先是对将要采集的故 障信号进行调理，使其在电平上与a d 转换器的输入相匹配，并使数据采集装 置与变电所二次侧直流电源在电气上隔离；当有故障产生时，a d 转换器应 哈尔滨理t 大学t 学面十学伊论史 将捕捉到的故障信号数据迅速输出到d s p 中，采集完毕后d s p 将数据存储到 非遗失性数据存储器中；当上位机要求传送捕捉到的数据时，能将数据上传给 上位机。 根据以上功能，本文所设计的高速数据采集装置硬件设计包括：1 模拟信 号调理隔离电路的设计；2 d s p 与a d 转换器的硬件接口的设计；3 d s p 与 数据存储器的接口设计；4 d s p 时电源电路的设计：5 通信接口的硬件设计。 在设计高速数据采集装置硬件时，不仅要围绕其功能进行，同时要求遵 循以下准则： 1 软硬件合理划分：系统中软件和硬件在逻辑功能上是等效的。具有相 同功能的微机应用系统，其软硬件功能分配可以在很宽的范围内变化。系统的 软硬件功能分配要根据系统的要求而定，提高硬件功能比例可以提高速度、减 少所需的存储量，有利于监测和控制的实时性。相反，提高软件功能的比例可 以降低硬件的造价，提高灵活性和适应性，但相应速度要下降，软件设计费用 和所需的存储器容量要增加。划分的原则是在满足系统实时性及可靠性的前提 下，系统功能尽可能用软件来实现。 2 简化设计：硬件设计时尽可能选用集成电路，少用分立元件，这样有利 于提高系统的集成度，减少元器件之间的连线、接点和封装数目，从而大大提 高系统工作的可靠性。 3 模块化设计：硬件设计根据预期实现的功能划分为若干功能模块，尽可 能选用模块化结构的典型电路，各模块问的联系力求松散，以便于硬件发生故 障时的检修。 4 防干扰设计；数据采集装置工作现场环境比较恶劣，在硬件设计时必须 具体分析可能的干扰来源，并采取相应的硬件抗干扰措施来抑制干扰，以增强 自身工作的稳定性。 3 2 1 模拟信号调理电路的设计 为了保证供电系统的安全，数据采集装置稳定可靠的工作，必须将强电和 弱电隔离，主要包括电源的隔离和模拟信号的隔离等。电源的隔离相对来说比 较简单，交流系统可以采用变压器隔离，直流系统主要采用直流电压隔离器 ( 即d c d c 变换器) 隔离“”。 模拟信号的隔离则比较复杂，通常来说有以下几种方法：普通的电压电 流互感器法隔离，这种方法一般用在大电流高电压的情况下。互感器的缺点 哈尔滨理丁大学t 学硕十学付论文 是体积大，线形度差，响应速度慢。其次是隔离放大器，隔离放大器是一种在 输入和输出之间进行电气隔离的高耐压、低噪声的放大器。它适用f 在岛电压 上检测信号及不同基准电位之问的接口，也可以用在测量仪器的输入端防止来 自高压侧的噪声信号等方面的应用。隔离放大器又有变压器祸合，电容耦合和 光耦合，变压器耦合和电容祸合的缺点是其响应时日j 比较慢，频带比较窄，一 般带宽最高可到几十千赫兹，因此不适用于高频信号的隔离。光祸合隔离的 优点是响应速度比较快，而本文设计的数据采集装置采集的故障信号频率较 高，因此本文选择线形光耦来对模拟信号进行隔离。图3 5 是模拟信号的隔 离示意图。 v e t 二次侧直 r 1r 2r 一 出 图3 - 5 模拟信号的隔离 f i g 3 - 5i s o l a t i o no f a n a l o gs i g n a l s 由于故障信号的电压幅值比较高，最高有可能达到上千伏。因此在上图 中，先用r l 、r 2 和r 3 对故障信号信号分压，使r 3 两端的电压满足高速线形 光耦的输入要求。模拟信号经过这样的处理后，便达到了强弱电信号隔离的目 的。 3 2 2 d s p 与a d 转换器的硬件接口设计 本文设计的故障录波器中，a d 转换器的采集速率必须足够高彳能采集到 二次侧直流电源上的故障信号。针对上述情况，本文选用了t i 公司生产的高 速模数采样芯片t l c 5 5 1 0 ，该芯片是美国t i 公司生产的新型模数转换器件 ( a d c ) ，它是一种采用c m o s 工艺制造的8 位高阻抗并行a d 芯片，能提供 的最高采样率为2 0 m s p s 。由于t l c 5 5 1 0 不仅具有高速的a d 转换功能，而且 还带有内部采样保持电路，从而大大简化了外围电路的设计。