（电力系统及其自动化专业论文）嵌入式微机保护硬件平台及采样值差动保护的研究.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e l a y p r o t e c t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i ns a f e o p e r a t i o no ft h e p o w e rs y s t e m w i t ht h ei n v e n t i o no fm i c r o c o m p u t e r b a s e dp r o t e c t i o n r e l a y p r o t e c t i o nd e v i c ep r o v i d e sm a n ya d v a n t a g e sf o ri n s t a l l m e n t e x p e r i m e n ta n d r u n n i n g a t t e n t i o n a ni m p o r t a n tb a s e f o r t h em o d e r n m a n a g e m e n t o f p r o t e c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n m a n y n e wr e l a yp r i n c i p l e sa n dp r o j e c t sa r e a p p l i e da n du s e di nm i c r o p r o c e s s o r r e l a yp r o t e c t i o n w h i c hp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h ed e s i g no f m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n i n a d d i t i o n t h ed e v e l o p m e n t o f m i c r o e l e c t r o n i c t e c h n i q u e c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dc o m m u n i c a t i o n s t e c h n i q u eg i v eas t r o n gb a s eo nd e s i g n i n gr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e b a s e do n b r o a d l yc o l l e c t i n gt h ed o c u m e n t sa b o u th a r d w a r ep l a t f o r m t h es c h e m ea n d d e s i g no fah i g hp e r f o r m a n c er e l a yp r o t e c t i o nd e v i c ea r cp r e s e n t e di n t h i s t h e s i s t h em a i nw o r ki n c l u d e ss u c ha s p e c t sa sf o l l o w s f i r s t l y t h e d o c u m e n t sa b o u th a r d w a r e p l a t f o r m o f m i c r o p r o c e s s o r r e l a yp r o t e c t i o n a r e b r o a d l yc o l l e c t e d a n d t h ei n s t r u c t i o nb o o k so ft h e d o m es t i cm a n u f a c t o ra r es u r v e y e d c o n s i d e r i n gt h ep r i n c i p l et h a tt h ed e s i g n o f m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n m u s tb es u i tt ot h e d e v e l o p m e n t o f t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nt e c h n o l o g y t h es i g n i f i c a t i o no ft h i sp r o j e c ti sm a k e n s u r e i nt h ee n d t h em a i nw o r kr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri sp r e s e n t e d s e v e r a lp r o c es s o r su s