（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp与arm的线路保护的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h em o d e mp o w e rn e t w o r k ，t h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yd u r i n gp o w e rs y s t e m s o p e r a t i n g i s r e q u i r e dh i g h e r a n d m o r e s t r i c t l y , w i t h t h e r a i s i n g o ft h e e x t r a - h i g h p r e s s u r e ，h i g h c a p a c i t ya n dl o n g - d i s t a n c ep o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e d i s t a n c e r e l a yi st h ep r i m a r ye l e m e n to ft h et r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n ，t h ep e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i co fw h i c hh a sad i r e c ta n dv i t a la f f e c to nt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yd u r i n g p o w e rs y s t e m so p e r a t i n g f o ra d a p t i n gt or e q u i r e m e n tf o rw o r k i n gs t a b l yi nt h e m o d e m e x t r a - h i g h p r e s s u r ep o w e rn e t w o r k ，m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dd i s t a n c er e l a y sa r e r e q u i r e dh i g h e ra n dh i g h e ro nn o to n l yh a r d w a r eb u ts o f t w a r e t h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt e c h n o l o g y , i st h e f o u n d a t i o nf o rt h ee x p l o i t a t i o no fah i g h - s p e e da n dh i g h - p e r f o r m a n c ep r o t e c t i o n s y s t e mb a s e dm i c r o p r o c e s s o r i nt h i sb a c k g r o u n d ，w ed e s i g nad u a l p r o c e s s o rp a r a l l e l c o m p u t e rp r o t e c t i o ns y s t e mb yd s pc h i pa n da r mp r o c e s s o r d s pc h i pi sr e s p o n s i b l e f o rc o n t r o l l i n gd a t ea c q u i s i t i o n ，s a m p l i n gd a t ep r o c e s s i n ga n da c h i e v ep r o t e c t i o n a r m m i c r o p r o c e s s o ra s s u m e s t h e m a n a g e m e n t o fm a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n d c o m m u n i c a t e sd a t aw i t hd s pt h r o u g ht h es e r i a lp o r t s r i c hc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e m a k e sc o n m u n i c a t i o nw i t ht h eh o s tc o m u p u t e ra n d d o w n l o a d i n gs e t t i n g sf l e x i b l ya n d c o n v e n i e n c l y f o rt h em o r ea p p l i c a t i o n so fn e wm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n ，a n d t h eo p e r a t i n gd e v i c ei sn o ta l l o w e df o rt e s t i n ga n dt r a i n i n g ，t h ed e v i c ec a na l s ob eu s e d a sat e s to ft e a c h i n gs y s t e m sf o rs t u d e n t st ol e a r nt h ei n t e r n a ls t r u c t u r e ，a n dd o w n l o a d s e l f - d e s i g n e dp r o g r a m sb yh o s tc o m p u t e r , c o r r e s p o n d i n gt oc o m p l e t ep r o t e c t i o nt e s t t h i s p a p e r s t u d i e st h eo v e r a l ls o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n ，i n c l u d i n g d s p 2 812 ，l p c 2 2 2 0 ，s w i t c hi n p u t o u t p u tc i r c u i t ，d a t ea c q u i s i t i o nc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o n a n dn e t w o r ki n t e r f a c ec i r c u i t ，t h em a n m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c ed i s p l a y , i nt h ea r t i c l et o v a r i o u sp a r to fe l e c t i cc i r c u i tf u n t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca sw e l la st h ep r i m a r yd e v i c e c h o i c e ，t h ep i nc o n n e c t i o nh a sc a r r i e do nt h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o n t h ep a p e r c o m p l e t e d am i n i m u ms y s t e m d e s i g n b a s e dl p c 2 2 2 0f o r m o n i t o r i n g a n d m a n a g e m e n ts y s t e m f o rt h es p e c i f i c i t yo ft h ea p p l i c a t i o ni nt h ep o w e rs y s t e m ，w e i n c r e a s eas t a r tc i r c u i t i i i 山东大学硕士学位论文 t h i sp a p e rd e s i g n sas i m p l em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dg i v e st h ef l o wc h a r tf o r t h es o f t w a r ed e s i g n i tu n i f i e sr e a l - t i m eo p e r m i n gs y s t e ml a c o s i ia n dt h em o d u l a t i o n h a r d w a r ed e s i g n ，a n dc o n s t i t u t e so n es o f t w a r ea n dh a r d w a r en u m b e rs y s t e m p l a t f o r m b e s i d e sm a x i m u ml i m i te n h a n c e dt h ee f f i c i e n c yo fd e v e l o p m e n ta n dr e d u c e d t h ew a s t eo fr e s o u r c e ，i tm a ya l s oe n h a n c ei t sp e r f o r m a n c ew i t hr e g a r d i n gt h ep l a t f o r m a n do p t i m i z i n gt h ep l a t f o r ms o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c e s a n di ta l s om e e t st h e c o m p l e xa p p l i c a t i o nn e e dd a yb yd a y k e yw o r d s ：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ；a