（通信与信息系统专业论文）基于dsp的电力信号采集处理板的研究.pdf

o f e l u 力人学硕f “学位沧文摘要 摘要 电力信号的精确采集和处理是f 乜力系统进行各种继电保护研究、电能质量分析 的基础。本文设计了基1 ：d s p 的数据采集与处理系统，完成了电力系统模拟信号的 精确采集、基频测量以及对铁电存储器f m 2 5 c l 6 4 的读写操作，并实时监测电力系 统的运行状况。本文重点讨论了几种计算模拟量有效值的算法尤其是付氏算法的原 理、中值滤波的原理以及实用的数字滤波器的设计方法。最后对各种有效值算法和 频率测量方法进行了大量的试验，并对试验数掘进行了精度分析。结果表明采用中 值滤波结合付氏算法计算出的模拟量有效值精度最高，可以达到o 1 。频率测量 可以精确到q - 0 0 l h z 。 关键词：d s p ，数据采集，付氏算法，铁电存储器 a b s t r a c t t h ea c c u r a t ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fe l e c t r i cp o w e rs i g n a la r ee s s e n t i a lf o r t h er e s e a r c ho nv a r i o u sr e l a yp r o t e c t i o nm e t h o d sa n dt h ea n a l i s i so fe l e c t r i ce n e r g y q u a l i t yt ob ec o n d u c t e di n t h ep o w e rs y s t e m ad s p b a s e dd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dt h ea c c u r a t ea c q u i s i t i o no ft h ea n a l o ge l e c t r i c s i g n a l ，t h em e a s u r e m e n to ft h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c y , t h er e a d i n ga n dw r i t i n g o p e r a t i o n sf o rt h ef e r r e l e c t r i cm e m o r yf m 2 5 c l 6 4a n dt h er e a lt i m em o n i t o r i n go f o p e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h ep o w e rs y s t e mh a v eb e e nr e a l i z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n s e v e r a l a l g o r i t h m sf o rc a l c u l a t i n gt h ev i r t u a lv a l u eo ft h ea n a l o gq u a n t i t i e s a r ed i s c u s s e d e m p h a t i c a l l y , w i t hp a r t i c u l a ra t t e n t i o nt ot h ep r i n c i p l e so ft h ef o u r i e ra l g o r i t h ma n dt h e m i d v a l u ef i i t e r i n ga l g o r i t h ma n dt h em e t h o df o rd e s i g n i n gt h e p r a c t i c a ld i g i t a lf i l t e r s a t l a s t ，ag r e a tn u m b e ro ft e s t sf o re a c ho ft h ev i r t u a lv a l u ea l g o r i t h m sa n dt h ef r e q u e n c y m e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ep e r f o r m e d ，a n dt h ea c c u r a c yo ft h et e s t - d a t ai se v a l u a t e d t h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ef