e di nr e l a yp r o t e c t i o na r ec o n t r a s t e da n da n a l y z e d i nt h i st h e s is i nt h ee n d t h eh i g hp e r f o r m a n c em i c r o p r o c e s s o rm c 6 8 3 7 6 w h i c hi sb a s e do nm o t o r o l ac o i s a d o p t e d t h e e n v i r o n m e n to f c o m p l i l a t i o na n ds i m u l a t i o na r ei n t r o d u c e de x c e p tt h er e s e a r c h t h i st h es i sd is c u s s e dt h ed e s i g no fm u t i c h i p g e n e r a lp u r p o s e m o d u l e b a s e do nm c 6 8 3 7 6 r e a l i z et h ei d e ao f t h eb u sw h i c hi s e a s y t ob e d i s t u r b e ds h o u l d b ei n c h i p s k i l l f u l l y t o o kt h e a d v a n t a g e o f m e m o r y t e c h n o l o g y a n d c o m p i l e rp r i n c i p l e a n da c h i e v e di n n e r s y s t e m p r o g r a m m a b l e t h e t h e s i sh a s p r o b e d i n t ot h ec i r c u i tf r o n t a i d t h e i n t e r f a c eb e t w e e na i da n dc p u a tl a s tt h ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o ni s c o m p l e t e d i na d d i t i o n t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h ea p p l i c a t i o no fs c i q s p i a n dc a n b u s n o t o n l y t h e o p e r a t i o np r i n c i p l e b u ta l s ot r a n s m i ss i o n a b s t r a c t p r o t o c o l i sd i s c u s s e d a n dt h eh a r d w a r e d e s i g n a n ds o f t w a r ed r i v ea r e a n a l y z e d f o ri m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h ee m co f m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n a n da n a l y z e dt h es o u r c ea n da p p r o a c ho f e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ei nt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n t h ef o c u si sm a k e n o nt h eq u e s t i o no fb o a r dl e v e le l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y i nt h e e n d t h es a m p l ed i f f e r e n t i a l p r o t e c t i o n h a s m a n y e x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e rt a k e st h el e a di n p r o p o s i n gan o v e ld i f f e r e n t i a l c r i t e r i o ns c h e m eb a s e do nt h r e e p h a s ei n s t a n t a n e o u ss a m p l e v a l u es t h is s c h e m eg e t saf u l lb u tr e a s o n a b l eus eo ft h ef a u l ti n f o r m a t i o na n do b t a i n s b