同时，由于其内 哈尔滨理 大学t 学硕十学位论文 部带有标准分压电阻，因而可以从+ 5 v 的电源获得+ 2 v 满刻度的基准电压。用 户通过在v d d a 、r e f t s 、r e f t 、r e f b 、r e f b s 和a g n d 引脚之日j 加电阻 可以调整参考电压的大小“”，图3 - 6 为获得+ 2 v 参考电压的外部引脚的连接。 图3 - 6t l c 5 5 1 0 内部分压电路 f i g 3 - 6 c i r c u i t o f s e p a r a t e v o l t a g e i n t l c 5 5 1 0 模拟输入 c l k ( 时钟) 高位比较器 高位数据 低位参考电压 低位采样比较罂a 低位数据a 低位采样比较器b 低位数据b d 1 4 3 8 数据输出 图3 7t l c 5 5 1 0 内部- 作时序图 f i g 3 - 7w o r k i n gs c h e d u l i n gi nt l c 5 5 1 0 1 6 哈尔滨理 大学t 学硕 学位论文 图3 7 是t l c 5 5 1 0 内部工作时序图。输入电压v i ( 1 ) 在时钟c l k l 的下降 沿到达片内高位采样比较器和低位采样比较器( a ) ，在s ( 1 ) 时刻被采样，高位采 样比较器在时钟c l k 2 的上升沿到来时完成高位数据u d ( 1 ) 的转换，同时低位 参考电压产生与高位数据相一致的电压r v ( 1 ) ；而低位采样比较器( a ) 在时钟 c l k 3 的上升沿到来时完成低位数据l d ( 1 ) 的转换t 然后u d ( 1 ) 和l d ( 1 ) 相结合， 并在时钟c l k 4 的上升沿到来时以o u t ( 1 ) 输出。同理，输入电压v i ( 2 ) 在时钟 c l k 2 的下降沿到来时被采样。其高位数据u d ( 2 ) 在时钟c i 。k 3 的上升沿到来 时完成，在低位采样比较器( b ) 处，l d ( 2 ) 在时钟c l k 4 的上升沿到来时完成。 u d ( 2 ) 和l d ( 2 ) 在时钟c l k 5 的上升沿到来时以o u t ( 2 ) 输出。由此可以得出结 论：t l c 5 5 l o 的模拟输入信号在时钟信号c l k 的下降沿被采样，经过2 5 个 c l k 时钟周期完成a d 转换，并将输出数据送入数据寄存器。实际上，当c l k 下降沿到来时，并非立即进行采样，而要延迟t o ( s ) 时间，典型的t e ( s ) = 4 n s ；当 c l k 上升沿到来时，数字信号并非立即有效，而要延迟t o ( d ) 时日j ，通常，t e ( d 】大 于1 8 n s ，小于3 0 n s “”。 a d 转换器外围电路及其与d s p 的接口其设计好坏与否直接关系着故障录 波器能否正确的录取故障波形。在本文的设计中，变电所正常工作时高速数据 采集装置中的a d 转换器t l c 5 5 1 0 并不能输出数据，当有故障信号时，a d 转 换启动电路给d s p 一个中断，在中断中d s p 的d m a 通道启动同时使能，d 转换 器的数据输出，此后，d s p 通过d m a 读取a d 转换器的数据输出来达到录取故 障数据的目的。图3 8 是d 转换器t l c 5 5 1 0 的外围电路及其与d s p 的接口电路 图。由于故障时刻变电所直流电源端的信号由直流电源信号和扰动信号两部分 组成，因此在高速数据采集装置上有两个a d 转换器，其中a d 转换器l 仅采集 扰动信号，a d 转换器2 采集发生故障时直流电源端总的电压信号。 下面将分有故障和没有故障两种情况对图3 8 的工作情况予以说明。 在没有故障时，二次侧直流电源端的信号的经过线形光祸后是一个直流 信号。在图3 8 中，由于电容c l 的隔直作用，高速比较器t l 7 1 4 的j 下输入端为 0 v 且其参考电压端接地，所以高速比较器t l 7 1 4 输出为低电平。这罩选用了t i 公司的高速差分比较器t l 7 1 4 ，它的最高工作频率可达5 0 m h z ，完全能满足本 文高速数据采集的需要“”。t l 7 1 4 的输出送到上升沿触发器7 4 a l s l 7 4 的时钟输 入端，7 4 a l s l 7 4 的真值表如表3 1