o u r i e ra l g o r i t h mc o m b i n e dw i t ht h em i d v a l u e f i l t e r i n g a l g o r i t h mc a nr e a c ht h eh i g h e s tp r e c i s i o n a n da c c u r a c i e so fu pt o + 0 1 f o ra n a l o g q u a n t i t ym e a s u r e m e n ta n d o o l h zf o rf r e q u e n c ym e a s i r e m c n th a v eb e e na c h i e v e d r e s p e c t i v e l y z h a n gj u ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o l iz h a n gs h ue k e yw o r d s ：d sp d a t aa e q u i s i t i o n f o u r i e ra l g o r i t h m f e j 。r o e l e c t r i cm e m o r y 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 的电力信号采集处理板的 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 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。 学位论文作者签名： 歉莓 日期：銎堑：垒! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：酝蓬_ 日 期：；) 肋茎： 垒玉) 导师签名：蚓 日期：矽够、7 - 。；0 华北l b 力人学硕十学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章引言 随着d s p 微处理器技术的发展和应用领域的不断扩大，同时基于单片机的电力 信号的数据采集与处理系统在精确性和实时性等诸多方面表现出来的不足，基于 d s p 的电力信号采集与处理逐渐成为研究的主流。现在其硬件平台已相当成熟。在 信号采集部分，一般采取的方法是：互感器+ 采样保持器+ 多路转换开关+ a d 转 换器，在这个过程中，一般都需要应用有源或无源滤波器和必要的电平转换电路。 d s p 是整个信号采集与处理系统的核心。信号处理主要包括信号的采集、存储、计 算、传输等几个部分。其中信号的计算部分是整个系统软件的基础，而电力系统中 应用最多的是关于电压、电流等韵有效值和相位以及视在阻抗。两点乘积算法和付 氏算法是计算有效值应用较多的两种方法。为了提高计算的精度，往往在计算之前 剥采样值进行数字滤波。数字滤波的方法无论从理论上还是工程应用都很成熟，其 中f i r 、i i r 、自适应滤波都是传统的算法，而采用零、极点法设计数字滤波器是工 程上应用很广泛的方法，它们原理比较简单，滤波精度基本达到工程的要求，在微 机上实现也比较容易。随着数字信号处理技术的发展，以这些算法为基础的各种改 进的算法以及它们的各种数字化实现方法成为人们研究的重点。各种算法向着运算 量更少、存储区更小、速度更快的方向发展。 在数据的采集与处理系统中，和上位机通信也是必不可少的组成部分，一般系 统具备的资源是基于r s 一2 3 2 或r s 一4 8 5 标准的串行口，它们的应用比较简单，在传 输的数据量不太大时，基本能满足系统的要求。而u s b 总线具有通信速度快、可以 热插拔、即插叩用等非常好的特点，所以现在更多的系统配备了u s b 接口。随着 i n t e r n e t 的发展，采用基于t c p 1 p 协议的通信也成为一个发展的趋势。这些技术的 应用大大提高了电力信号数据采集与处理系统灵活性和使用范幽。 1 2 电力信号采集与处理系统发展的现状 1 2 1 对电力信号采集与处理系统的一般描述 电力信号采集系统即对电力系统电气量如电压、电流、频率等的采样、存储、 再处理、传输的过程。输入到系统的是原始的模拟信号，而系统要将其经过采样处 理转换为数字信号才能保存或传输，在这个过程中需要满足香农采样定律才能使数 字信号真实地反映原始模拟信号。山于数字芯片一般采用t t l 电平或c m o s 电平， 所以一般模拟信号是爿i 能直接输入的，这就需要必要的电- t - 转换和匹配电路。电力 华比f 也力人学硕+ 学位论文 信号数据采集处理系统的结构框图如图1 1 所示 输入信号 图1 1 信号采集与处理系统结构框图 1 2 2 电力信号采集与处理系统的发展现状 以前的控制器一般采用单片机，而单片机已从4 位、8 位、1 6 位在向3 2 位发 展，对大多数系统来说已经满足要求了。