o t he x c e l l e n c e so ft h ea b o v et w od i f f e r e n t i a ls c h e m e s t h er e s u i t so ft h e t h e o r e t i c a la n a l ys i sa n de m t ps i m u l a t i n gt es t ss h o wt h a tt h en e ws c h e m e h a sm a n ym e r i t ss u c ha ss h o r td a t aw i n d o w h i g hs e c u r i t y p o w e r f u la b i l i t y t o d i s t i n g u i s ht h ew a v es h a p e s t r o n ga d a p t a b i l i t yo ft h ef r e q u e n c yc h a n g e a n de t c k e yw o r d sm i c r o p r o c e s s o r b a s e dp r o t c t i o n m u l t i c h i p g e n e r a l p u r p o s e m o d u l e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i n n e rs y s t e mp r o g r a m m a b l e t h r e ep h a s e s i m u l t a n e i t ys a m p l i n gv a l u e s 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方 式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 储鹕知耜转 醐 妒孵钼 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规 定 同意学校保留并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 本人授权华南理工大学可以将 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 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密口 在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 蜘弹 毵 乙1 影匀闺 日期 t 仰年石月 矿日 日期 巩移少年 月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微机继电保护的发展历史 现状及发展趋势 1 1 1 微机继电保护的发展历史及现状 继电保护在电力系统中占有重要地位 早在2 0 世纪6 0 年代末 就 有人提出用小型计算机实现继电保护的设想 由此开始了对继电保护计 算机算法的大量研究 但由于当时技术和经济条件的限制 计算机保护 的研究工作主要是做理论探索工作 着重于算法研究 数字滤波配置及 实验室样机试验 这一阶段虽没有使计算机保护得以实现 但大量的研 究成果都为计算机保护的进一步发展奠定了必要的理论基础 到2 0 世纪 7 0 年代初期 计算机技术出现了重大突破 大规模集成电路技术的飞速 发展及应用 使得微处理器和微型计算机进入了实用阶段 具体表现在 体积缩小 价格大幅度降低 可靠性及运算速度大大提高等方面上 从 而带来了微机型继电保护研究的高潮 2 0 世纪7 0 年代后半期 国外便已 有少数的微机保护样机投入到电力系统中试运行 2 0 世纪8 0 年代微机保 护在硬件结构和软件技术方面已趋于成熟 并已在一些国家推广应用 这就是第三代的静态继电保护装置n 微机保护装置具有巨大的优越性 和潜力 因而受到运行人员的欢迎 迄今为止 英 日 美等国家已制 造出多种不同功能的微机保护 广泛应用于电力系统及自动控制装置等 领域 可以说 微机保护代表着电力系统继电保护的未来 将成为未来电 力系统保护 控制 运行调度及事故处理的统一计算机系统的组成部分 我国从2 0 世纪7 0 年代末就开始了微机继电保护的研究 高等院校和 科研院所在这里面起到了先导的作用 相继研制出了不同原理不同型式 的微机继电保护装置 8 0 年代产生了第一套微机型继电保护 随后投入 批量生产微机继电保护 1 从2 0 世纪9 0 年代开始 各大高校与科研院 所在微机继电保护方面投入了大量的人力和物力进行研究 国内几大继 电保护生产厂家也纷纷转向微机继保护的研发和生产 各种保护原理 方案 算法的微机线路保护和微机主设备保护相继问世 为电力系统提 供了一批性能优良功能齐全 工作可靠的微机继电保护装置 同时 也 积累了丰富的运行经验 随着微机保护装置的深入研究 在微机保护软 华南理工大学硕士学位论文 件算法等方面也取得了很多的理论成果 我国继电保护技术已进入了微 机保护的时代 并且也带动了变电站综合自动化的发展 当前 微机线 路保护装置已广泛应用于我国电力系统中 微机型主设备保护 母线保 护也逐渐得到应用 