r mp r o c e s s o r ；m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d d i s t a n c er e l a y ；l a c o s i i ；s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：整壅， e t 期：望全! ：生兰显 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鉴堡导师签名 日期：扯孑9 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 电力系统可能发生不正常运行状态和各种故障，可能引发事故，并导致用户 停电或电能质量下降，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。继电保护装置能检 测电力系统故障及不正常运行状态，动作于断路器跳闸、自动隔离故障，或发出 故障告警信号，有助于运行人员或其它自动装置进行故障处理。因此，继电保护 是保障电力系统稳定运行的重要手段。 电力系统继电保护所研究的内容主要包括两个方面：一是继电保护各种原理 的研究；二是继电保护各种装置的开发【。纵观继电保护的发展历史，继电保护 原理是伴随着电力系统的发展而不断发展的；也随着电子器件，特别是微处理器 芯片的发展而不断发展。由于电力系统规模的扩大及电压等级的提高，为了保证 电力系统的安全可靠运行，必须研究动作速度快，灵敏度高，选择性好的继电保 护原理，因而继电保护原理从简单的电流保护逐步发展到复杂的距离保护和高频 保护【l 】，芯片也从8 位微处理器发展到1 6 位、3 2 位处理器【2 】，运算的速度也越 来越快，执行的功能也越来越多，越来越复杂。 1 1 1 国内微机继电保护装置的发展历史及现状 我国自1 9 7 9 年开始微机保护的研究工作。首先在高等院校和一些科研单位 开展了微机保护的研究工作，1 9 8 4 年4 月，华北电力大学研究的以m c 6 8 0 9 c p u 构成的m d w i 型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行，这是我国研究成功 的第一套微机线路保护装置。到目前为止，微机保护装置已经涵盖了常规保护的 所有领域，在2 2 0 k v 及以上电压等级的电网中微机线路保护的普及率达到了9 0 以上【3 1 。 我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为四个阶段。 第一阶段是以单c p u 的8 位微处理器构成的微机保护装置。其主要特点为： 保护采用8 位微处理器m c 6 8 0 9 构成微机系统，由于m c 6 8 0 9 仅仅是一个c p u ， 因此需要在外部扩展许多硬件电路，所以总线必须引出插件，保护的存储器容量 较小，程序和保护的定值均存放在e p r o m 中，定值的改写十分不方便，保护装 置中仅有软件时钟，当直流电源消失后时钟便停止运行，硬件不具备数据远距离 传输功能。由于仅有一个c p u ，所有的保护功能只能集中由这个c p u 处理，可 山东大学硕士学位论文 靠性较低。其代表产品为w x b 01 微机高压线路保护装置。 第二个阶段是以多个8 位单片机组成的多微机系统。其主要特点为：具有多 个8 位单片机，由于采用了单片机，需要外部扩展的硬件电路较少，因此可以做 到总线不引出插件，保护装置的定值存放在e p r o m 中，修改十分方便。系统设 有硬件时钟芯片，依靠备用电源的支持，装置直流电源消失后，硬件时钟可继续 运行，硬件上设计了进行远距离数据传输的串行接口，由于硬件由多个单片机系 统组成，因此一条输电线路的多种保护的功能可分散于不同的单片机系统，从而 增加了保护装置的可靠性。其代表产品为w x b 1 1 系列微机保护装置。 第三个阶段是以1 6 位单片机构成的多微机系统。例如以英特尔公司的 8 0 c 1 9 6 k 1 3 构成的微机系统。有些单片机内部资源丰富，具有较大容量的r a m 和e p r o m ，因而可做到不需在芯片外部扩展存储器，同时做到总线不引出芯片。 例如以同本三菱公司的m 7 7 芯片构成的微机系统，单片机内部有2 - 一4 k 的r a m 容量，3 2 1 2 0 k 的e p r o m 或| 人j 存和8 个定时器，两个串行口，因此不需要用 总线扩展外部存储器。保护装置的硬件设计除具有硬件时钟外，还具备接收g p s 全球定位系统秒脉冲的接口，具备较完善的通信网络，可应用于变电站综合自动 化系统中，其代表产品为c s l 系列微机保护装置和l f p 9 0 0 系列微机保护装置。 第四个阶段是1 6 位m p u + 3 2 位d s p 构成的多微机系统。m p u + d s p 结构是 目前讨论的比较多的方案，其主要特点是：采用3 2 位d s p 作为保护c p u ，完成 所有的保护算法和逻辑功能；以1 6 位单片机作为管理c p u ，完成保护装置的总 启动元件、人机界面和后台通信功能。这种方案一方面可以利用d s p 擅长数据 处理和浮点运算的特点，使d s p 专注于完成保护算法；另一方面也可以降低软 件设计的复杂程度【4 1 。 1 1 2 微机继电保护装置的发展趋势 随着电力工业的发展，高压配电网络的结构、用电负荷性质和用户对供电的 要求都发生了很大的变化，这也对继电保护工作提出了越来越高的要求。