单片机有许多优点，如价格比较低廉、结 构简单、接口扩展能力强等。但有个很明显的缺点就是数学运算能力差，它可以应 用在些对采样信号数学处理较为简单的领域，而对信号的数学处理比较复杂的领 域来说，譬如通讯领域和复杂控制领域等，单片机就很难满足要求了。 单片机的速度也是制约单片机发展的一个主要问题。i n t e l 系列单片机的频率 也只有几m h z 到十几m t t z ，所以在系统实时性要求较高的场合，基于单片机的系 统很难达到要求。而d s p 在外部时钟源频率不太高时，利用p l l 锁褶环，c p u 的 时钟频率最高可达到外部时钟源频率的4 倍。另外d s p 的哈佛结构和专用的数字信 号处理指令也提高了它的运行速度。因此d s p 取代单片机是数据采集系统的发展趋 势。 在和上位p c 机之间的数据传输问题上，以前的数掘采集系统多采用基于 r s 一2 3 2 e g , 线或r s 4 8 5 标准的串口通信，r s 一2 3 2 的特氧是：波特率最大为1 9 6 0 0 波 特秒，传输距离一般不超过2 0 米，串口不能带电插拔：r s 一4 8 5 总线的传输距离为 几十米到上千米。而u s b 接口的特点是：u s b l 0 的数字传输率达到1 2 m b p s ，u s b 2 0 达到了4 8 0 m b p s 。u s b 实现了真矿的即插即用和热插拔，当用户需要将外设连接到 p c 机上对其进行功能扩展时，只需要拿起外设的接线将它插入到p c 机的u s b 接 口上就可以了，剩下的一切都有操作系统来处理。 由于一般的数据采集系统存在。卜而诸多问题，因此采用d s p 作为控制器，而采 用u s b ( 通用串行总线) 和上位机连接将是以后数掘采集处理系统发展的一种可能 的趋势。 华：e 电力人学硕七学位论文 12 3d s p f l 勺发展现状、应用领域和发展趋势 世界上第一颗d s p 芯片是美国德州仪器公司于1 9 8 2 年推出的。经过十几年的 发展，d s p 器件在高速度、可编程、小型化、低功耗等方面都有了长足的发展，单 片d s p 芯片最快每秒可完成1 6 4 亿次( 6 0 0 m i p s ，每秒1 6 0 0 兆次指令) 的运算。 随着d s p 使用的普及及生产工艺的不断提高，d s p 器件的价格不断下降，但性能不 断提高。d s p 器件应用面从起初的局限于军工、航空航天等领域，扩展到今天的诸 多电子行业及消费类电子产品中。 d s p 特性的体系结构使它的应用越来越广，譬如以下几个方面：经典算法方面： f f t 、f i r 、i i r 、相关等；现代算法方面：a r 、卡尔曼滤波、自适应滤波等；快速 处理方面：实时控制、机器人视觉、电机控制( 如变频空调) 等：图形图像处理方 面：三维动画、图像传输、图像压缩、电话会议、图像识别等；语音处理方面：语 音压缩编码、语音识别、语音信箱等；仪器、仪表方荷：医疗、数字滤波、谱分析 等：通信方面：m o d e m 、程控交换机、可视电话、蜂窝站、a t m 、移动电话等；民 用方面：数字音响、数字电视、多媒体等。 d s p 可能朝以下几个方面发展：d s p 追求更高速度、更小封装和更低功耗；d s p 的新概念：技术专用化；系统集成化；工艺上不断改进，结构上推陈出新等。 1 3 课题主要完成的工作 ( 1 ) 完成了系统的硬件设计。包括系统的总体规划、主要功能、元器件的选择、 原理图的设计、p c b 板图的制作等，以及几大功能模块的设计，包括：外部存储器 的扩展、d s p 与a d s 8 3 6 4 的接口、测频通道、d s p 与铁电存储器f m 2 5 c l 6 4 通过 s p i 总线的接口、d s p 与p c 机基于r s 一2 3 2 标准通信的接口，d s p 与u s b 总线接 口：吝片p d i u s b d l 2 的连接、备用的脉冲量输出通道等。 ( 2 ) 完成了系统的软件设计。包括输入摸拟信号的采集、对采样值的数字滤波、 应用两点乘积算法、导数法、半周积分算法、付氏算法计算输入模拟信号的有效值、 频率的测量、与p c 机的串口通信的软件控制和规约、对铁电存储器f m 2 5 c l 6 4 的 读写以及p d i u s b d l 2 的固件编程等。 ( 3 ) 完成了大部分功能的系统联调。包括系统的卡j j 始化，中断的控制，d s p 与 铁电存储器f m 2 5 c l 6 4 的通信，d s p 与p c 机的串f _ i 通信等。 ( 4 ) 通过软件产生模拟信号、直接应用信号发生器或利用电压互感器充分试验 了各种计算模拟量有效值的算法，验证了数字滤波器对测量误差的影响，得到了大 量的试验数掘，并通过试验得到了最适合本系统的算法。