到2 0 世纪9 0 年代中后期 不同原理 不同机型的 微机线路和主设备保护各具特色 为电力系统提供了一批新一代性能优 良 功能齐全 工作可靠的继电保护装置 随着微机保护装置的研究 在微机保护软件 算法等方面也取得了很多理论成果1 1 4 1 5 随着微机保护在电力系统的广泛应用 微机保护已从过去仅仅承担传 统的保护任务扩展到提供事故追忆 故障记录数据库的维护 以及保护 装置的远方整定和维护等功能 面向变电站综合自动化的微机继电保护 技术未来趋势是向网络化 智能化 保护 控制 测量和数据通信一体 化发展 4 1 从早期的单板机发展到目前3 2 位微处理机系统 已使微机保 护的多方面的性能都得以极大的完善和提高 其发展大致可以分为以下 几个阶段 4 1 5 0 5 2 第一阶段 微机保护刚问世的时候 以单c p u 的硬件结构为主 数据 采集系统由逐次逼近式的a i d 转换芯片构成 采用多个通道共用一个a i d 转换器 这种数据采集系统使用的芯片较多 电路复杂 抗干扰性能较 差 硬件及软件的设计符合我国高压线路保护装置的 四统一 设计标 准 其代表产品为w x b 0 1 w x h 1 a 型微机高压线路保护装置 第二阶段 以多单片机构成多c p u 硬件结构为主 数据采集系统采用 v f c 电压一频率转换原理的计数式数据采集系统 硬件及软件的设计方 面吸取了w x b 0 1 型微机保护装置的成功运行经验 针对0 l 型保护存在 的问题进行修改 避免了多c p u 系统中经常出现复杂的总线操作 同时 也解决了数据共享的问题 同时 利用多c p u 的特点 强化了自检和互 检功能 使硬件定位到插件 对保护的跳闸出口回路具有完善的抗干扰 措施 其代表产品为w x b 1 l w x h 1 l x 型微机高压线路保护装置和南 瑞继电保护工程公司研制的l e p 一9 0 0 系列保护装置 第三阶段 以高性能的1 6 位或3 2 位单片机 d s p 工控机的硬件结 构为主 许多外围设备都集成在一个芯片里 具有总线不引出芯片 电 路简单的特点 抗干扰性能得到进一步加强 并且完善了通信功能 为 变电站综合自动化的实现提供强有力的环境 其代表产品为四方公司研 制的c s l 及c s i 系列保护装置 另外 微波 光纤差动保护产品也相继 投入运行 2 第一章绪论 1 2 本课题研究的意义 随着微机保护的发展 一些新的保护原理和方案 特别是基于故障波 形特征 暂态分量 或高频分量的保护原理 以及基于a n n 人工神经网 络 小波分析理论及模糊集理论的智能保护方案 受到了越来越多的关 注并逐步得到实际应用 然而 这些新方案在改善保护性能的同时也对 微机保护装置的计算精度与速度 以及速度和寻址空间提出了更高要求 因而也对构成微机保护装置的硬件平台提出了更高要求 高性能的硬件系统是高品质微机保护实现的基础 从早期的单板机发 展到目前3 2 位微处理机系统 已使微机保护的计算速度及处理数据能力 得以极大的完善和提高 提高硬件系统性能的决定性因素是以下几个方 面 选用元器件的集成度和质量 硬件系统的制造工艺水平电路设计的 合理性 显然 电路设计在硬件系统的设计中仍占据极其重要的位置 设计完善的电路必须保证任何一个元器件的失效不会造成系统的瘫痪 并能方便地检出故障 并且在硬件升级时软件也能很方便地更新且向下 兼容 现代电力系统中 一方面 随着电力系统向大容量 高电压的方向 发展 对电力系统一次保护提出了高可靠性 就地下放 多功能及良好 的适应性等更高的要求 另一方面 计算机技术的飞速发展 新保护原 理的层出不穷也使得微机保护正逐步从而向保护功能的设计思想发展成 为面向保护对象 面向系统数字信号处理流程的设计趋向 微机继电保 护装置为适应上述发展的需要 现今及将来微机继电保护系统应具有一 下一些功能 首先 必须实现高速数据采集 以便详细地记录故障突变 其次 必须解决由于高速数据采集所带来的对数据的实时处理及存 储 其三 必须确保保护系统数据处理各环节的高可靠性 并计及对系 统数据处理同步性的要求 其四 具备良好的人机接口 其五 具有增强的系统自检 互检功能和灵活多样的分析和检测手 段 最后 保护系统在软硬件方面应有较高的可靠性及升级 扩展能力 等 华南理工大学硕士学位论文 以克服上述困难为出发点 继电保护工作者应积极开拓思路 充分 利用现有保护数字化 国产化的现实条件 构想并设计出一种新型数字 式微机保护装置 本文论述的微机继电保护装置基本上解决了上述问题 1 3 本论文所做的主要研究工作 微电子技术和计算机技术的发展和继电保护相关科学技术的进步都 给新型微机继电保护装置的研制提供了广阔的发挥空间 本文借鉴了国 内外微机继电保护发展的成功经验和本课题组开发微机继电保护装置的 实际运行成功经验 充分利用大规模集成电路的高新产品优势 探讨了 嵌入式微机继电保护硬件方案的设计 在此基础上 展开微机型保护装 置硬件设计与调试 全文的研究内容安排如下 l 本文广泛收集了有关微机保护硬件平台的资料 综述了微机继电 保护发展历史 现状及趋势 在指出本课题研究背景的基础上 提出本 文主要研究内容 2 本论文从处理器的硬件结构 可靠性 运算处理能力及性价比方 面出发 分析比较了目前应用于微机保护装置中的几种处理器优缺点 并阐述了基于嵌入式处理器的主要开发调试方式和基于嵌入式处理器开 发产品的开发调试流程 