对系统 保护性能和功能需求的不断提高也是促使担任微机保护装置的处理器位数不断 提升主要原因之一。目前出现的3 2 位的处理器主要有：3 2 位d s p ( 数字信号处 理器) 和3 2 位a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 两种。 d s p 是一种为了达到快速数学运算而具有特殊结构的微处理器【5 j 。d s p 的突 2 山东大学硕士学位论文 出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大。将数字信号处理器应用 于微机继电保护中，极大地缩短了数字滤波、滤序和傅里叶变换算法的计算时间。 不但可以完成数据采集、信号处理的功能，还可以完成以往主要由c p u 完成的 运算功能，完全可独立完成继电保护功能。其中美国t i 公司生产的t m s 3 2 0 系 列最具代表性。 a r m 是基于r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 构建的微处理器【6 1 。a r m 微处理器支持t h u m b ( 1 6 位) a r u v i ( 3 2 位) 双指令集， 能很好地兼容8 位1 6 位器件；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。 另外，它还具有体积小、功耗低、成本低、高性能等显著特点，在3 2 位嵌入式 应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 0 以上的3 2 位嵌入式产品市场份 额，可以说是目前最为流行的微处理器。 1 1 3 微机继电保护的特点 首先，微机继电保护以微型计算机为基础，用数字电路代替传统的模拟电路， 软硬件技术的成熟与完善，使得微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力， 具有存储记忆功能，可以实现任何性能完善且复杂的保护原理。其次，所有的计 算、逻辑判断均由软件完成，而成熟的软件一次性设计测试完成后，就不必在投 产之前再逐项进行试验，使得微机保护维护调试方便；如果要对微机保护的工作 原理、功能配置和运行结构进行改进，只需要对软件进行修改，不必改动硬件电 路。第三，微机保护可连续不断地对自身工作情况进行自检，其工作可靠性很高； 第四，微机保护装置能保证在任何时刻都不断地进行采样计算，反复准确地校核， 动作的准确率很高；第五，微机保护可以做到硬件和软件资源共享，在不增加任 何硬件的情况下，只需增加一些软件就可以获得如故障录波、故障测距、事故顺 寻记录等辅助功能，这对于简化保护的测试、事故分析和事故后的处理等都有重 大意义。第六，完善的人机界面似的装置使用灵活，方便，人机交流友好；第七， 微机保护中集成了串行通讯功能，与变电站微机监控系统的通信联络使微机保护 具有远方监控的特点，管理人员可以随时检测保护装置的运行状念、调用数据和 改变定值，为现代化管理提供物质条件，并将微机保护纳入变电所综合自动化系 统【7 1 。 山东大学硕士学位论文 1 2 本课题研究的背景及意义 近十年来继电保护装置发展十分迅猛，微机保护设备以其维护调试方便、可 靠性高、使用灵活方便、具有远方监控特性等独有的优势迅速淘汰了集成电路和 晶体管继电保护装置，并且随着微型计算机及其应用技术的快速发展，新的微机 保护装置还在不断推出，在我国新建的高中压变电站的输变电设备均采用了各种 形式的微机保护装置，老变电站的输变电没备继电保护改造也采用了微机保护装 置。但是大量投入运行的微机保护装置不允许用来进行试验、培训，因此提供一 套多功能微机保护试验装置对于提高变电站运行人员和技术管理人员的微机保 护技术水平，维护电力系统安全、可靠运行具有十分重要的意义1 8 j 。 在应用前期，微机保护系统多为单c p u 结构，全部的控制、监测和运算都 由c p u 来完成，c p u 只能串行地完成任务。单c p u 微机保护的运行速度在很大 程度上取决于c p u 的速度，c p u 成为系统性能提高的瓶颈，则在要求高速采样 的应用场合，单c p u 系统显得力不从心。因此，采用多c p u 型的微机保护硬件 结构是必然的【9 】。 高速数字信号处理芯片( d s p ) 技术的发展，为开发一种速度快、处理能力强 的微机保护系统奠定了基础。近年来，人们已经开始将d s p 芯片用于某些电力 系统产品的开发研究，并获得了成功。 正是在这样的背景下研制开发了这套实验装置，我们采用d s p 芯片和a r m 处理器，设计了一个并列式双处理器微机保护系统。该系统采用一个d s p 芯片 负责控制数据采集和执行数据滤波的任务，并通过串行通信方式实现d s p 与 a r m 端口之问的数据通信，a r m 微处理器承担人机接口管理、对内对外进行通 讯联系的任务。该装置还可作为试验教学系统，供学生学习认识微机保护装置的 内部结构，可自行设计保护算法、编制程序，通过上位机下载到实验装置，完成 相应保护功能的测试。 1 3 本文所做的主要工作 本论文主要研究基于d s p 与a r m 处理器的变电站微机保护装置的硬件设 计，根据国内外变电站微机保护技术的发展并结合本课题的实际情况，对如下几 个问题展开讨论和研究： l 、在广泛阅读文献资料的基础上，总结了电力系统微机保护的研究现状， 4 山东大学硕士学位论文 分析了本课题的研究意义和价值； 2 、研究确定了微机11 0 k v 线路保护装置的整体设计方案。