另外还进行了频率测量的 精度试验和串行口通信试验。 1 华北乜力人学硕十学俺论文 第二章系统硬件实现方案 2 1 系统中主要芯片简介 2 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的特点【2 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 甲台下的一种定点d s p 芯h 。它集成了数 字信号处理和电机运动的数字化控制功能，是高效、高精度的数字控制器。它的特 点是：采用高性能静态c m o s 技术使得供电电压降为33 v ，减少了控制器的功 耗；4 0 m p s 的执行速度使得指令周期缩短为2 5 n s ，提高了控制器的实时控制能力： 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，15 k 字的数据程序r a m 。5 4 4 字d a r a m 和2 k 字s a r a m ；可扩展的外部存储器总共1 9 2 k b 的空间：6 4 k b 程序存储器守问， 6 4 k b 的数据存储器空问6 4 k b i o 寻址空问；看门狗定时器模块( w d t ) ：串行 通信接口( s c i ) 模块：串行外设接口( s p i ) 模块：基于锁相环的时钟发生器：4 0 个可单独编程的复用输入输出引脚( g p i o ) ；两个事件管理器模块e v a 和e v b ， 每个均包括两个1 6 位通用定时器和8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道：3 个捕获 单元；5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 等。 另外t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在本文中详细的配置和应月j ，包括存储器的配置、系统 配置寄存器和中断的设置、系统的电源和时钟、引脚的功能、各个子模块的配置和 应用等将在后续的章节中结合系统各功能模块详细介绍。 2 1 2a d 8 8 3 6 4 的特性和工作原理4 j a d s 8 3 6 4 在本系统中完成模拟量的采集和模拟到数字的转换，它直接关系到模 拟量的测量精度。在此剥它的特点和工作原理进行详细介绍。 a d s 8 3 6 4 是高速、低功耗、六通道同步采样的1 6 位模数转抉器。a d s 8 3 6 4 中 的取样保持模块是咀最大吞吐率( 2 5 0 k h z ) 工作的，它的输入带宽大于a d c 的奈垒 斯特频率。而典型的小信号带宽是3 0 0 m h z 。孔径延迟时间( 转换器从取祥模式切换到 保持模式花费的时叫) 为5 n s ，每次的平均增量足5 0 p s 。这些特性反映了a d s 8 3 6 4 接收 输入信号的能力。 a d s 8 3 6 4 采用+ 5 v 工作f 压并带有8 0 d b 共模抑制的差分偷入通道以及六个 4 # s 连续近似的模数转换器、六个差分采样放大器。另外在r e f i n 和r e f o u t 引脚 内部还带有+ 25 v 参考电压。a d s 8 3 6 4 的六个模拟输入分为三组( a ，b 和c ) ，每 细都自一个保持信号h o l d x 以用来保证某一纰通道或某几组通道进行采样和转 搬。a d s 8 3 6 4 的差分输八亓1 在v | l 到：v r f f 之问变化。 欹。a d s 8 3 6 4 的差分输八亓1 在一v j - 剑。v r f f 之间变化。 4 华北i 乜力人学顶十学位论文 第二章系统硬件实现方案 2 1 系统中主要芯片简介 2 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的特点 2 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台下的一种定点d s p 芯片。它集成了数 字信号处理和电机运动的数字化控制功能是高效、高精度的数字控制器。