提出本课题所选择的处理器一m o t o r o l a 公司的 m c 6 8 3 7 6 分析了性能和其开发调试环境 3 本文论述基于m c 6 8 3 7 6 为核心多芯片 通用 模组m c m 3 7 6 设计 以及逐次逼近型模数转换器 a i d 并分析了a i d 采样前置电路以及a i d 与c p u 的接口方式 本文还对微机继保平台的通信系统 q s p i s c 和 c a n b u s 进行了研究 不仅分析了它们的工作原理和传输协议 还对其 硬件实现和软件驱动进行了论述 此外 本文探讨了微机继电保护装置 的抗干扰问题 研究了在变电站特殊的电磁场环境下 电磁干扰源 干 扰途径以及微机继电保护装置的电磁兼容问题 着重分析了电路板级的 电磁兼容问题 4 本文分析了电流相量差动保护的原理性能 针对现有电流相量差 动保护的不足 提出利用三相电流同时刻采样值构成新的电流差动保护 判据 并从理论分析和e m t p 仿真两方面进行了探讨 最后 对全文的内容加以总结 并对未来的研究工作进行了展望 4 第二章微机硬件平台的开发调试环境 第二章微机硬件平台的开发调试环境 2 1 引言 电力工业的飞速发展和继电保护新技术的应用对继电保护硬件平台 不断提出新的要求 同时微电子技术 计算机技术与通信技术的进步又 给微机继电保护装置的发展不断地注入新的活力 微机继电保护装置结 构上不断优化 功能上不断增强 应用上更为灵活 继电保护装置 的 功能有了较大的延拓 微机保护硬件平台主要包括处理器模块 通信模 式和数据采集系统等 处理器的性能对微机继电保护装置起到决定作用 本章主要比较了用于微机继电保护装置几种处理器的性能 并分析了嵌 入式处理器的主要开发调试方式及其优缺点和基于嵌入式处理器开发产 品的开发调试流程 在此基础上提出本课题所选择的处理器一m o t o r o l a 公司的m c 6 8 3 7 6 分析了其性能和开发调试环境 2 2 微机继电保护的处理器比较 随着超大规模集成电路技术的进步 处理器的性能得到不断提升 功 能得到极大丰富 价格的不断降低 为处理器的更加广泛应用创造了有 利条件 以下针对应用于微机继电保护装置中的几种主要类型的处理器 进行详细的比较分析 2 2 1 嵌入式微控制器 e m c 嵌入式微控制器最明显的优势 就是可以嵌入到各种仪器 设备中 这一点是巨型机和网络不可能做到的 嵌入式微控制器利用大规模集成 电路技术将c p u f l a s h r a m 和i o 接口电路封装在一块芯片中 因此 具有可靠性高 接口设计简易 运行速度快 功耗低 性能价格比高的 优点 使用嵌入式微控制器的微机保护具有较强的针对性 系统结构紧 凑 整体性能和可靠性高等优点 与早期嵌入式微控制器相比 新型高性能嵌入式微控制器性能得到 很大提高 运算能力也得到大大加强 克服了没有乘法 除法运算功能 的局限 这些都大大满足了现在一些新的保护算法的需要 现在 一些 华南理工大学硕士学位论文 嵌入式系统采用精简指令集结构 r i s c 由于其具有出众的浮点运算能 力 能够较好的满足微机保护的要求 此外 嵌入式微控制器生产厂家 采用诸如e f t e l e c t r i c a lf a s tt r a n s i e n t 技术 低噪声布线技术及驱动技 术 采用低频时钟等新技术使得单片机的可靠性得到大大提高 有些高 性能嵌入式微控制器包含了微机保护所需的各种硬件功能 使新型微机 保护的电路设计异常简单可靠 如m o t o r o l a 公司推出的3 2 位高性能微控 制器c o d e f i r e p o w e r p c 等系列片内资源非常丰富 可以实现无需外部 扩展的所谓 总线不出芯片 的新型微机保护 进一步提高了装置的可 靠性 由于嵌入式微控制器价格大幅度下降 因此 微机保护由最初的单 c p u 的硬件结构为主发展为多嵌入式微控制器构成的多c p u 硬件结构为 主 大量使用嵌入式微控制器的微机保护在电力系统中得到了成功的应 用 也由于新型嵌入式微控制器的卓越性能 现阶段使用嵌入式微控制 器的微机保护仍将是我国微机保护的主流产品1 5 0 1 2 2 2 数字信号处理器 d s p 数字信号处理器 d s p 与目前常用的c p u 不同 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 d s p 具有相当强大的处理能力 在相同的主频率下 甚至比目前最先进的个人计算机快1 0 5 0 倍 快速 的指令周期 哈佛结构 流水线技术 专用的乘法器 特殊的指令 加 上集成电路优化设计 可以使d s p 的指令周期在几百n s 以内 d s p 的突出特点是计算能力强 精度高 总线速度快 吞吐量大 尤其是采用专用硬件实现定点和浮点加乘 矩阵 运算 速度非常快 将数 字信号处理器应用于微机继电保护 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微控制器完成的逻辑运算和控制功能 甚至独立 完成继电保护所有功能 但d s p 在i o 口线 开入 开出量的数量 中断处理能力及处理层次 的丰富性 外围电路的允许操作形式等方面与m c u 相比仍较薄弱 不少 d s p 本身并不包括这些外围设备 d s p 在逻辑处理能力及输入 出 口线驱 动能力方面也无法与m c u 