从项目的具体要 求出发，分析当今主流d s p 与a r m 的市场概况，结合电力系统对c p u 计算快 速、运行稳定、安全可靠的要求，对c p u 进行了选择，并在硬件结构上进行了 模块化设计，包括电源电路设计、时钟电路设计、保护模块电路设计、信号输入 输出电路设计、通讯和网络接口电路设计、人机界面的显示板电路设计，使得该 保护装置在硬件结构上相互独立，并采取光电隔离，增强了装置的抗干扰性。 3 、分析和总结了国内外现有的软件开发模式，将实时操作系统g c o s i i 移 植到保护装置中。 4 、将嵌入式操作系统g c o s i i 与模块化硬件设计相结合，共同构成一个可 以重复利用的软硬件数字系统平台，设计了监控子系统的软件流程图。 山东大学硕士学位论文 第二章c p u 模块设计 自8 0 年代以来，国内外逐渐开始研制多c p u 型微机保护硬件结构，本装置 将保护功能和人机界面等功能分开。由d s p 承担电气量的采集与变换、数据滤 波、保护功能算法的实现、输出控制功能；a r m 主要实现界面显示、人机对话、 控制逻辑运算、打印输出及与上位机通信等功能。这样的系统特点是d s p 与a r m 各有一套a d 采集模块，并能实现采集数据的相互传递，提高了数据采集的可 靠性；各个模块功能相对独立和单一，在硬件驱动函数模板的基础上，用户可以 比较容易地进行新功能代码的编写和测试，从而大大拓展了其应用范围【l0 1 。该 装置作为一个通用的硬件开发平台，功能相互独立，使得保护程序开发的周期大 大缩短，更加利于新型保护功能的应用。 2 1d s p 2 8 12 概述 2 1 1d s p 微处理器的特点 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 臣l j 数字信号处理器，是一种特别适用于进行数 字信号处理运算的微处理器，其主要的应用是实时快速地实现各种数字信号处理 算法【1 1 1 。为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片都采用特殊的软硬件结 构，一般有一下特点： 特殊的d s p 指令，可在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 改进型哈佛结构，程序和数据存储器独立编址，独立访问； 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问 快速的中断处理和硬件i o 支持； 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 支持流水线操作，使取指、译码、取操作数、执行可以并行执行。 2 1 2t m s 3 2 0 f 2 8 12 d s p 的特性 t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 系列d s p ( 数字信号处理器) 是t i 公司最新推出的数字信号 处理器，该系列处理器是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内核的定点数字信号处理器。器件 上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的 平台。同时代码和指令与f 2 4 x 系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了项目 或产品设计的可延续性【1 2 】。与f 2 4 x 系列数字信号处理器相比，f 2 8 1 x 系列数字 信号处理器提高了运算的精度( 3 2 位) 和系统的处理能力( 达到1 5 0 m i p s ) 。该 7 山东大学硕士学位论文 系列数字信号处理器还集成了1 2 8 k b 的f l a s h 存储器，4 k b 的引导r o m ，数学 运算表以及2 k b 的o t pr o m ，从而大大改善了应用的灵活性。1 2 8 位的密码保 护机制有效地保护了产品的知识产权。两个事件管理器模块为电机及功率变换控 制提供了良好的控制功能。1 6 通道高性能1 2 位a d c 单元提供了两个采样保持 电路，可以实现双通道信号同步采样i l3 1 。 采用高性能的静态c m o s 技术，主频达1 5 0 m h z ，低功耗设计； 支持j t a g 边界扫描接口； 高性能3 2 位c p u ，1 6 1 6 位和3 2 3 2 位的乘法累加操作；1 6 x1 6 位的 双乘法累加器；快速中断响应和处理能力；高效的代码转换功能； 4 m b 的程序数据寻址空间，哈佛总线结构，统一寻址模式； 多达1 2 8 k 1 6 位的f l a s h 存储器、r o m ； 三个外部中断； 高达5 6 个可配置通用的i o 引脚，丰富的串口通信外设； 1 2 位模数转换模块，三个3 2 位c p u 定时器。 2 1 3d s p 微处理器的选择 合众达公司生产的s e e d d p s 2 8 1 2 m 工控板是在s e e d d s p 2 8 1 2 基础上， 专为电力监控而设计、开发的基于3 2 位定点d s p 的高性能、低成本d s p 电力 应用系统解决方案，具有良好的扩展性。