它的特 点是：采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的功 耗；4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短为2 5 n s ，提高了控制器的实时控制能力； 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，1 5 k 字的数据程序r a m 5 4 4 字d a r a m 和2 k 字s a r a m ；可扩展的外部存储器总共1 9 2 k b 的空删：6 4 k b 程序存储器空问， 6 4 k b 的数据存储器空阳j ，6 4 k bi o 寻址空间；看门狗定时器模块( w d t ) ：串行 通信接口( s c i ) 模块；串行外设接口( s p i ) 模块：基于锁相环的时钟发生器；4 0 个可单独编程的复用输入输出引脚( g p i o ) ；两个事件管理器模块e v a 和e v b ， 每个均包括两个1 6 位通用定时器和8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道：3 个捕获 单元；5 个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 等。 另外，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在本文巾洋细的配置和应用，包括存储器的配置、系统 配置寄存器和中断的设置、系统的电源和时钟、引脚的功能、各个子模块的配置和 应用等将在后续的章节中结合系统各功能模块详细介绍。 2 1 2a d 8 8 3 6 4 的特性和工作原理【3 】【4 a d s 8 3 6 4 在本系统中完成模拟量的采集和模拟到数字的转换，它直接关系到模 拟量的测量精度。在此对它的特点和工作原理进行详细介绍。 a d s 8 3 6 4 是高速、低功耗、六通道同步采样的1 6 位模数转换器。a d s 8 3 6 4 中 的耿样保持模块是以最大吞吐率( 2 5 0 k h z ) 工作的，它的输入带宽大于a d c 的奈奎 斯特频率。而典型的小信号i 痔宽是3 0 0 m h z 。孔径延迟时间( 转换器从取样模式切换到 保持模式花费的时闯) 为5 n s ，每次的平均增揖是5 0 p s 。这些特性反映了a d s 8 3 6 4 接收 输入信号的能力。 a d s 8 3 6 4 采斤 + 5 v 工作电压，并带有8 0 d b 共模抑制的差分输入通道以及六个 4 p s 连续近似的模数转换器、六个差分采样放火器。另外，在r e f l n 和r e f o u t 引脚 内部还带有+ 2 5 v 参考电压。a d s 8 3 6 4 的六个模拟输入分为三组( a ，b 和c ) ，每 纽都有一个雠拷信号h o l d x 以用来保证某一组通道或某几纵通道进行采样和转 掀。a d s 8 3 6 4 的差分输入可在一v r 刚- 到+ v r f f 之问变化。 4 华北电力人学硕十学位论文 a d s 8 3 6 4 模数转换器中的六个1 6 位a d c s 成对的同步工作。三个保持信号 h o l d a 、h o l d b 、h o l d c 可以启动指定通道组的转换。在a d s 8 3 6 4 的h o l d x 信 号保持至少2 0 n s 时，指定通道转换开始。当三个保持信号h o l d a 、h o l d b 、h o l d c 同时选通时，六通道实现同步采样，在随后的二十个时钟周期里，a d s 8 3 6 4 进行模 拟到数字的转换，结果将保存在六个转换结果寄存器中，同时引脚e o c 输出一个低 电平，此低电平将保持半个时钟周期的时间。d s p 收到e d c 信号后，按照地址模 式信号( a 0 ，a l ，a 2 ) 、b y t e 和a d d 信号共同决定的方式从a d s 8 3 6 4 读取数据。 a d s 8 3 6 4 推荐的工作环境如表2 1 所示。在本系统中，a v d d = d v d d = + 5 v ， b v d d = 3 3 v ，v r e f = 2 5 v ，标准点电压c v 为2 5 v ，模拟信号的输入范围是0 + 5 v 。 表2 1a d s 8 3 6 4 的工作环境 工作环境最小值标准值最大值单位 a g n d a v d o 4 7 5 55 2 5v b g n d b v d d ( 低电平标准) 2 73 6v 5 v 逻辑电平 4 555 5v d g n d d v d d 4 7 555 2 5 v a v d d 与d v d d 偏差 一0 3o0 | 3 v 参考输入电压v r e f 1 52 52 6 v 标准占信号一i n2 22 52 8v 模拟输入+ i n ( 一玳) o v r e f v 工作温度 一4 01 2 5 2 1 3f m 2 5 c l 6 4 简介5 2 1 3 1f m 2 5 c l 6 4 概述 f m 2 5 c l 6 4 是6 4 k 位的非易失性铁电随机存储器，结构容量为8 1 9 2 * 8 位，它 理论上有无限次的读写次数，掉电数据保持1 0 年，写数据无延时，先进的高可靠 性铁电制造工艺，快速s p i 串行协议，最大达到5 m 的总线速度，硬件上直接替代 e e p r o m ，支持s p i 的模式0 & 3 ；完善的写保护，包括硬件写保护和软件写保护； 静态工作电流：1u a ；工业温度：4 0 t o + 8 5 ：封装：8 - p i ns o i c 。 