相比 随着计算机与微电子技术的发展 一些 集d s p 强运算能力和m c u 强控制能力的高性能芯片己经面世 这类芯 片恰好弥补了传统d s p 芯片控制能力较弱的缺点 为微机保护硬件平台 提供了广阔的发展空间 6 第二章微机硬件平台的开发调试环境 d s p 出现初期 由于其价格较高 影响了d s p 在继电保护领域的推 广应用 目前 针对嵌入式应用的需求 d s p 器件厂家在提高器件集成 度 简化系统设计的同时大幅度降低了价格 以期替代单片机 m c u 占领 嵌入式应用市场 这为继电保护厂家提高保护装置性能 进行产品更新 换代提供了一个非常好的物质手段 根据微机继电保护技术发展的需要 较为理想的d s p 器件有t i 公司的t m s3 2 0 c 3 0 3 1 3 2 和a d 公司的a d s p 2 1 0 c 6 0 1 6 22 类3 2 位浮点器件 其中t m s 3 2 0 c 3 0 有系统和外设2 条总线 使运算和i o 可同时进行 互不影响 随着数字信号处理器芯片和开发工 具价格的下降 继电保护生产厂家已经开始使用数字信号处理器开发保 护装置 并且已有产品投入运行 2 2 3 工控机 利用i n t e l 体系在个人计算机领域的优势 很多器件厂家都在3 8 6 1 4 8 6 的基础上 通过集成外围器件和接口 推出了一系列与个人计算机软硬 件兼容的嵌入式处理器 例如i n t e l3 8 6 e x s t 公司的4 8 6p c a m d 3 8 6 4 8 6 e 等 有些厂家甚至提出了 p co nac h i p 的口号 由于可以利 用p c 丰富的开发环境 应用软件和电路设计技术 因而一经推出就得到 了众多工控机厂家的欢迎 并纷纷在其基础上开发出i s a s t d p c 1 0 4 v m e c o m p a c tp c i 等总线工控主板 e p s o n 公司的主板仅为信用卡大 小 继电器厂家也推出了基于工控机的微机发电机组保护和录波装置 天津大学已研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机加以改 造做成的继电保护装置 5 0 l 这种装置的优点有 1 具有4 8 6 p c 机的全部 功能 能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求 2 尺寸和结构与 目前的微机保护装置相似 工艺精良 防震 防过热 防电磁干扰能力 强 可运行于非常恶劣的工作环境 成本可接受 3 采用s t d 总线或p c 总线 硬件模块化 对于不同的保护可任意选用不同模块 配置灵活 容易扩展h j 2 2 4 复杂可编程逻辑器件 现场可编程门阵列 c p l d f p g a 器 件 c p l d f p g a 器件采用的是e d a 技术 e d a 技术是近几年来迅速发展 的一项新技术 主要是借助先进的设计软件在计算机上进行电子设计和 7 华南理工大学硕士学位论文 仿真 e d a 技术打破了软硬件之间最后的屏障 使软硬件工程师们有了 真正的共同语言 使目前一切仍处于计算机辅助性设计 c a d 和规划的电 子设计活动产生了实实在在的设计实体 基于e d a 技术的c p l d f p g a 器 件的开发应用可以从根本上解决m c u 所遇到的问题h j 1 低速问题 由于m c u 是通过内部c p u 逐步执行软件指令来完成运 算和逻辑功能的 因而无论多么高的工作时钟频率和多么好的指令时序 方式其工作速度和效率必将大打折扣 而c p l d f p g a 的时钟延迟可达纳 秒级 结合其并行工作方式 其速度优势非常明显 2 复位和跑飞问题 任何m c u 在工作初始都有一个复位过程 m c u 复位需要一定的电平条件和时间条件 工作电平由于某种干扰性突变时 m c u 的复位设置将成为系统不可靠工作的重要因素 在强干扰或某种偶 然因素下 任何m c u 的p c 指针都极可能越出正常的程序流程跑飞 虽然 在这两方面都采取了一定的抑制措施 但从根本上仍末得到解决 而 c p l d f p g a 不存在复位和跑飞问题 提高了系统可靠性 3 c p l d f p g a 编程方式简单 先进 可以很容易实现系统内编程 c p l d f p g a 的高可靠性还表现在 几乎将整个系统下载到同一芯片中 从而大大缩小体积 易于管理和屏蔽 开发工具和设计语言标准化 开 发周期短 比起常用的m c u 来易学易用 开发便捷 5 c p l d f p g a 可应用在微机继电保护中 如用c p l d 作通用外围接口对 系统进行简化 许继出品的新型微机线路保护装置就采用了这一技术 设计专用f p g a 处理器来减轻c p u 的负担 实现d s p 速度都无法满足要求 的场合 像卡尔曼滤波 小波变换等 用c p l d f p g a 完成数据采集系统 中逻辑处理功能己开始在p a s s 系统中研究 代替c p u 实现独立的算法以 及设计楼宇保护专用芯片也即将展开 c p l d f p g a 与m c u 有着很强的互补性 而且从长远看 它有可能取 代单片机 但就目前而言 c p l d f p g a 器件的价格比较昂贵 开发手段 也不是很成熟 所以并不适于大规模地采用 还需要做大量的研究工作 