其上包括： 高性能的3 2 位定点d s p ：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，主频1 5 0 m h z ，处理性能高达 1 5 0 m i p s ，能够对大量数据实现高速的运算；片上包含1 2 8 k 1 6 一位高速f l a s h ( 具有加密功能，更好地保护开发者的知识产权) ，用来保存整定值以及大量的 故障记录数据，具有高速读取和掉电后不丢失数据的优点；1 8 k x1 6 位o 等待 s r a m ：2 路s c i 异步串口，1 路c a n 总线，l 路s p i 同步串口，便于实现多种 通信方式；多达5 6 个通用i o 引脚，便于实现各种开关量的输入输出控制【1 4 】。 工控板上外扩有：存储器：最大5 1 2 x1 6 位的高速s r a m ，用于暂存需要 快速交换的大量临时数据：配置有x 1 2 2 6 实时时钟+ 串行s r a m ，可以产生年、 月、同、星期、时、分、秒等实时时间信息，还有5 6 8 位s r a m ，可以用来存 储数据，非常适合于工业控制场合，x 1 2 2 6 器件可提供4 k b i t 的e e p r o m ，8 块 加锁控制，可用作用户大量的数据存储的存储器，具有安全、保密性，在主电源 8 山东大学硕士学位论文 和备用电源全都失效时不受影响；s p 接口的串行e e p r o m ( 最大1 2 8 8 一位) 芯片a t 2 5 0 8 0 ，用来存储保护定值，e e p r o m 中保存的数据允许高速读取且在 失电后不会丢失，同时无需专用设备就可以在使用中在线改写，对于修改整定值 比较方便；输入输出：配置有1 2 路模拟量输入，通过2 片a d i 的a d 7 6 5 6 实现 1 2 通道、1 6 位、每通道最高采样率1 5 0 k s p s 同步采样，输入电压范围选择5 v ， d s p 通过c p l d 对a d 7 6 5 6 进行控制选通；还配置有4 路模拟量输出，通过1 片t i 的d a c 7 7 4 4 实现4 通道、1 6 位的同时输出，输出电压范围为1 0 v 4 - 5 v 。 通过c p l d 实现d s p 对该芯片的控制逻辑；4 8 路i 0 及功能扩展口线、8 位数 据及3 位地址总线扩展，方便进行开关量的输入输出接口设计；通信接口：采用 了1 片c s 8 9 0 0 a 芯片实现1 0 m 以太网接口、保留的i o 口线可使用户方便的实 现r s 4 8 5 r s 2 3 2 c a n s p i 等多种形式的通讯。d p s 2 8 1 2 m 结构紧凑，布局合理， 外部接口信号根据信号特点合理划分，提高了模版的稳定性及抗干扰的能力。 其主要技术指标如下所示： 主处理器：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，工作主频1 5 0 m h z ，处理能力可达1 5 0 m i p s 片上s r a m ：1 8 k 1 6 位，工作时钟1 5 0 m h z 片上f l a s h ：1 2 8 k 1 6 位，3 6 n s ( 1 0 年数据保存，1 0 0 次擦写) 外扩s r a m ：可达5 1 2 k 1 6 位，1 2 n s ( 标准配置：2 5 6 k 1 6 位) 外扩f l a s h ：可达5 1 2 k 1 6 位，7 0 n s ( 1 0 年数据保存，1 0 0 ，0 0 0 次擦写) 串行n v r a m ：5 6 8 位，1 2 c 接口，串行位时钟可达4 0 0 k b p s 串行r t c ：提供年、月、日、星期、时、分、秒等实时时问信息，1 2 c 接 口，串行位时钟可达4 0 0 k b p s 串行e e p r o m ：可达1 2 8 k 8 位，s p i 接口，串行位时钟可达1 0 m b p s ， 用来存储保护定值。 2 1 4 开发调试工具 t e x a si n s t r u m e n t s 公司的d s p 集成开发环境c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ，是 一个基于w i n d o w s 的d s p 开发平台，可以加速和提高程序员创建和测试实时嵌 入式信号处理系统的开发过程，从而缩短将产品推向市场所需要的时间【1 5 】。 c c s 具有实时、多任务、可视化的软件开发特点，是一个完成的d s p 集成 开发环境，也是目前最优秀、最流行的d s p 丌发软件之一，已经成为t i d s p 家 9 山东大学硕士学位论文 族的程序设计、制作、调试、优化的利器。 2 2 嵌入式根_ 处理器的概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 是由a c o m 计算机公司和a p p l e 计算机公司 于1 9 9 4 年在英国合资组建的一家公司。a r m 是通用的3 2 位微处理器，是一种 低功耗、高性能的产品，它是基于r i s c 构建的。