2 3 系统开发调试方式 系统调试工具的目的就是尽可能的揭露c p u 内部工作情况和软件的 执行状态 嵌入式系统开发调试与p c 机程序的调试有很大区别 嵌入式 系统一般没有人们熟悉的显示器 最多只有l e d 这无疑增加了调试难 度 为了降低调试难度 嵌入式系统的调试工具由虽初的板上调试发展 到目前的硬件调试辅助工具一高性能仿真器 俗话说 工欲善其事 必 8 第二章微机硬件平台的开发调试环境 先利其器 高性能的仿真器可以加快开发速度 降低开发难度 但高性 能的仿真器价格昂贵 因此具体选用何种开发方式 要在两者之间寻求 平衡 对于嵌入式计算系统来说 测试往往是软件和硬件相结合的 既有借 助于 正确 的软件来测试硬件 也有借助于 正确 的硬件来测试软件 由于软件设计人员和硬件设计人员的技术隔膜 在测试过程中出现不能 通过的情况 往往难以界定是软件还是硬件问题 对于嵌入式系统的软 件设计人员来说 必须对硬件有足够的了解 这一点 和通用计算平台 上的软件设计是不同的 反之 硬件人员也必须能够编写一些测试软件 以证明其设计的正确性 2 3 1 硬件调试方式 1 内部电路仿真器 i n c i r c u i te m u l a t o r i c e i c e 是一种比较传统的调试方式 i c e 是用来仿真c p u 核心的设备 它可以在不干扰运算器的正常运行情况下 实时的检测c p u 的内部工作 情况 像桌面调试软件所提供的 复杂的条件断点 先进的实时跟踪 性能分析和端口分析这些功能 i c e 也都能提供 此外 i c e 一般都有一 个比较特殊的c p u 称为外合 b o n d o u t c p u 这是一种被打开了封装的 c p u 并且通过特殊的连接 可以访问到c p u 的内部信号 而这些信号 在c p u 被封装时 是无法 看到 的 当与工作站上强大的调试软件联合使用时 i c e 就能提供最全面的调 试功能 但i c e 同样有一些缺点 昂贵 不能全速工作 同样 并不是 所有的c p u 都可以作为外合c p u 的 从另一个角度说 这些外合c p u 也不大可能及时的被新出的c p u 所更换 2 r o m 监控器 r o mm o n i t o r r o m 监控器是一小程序 驻留在嵌入系统r o m 中 通过串行的或 网络的连接和运行在工作站上的调试软件通信 这是一种便宜的方式 当然也是最低端的技术 它除了要求一个通信端口和少量的内存空间外 不需要其它任何专门的硬件 并提供了如下功能 下载代码 运行控制 断点 单步步进 以及观察 修改寄存器和内存 9 华南理工大学硕士学位论文 因为r o m 监控器是操作软件的一部分 只有应用程序运行时 它才 会工作 如果要检查c p u 和应用程序的状态 就必须停下应用程序 再 次进入r o m 监控器 3 在线调试 o n c h i pd e b u g g i n g o c d 或在线仿真 o n c h i pe m u l a t o r 用低端适配器就可以把o c d 端口和主工作站以及前端调试软件连接 起来 从o c d 的基本形式看来 它的特点和单一的r o m 监测器是一致 的 但是不像后者需要专门的程序以及额外的通信端口 有两种普遍的 o c d 接口 b d m b a c k g r o u n dd e b u gm o n i t o r j t a g j o i n tt e s ta c t i o n g r o u p 1 b d m b a c k g r o u n dd e b u gm o n i t o r 实际上相当于将i c e 仿真器软 件和硬件内置在处理器中 这使得我们可以直接使用p c 机的并行口来调 试软件 不再需要i c e 硬件 大大节约了开发成本 一些调试器供应商 也提供了这种软件产品 如x r a y 对于用户来说 为了调试一些特定问 题 可以直接使用b d m 命令来调试目标系统 以弥补商业调试软件的不 足 这种调试模式在m o t o r o l a 公司产品6 8 3 0 0 系列中被称为 背景调试 模式b d m b a c k g r o u n dd e b u gm o d e 其他公司的嵌入式处理器也有 不过叫法不同 例如a m d 公司在其x 8 6 p 上提供类似功能的 a m d e b u g 的调试接口 2 j t a g j o i n t t e s ta c t i o n g r o u p 利用的是边界扫描测试技术 b o u n d a r y s c a nt e s ta r c h i t e c t u r e 其属于一种可测试性设计 其基本思 想是在芯片管脚和芯片内部逻辑之间 即芯片边界位置 增加串行连接的 边界扫描测试单元 实现对芯片管脚状态的设定和读取 使芯片管脚状 态具有可控性和可观测性 它最初开发出来是为了监测i c 和电路连接 但是这种串行接口扩展了用途 包括对调试的支持 j t a g 接口是国际上 常用的一种标准接口 目前该标准已被一些大规模集成电路所采用 如 d s p c p u f p g a 等 具有连接电路电路简单 调试方便 使用广泛等 诸多优点 2 3 2 软件调试方式 软件调试方式是为了获取c p u 内部工作情况和软件的执行状态 开 发人员在要调试程序的适当位置插入语句或程序段以获得直观的输出信 