自成立以来，在3 2 位r i s cc p u 开发领域不断取得突破，其结构己经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司一直以 i p ( i n t e l l i g e n c ep r o p e r t y ) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己 从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有体积小、功耗低、成本低、高 性能等显著特点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位 嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 5 以上的3 2 位嵌入式产品 市场，可以说是目前最为流行的微处理器【1 6 】。 2 2 1a 跚微处理器的结构 1 、r i s c 体系结构 首先它是基于r i s c 结构而构建的，相比较c i s c ( c o m p l i c a t e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 结构，r i s c 结构具备如下一些优势： ( 1 ) 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单； ( 2 ) 使用单周期指令，便于流水线操作执行； ( 3 ) 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载了存储 指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率； ( 4 ) 处理器内不需要微指令翻译器。 当然，与c i s c 架构相比较，虽然r i s c 架构有上述的特点，但决不能认为 r i s c 架构就可以取代c i s c 架构，事实上，r i s c 和c i s c 各有优势，而且界限 并不那么明显【17 1 。 2 、指令结构 a r m 微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 3 2 位指令集和 t h u m b l 6 位指令集，其中t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集合。与等价 的3 2 位代码相比，占用的存储器空间节省高达3 5 ，然而保留了3 2 位系统所有 的优势( 例如访问一个全3 2 位地址空间) 。t h u m b 状态与正常的a r m 状态之间的 切换是零开销的【1 引。使用1 6 位的存储器可以降低成本，而且在这种的情况下， i 0 山东大学硕士学位论文 t h u m b 指令集的整体执行速度比a r m3 2 位指令集快，而且提高了代码密度。 采用t h u m b a r m 双指令集能很好的兼容8 位1 6 位器件。 2 2 2 舳微处理器系列 目前，a r m 公司所开发出来的以及其他厂商基于a r m 体系结构的处理器 主要有：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 系列、s e c u r c o r e 系 列、x s c a l e ( i n t e l ) 系列、s t r o n g a r m ( i n t e l ) 系列。其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、 a r m l 0 为四个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不 同应用领域的需求。如a r m 7 系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括i n t e m e t 设备、网络和调试解调器设备以及移动电话、p d a 等无线设备。 2 2 3 从_ 微处理器的特点 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。它集成了非常典型的r s i c 结构特性1 9 】： 体积小、低功耗、低成本、高性能 一个大而统一的寄存器文件； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 装载保存结构，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，所有装载保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定； 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； 多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量； 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行； 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良好的平衡。 山东大学硕士学位论文 2 2 4m 2 0 2 0 - n 2 0 硬件结构特点 结合当今市场上各a r m 处理器的占有率及性价比，我们选择广州致远电子 有限公司生产的m 2 0 2 0 一n 2 0 嵌入式工控板【2 0 】。m 2 0 2 0 n 2 0 嵌入式工控板主要由 l p c 2 2 2 0 微控制器、程序存储器、外置内存和工业级以太网控制器c s 8 9 0 0 a 组 成，支持1 0 m 以太网( 工业级) 、c f 卡、a d 转换、r t c 等功能。产品提供总 线保护设计，使核心板在e m c 性能及稳定性方面具有良好的表现。产品提供 l p c 2 2 2 0 标准化驱动，并固化嵌入式协议栈，调用a p i 函数即可实现嵌入式设 备的网络和海量存储等功能，特别适合电力设备自动化。 图2 1m 2 0 2 0 n 2 0 硬件结构图 该工控板内置t c p i p 协议、f a t 3 2 文件管理系统，用户无需了解t c p i p 协 议栈，即可灵活实现各种网络功能。支持c f 卡读写操作，内置2 m b 程序存储 器，扩展2 m b 外置内存，内置工业级1 0 m 以太网控制器，带有2 5 6 b e 2 p r o m 的复位监控电路，1 个可校准的低功耗外置实时时钟，2 路u a r t 、l 路1 2 c 、s p i 通信接口，4 路a d 转换器，2 0 个g p i o ，可承受5 v 电压输入，支持2 4 位地址 和1 6 位数据总线扩展，6 层p c b 工艺。m 2 0 2 0 n 2 0 的硬件结构图如图2 1 所示。 1 2 山东大学硕士学位论文 l p c 2 2 2 0 是基于一个支持实时仿真和跟踪的3 2 位a r m 7 t d m i s t m c p u 的 微控制器，并带有2 5 6 k b 嵌入的高速片内f l a s h 存储器。片内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频率下运行。对代码规模 有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的 损失却很小。 l p c 2 2 2 0 较小的1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、4 路l o 位 a d c 以及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 o s 机。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、嵌入式软m o d e m 以及其他各种类型的应用【2 1 1 。l p c 2 2 2 0 的特性如下： 3 2 位1 4 4 脚a 。r m 7 t d m i s 微控制器； 1 6 k b 静态r a m ；2 m 字节n o rf l a s h ( 可用于存放b o o t l o a d e r ) ； 2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 位宽度接i d n 速器实现高达6 0 m h z 的操作频率； 1 6 位总线输出，2 5 6 字节e e p r o m ( 1 2 c 总线接口) ； 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率 4 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 9 s ； - 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接i s i ( 4 0 0 k b p s ) 和2 个s p i 接口； 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w 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 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接1 2 1 ( 4 0 0 k b p s ) 和2 个s p i 接口； m i n i a r m 产品将l p c 2 2 2 0 引脚功能进行重定义，以规定每个引脚均有固定 功能，以配合m i n i a r m 产品标准驱动的开发，m 2 0 2 0 n 2 0 引脚功能规划对照表 如表2 1 所示【2 2 】。 1 3 山东大学硕士学位论文 表2 1 引脚功能规划对照表 l p c 2 2 2 0 名称 配置功能m i n i a r m 名称用户用途 p 0 0 t x d 0 p w mlt x d 0t x d 0 串口o p 0 1 r x d 0 p w m 3 e i n t 0r x d 0r x d o p 0 2 s c l c a p o os c ls c l 0 1 2 c 总线 p 0 3 s d a m a t 0 0 e i n tls d as d a 0 p 0 4 s c k 0 c a p o 1s c k os c k o p 0 5 m i s 0 0 m a t o 1m i s 0 0m i s 0 0 s p l 0 总线 p 0 6 m i s il c a p o 2m o s l 0m o s l 0 p 0 7 s s e l 0 p w m 2 e i n t 2s s e l 0s s e l o p 0 8 t x d l p w m 4t x d lt x d l p 0 9 r x d l p w m 6 e i n t 3r x d lr x d l 串口l p o 1 0 r t s l c a p l 0 r d 5i 玎s 1 r t s