息的一种调试方式 插入的程序语句一般比较短 两获得信息对开发人 员来说却非常有帮助 常用的调试方式有以下几种 第二章微机硬件平台的开发调试环境 1 点灯方式 点灯方式 是一种传统而有效的调试方式 在代码的适当部位插入 点亮l e d 小灯的代码 增添的代码只有两三行而已 当程序执行到该位 置则l e d 被点亮 开发人员根据小灯是否点亮 点亮的时间可以判断程 序执行的流程 以判断程序的正误 此方式的优点为调试方法简单 无 需编写复杂的程序即可判断出程序的执行流程 但是当调试复杂一些的 程序的时候 有些力不从心 无法得到某个寄存器的具体值 无法准确 定位错误的来源 2 p r i n t f 方式 编写一个简单的调试函数 p r i n t f 在程序执行过程中的某一时刻时 调用该函数 通过串口打印出某一变量或寄存器的值 为了节省代码空 间 一般p r i n t f 仅仅支持 d 和 s 格式输出 若要支持更多格式 增加 更多功能 该函数将占用根大的代码空间 此方式的优点为可以方便地 输出寄存器或变量的值 数据信息输出到串口显示在p c 机上 直观方便 不过在用户代码中调用p r i n t f 函数 将占用一定的代码空间 用户程序 编写无误之后需要将调用p r i n t f 函数的语句删除 3 g d b 方式 g d b 原是l i n u x 中常用的调试技术 将其移植到嵌入式系统调试中 来 同样能够发挥重要的作用 其基本原理是 在嵌入式微控制器中运 行一个简单的g d bs t u b 驻留程序 用来监视调试用户程序 用户程序将 下载到f l a s h 或r a m 的剩余空间 然后开发人员可以通过串口 以太网 口或其他接口设置断点 来调试跟踪用户程序 此方式的优点为支持在 线调试 实时性强 每次修改用户程序只需重新下载至r a m 调试即可 无需重新烧写f l a s h 一旦完成针对某一芯片的g d bs t u b 再移植到其他 c p u 上将不再困难 但是需要占用一定的f l a s h 空间 因此往往仅用于 1 6 位 3 2 位等存储空间较大的微处理器上 随着高性能处理器在微机保护装置中的采用 其开发方式与单片机 时代相比有了很大的不同 其中最突出的一点是在操作系统支持下采用 高级语言进行编程 目前针对各种处理器 一些第三方厂家开发了多种 软硬件开发辅助工具一商用操作系统和集成环境 方便了开发人员的调 试 与商用操作系统和集成环境的开发方式相对应 许多实时操作系统 专业厂家为嵌入式应用推出了多种实时多任务操作系统 r t o s 如q n x p s o s n u l e u s v r t x v x w o r k 等 不仅代码紧凑 对硬件资源占用少 而且与用户程序一同固化到e p r o m 或闪存中就地运行 无需加载至内 存 此外 由于这类r t o s 专门针对了工业 军事 应用的需要 而不是从 n 华南理工大学硕士学位论文 商用操作系统改良而来 因而具有更强的任务切换和线程通信机能 实 时性和稳定性很强且支持多种微处理器及嵌入式控制器 包括d s p 在开 发或仿真系统支持下 可对硬件系统进行调试 甚至是多c p u 或d s p 系 统 和实时仿真 当然 这种开发方式也存在需专门购置r t o s 和开发工 具 以及需培训开发人员等不足 2 3 3 产品的调测方法 基于嵌入式处理器应用而开发的产品 根据开发阶段不同 主要分为 以下3 种调测方法 一 开发阶段的调测方法 1 r a m 版本的目标系统调试 在产品开发初期 由于各种软件和硬件问题很多 通过仿真器并结合 示波器等硬件信号测试工具能够很好地发现问题 在仿真器环境下 通过仿真器的监控软件来控制用户软件的运行 使 用断点 单步跟踪和查看变量 c p u 寄存器 存储器的数值等手段来查 找问题 在仿真器环境下 程序一般是在仿真器的r a m 存储器中运行的 所以此阶段也称为 r a m 版本的目标系统调试 2 r o m f l a s h 版本的目标系统调试 由于仿真器的监控软件和硬件需要一定的c p u 资源 用户软件在仿 真器环境下运行和脱离仿真器后独立运行是有区别的 在仿真器环境下 目标板运行调试正确后 一般的做法是将应用程序写入目标板的非易失 性存储器中 让目标板单独运行 在很多情况下 目标板系统往往不能 运行或者运行结果和仿真器环境下不一致 而没有连接仿真器 无法观 察各种软件状态 给问题分析造成一定困难 在目标板上设计指示电路 有助于发现问题 在电路板上增加一个l e d 是晟简单也是很有效的方法 对于复杂系统 可以设计一个数码管显示输出接口 或者设计一个调试 用串口 将调试信息发送p c 机上显示 二 生产阶段的测试方法 生产阶段的测试只是对硬件电路或者系统进行测试 测试目的是为了 对产品或者部件进行分捡 找出有缺陷的产品 测试内容包括 1 裸板测试 检查未安装元器件的电路板上的开路和短路缺陷 2 成品生产缺陷分析 检查已安装元器件的电路板上焊点的短路和开路缺陷 第二章微机硬件平台的开发调试环境 3 成品电气性能测试 认证每个单个元器件的上电运作 4 产品功能测试 认证电路模块的功能 生产测试和开发阶段的硬件测试不同 需要测试方法快速 能成批测 试 易于在制造生产线上安装 在生产线的不同阶段使用的测试工具和 技术也不相同 目前常用的测试工具和技术有