f m 2 5 c l 6 4 的大多数功能通过s p l 接口来实现，内存的存取是以s p i 总线的速 度进行，一个新的总线传输将数据移入器件的i 司时，一个写操作已经完成。 f m 2 5 c l 6 4 的特点是快速的写入速度和极高的擦写次数。另外，在高噪声环境下， 出于f m 2 4 c l 6 4 的写入时间很短，所以受干扰的可能性比较小。 213 2f m 2 5 c l 6 4 的数据格式和通信协议 华北l 乜力人学硕十学位论文 f m 2 5 c l 6 4 的每个字单元为8 位，数据位串行移出。它使用s p i 协议，包括一 个芯片选择( 它允许总线上连接多个器件) 。一个操作码和两字节的地址，地址的高 三位不用，1 3 位的完整地址指定了一个唯的字节地址。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的s p l 接口是使用时钟及数据线的同步串行接v i 它支持多个 器件挂在同一总线上，每一个器件使用片选信号使能。在本系统中使用了一个器件， 即；f m 2 5 c l 6 4 。一旦总线控制器使f m 2 5 c l 6 4 的片选c s 有效，f m 2 5 c l 6 4 将监视 时钟及数据线。c s 的下降沿、时钟、数据之间的关系是由s p i 接口模式来定义的。 总共有四种接口模式，f m 2 5 c l 6 4 支持模式0 或3 。在本文中使用模式0 ，即数据在 时钟的上升沿移进f m 2 5 c l 6 4 ，并且数据出现在c s 有效后的第一时钟的上升沿。 s p i 接口通过操作码来控制，这些操作码指出了操作器件的命令。当c s 有效后， 第一个被传输的字节就是操作码，紧跟着操作码之后是任意的地址或者数据。一些 操作码没有并发数据传输的命令。c s 信号在一个操作完成后及一个新操作开始前 必须无效，在一个有效的芯片选择周期内，只能发出一个合法的操作码。 f m 2 5 c l 6 4 菇有六个被称为操作码的命令，列在表2 2 中。这些操作码控制存 储器的操作，共分为三类，第一是没有并发操作的命令，它们只执行一些单的功 能；第二是紧跟一个操作数的命令，他们对状态寄存器( 状态寄存器的结构安排见 表2 3 ) 进行操作；最后一类是对内存进行操作的命令，命令后面会紧跟地址或者 一个或多个字节的数据。 表2 2f m 2 5 c l 6 4 的操作码 命令名称功能描述命令值 w r e n设置写使能寄存器 00 000l 10b w r d i禁止写oo0 00100b r d s r读状态寄存器0 0000 10 lb w r s r写状态寄存器o 0 o 0 000 1b r e a d读内存数据o0 000 0l lb w r i t e写数据到内存oo 0o0 010 b 表2 3f m 2 5 c l 6 4 的状态寄存器 l 位号 7654 3 2lo 1 名称w p e n oo0b p lb p ow e l o 在表2 3 中，位0 和位4 6 固定为0 ，并且不可修改。w p e n 位控制硬件w p 管脚的作用，当w p e n 为0 时，w p 引脚的状态被忽略，当w p e n 为1 时，w p 引 脚控制对j 淡态寄存器的写操作，如- 2w p e n = 1 同时一w p = 0 ，那么状态寄存器被写保 护。b p l 和b p 0 控制内存写保护的范m 。w e l 标志位表f ! j 了写使能寄存器的状态。 6 华匕电力人学硕十学位论文 写状态寄存器中的w e l 位是没有效果的。 在本文中，利用铁电存储器f m 2 5 c l 6 4 保存六个模拟量输入通道的调零参数， 以保证这些参数在系统掉电时不会丢失。 2 1 4p d l u s b d l 2 的简介1 2 1 4 1p d i u s b d i2 概述 p d i u s b d l 2 是一种价格低、功能强的高速通用串行总线( u s b ) 接口器件，它通 常用在微控制器系统中，通过并行口和控制器进行高速通讯，它也支持本地d m a 传输。它有如下的重要特点： f i ) 和u s b l 1 完全兼容 ( 2 1 片内集成了s i e 、f i f o 、收发器和电压调整电路 f 3 ) 和外部微控制器的高速并口相连接 f 4 ) 块传输和同步传输下可达l m b p s 的传输速率 ( 5 ) 支持总线供电，有很好的抗电磁辐射能力 ( 6 ) 可软件控制u s b 总线连接和断丌 ( 7 ) 有连接指示器( s o f l c o n n e c t ) ( 8 ) 有上电复位和低电压复位电路 ( 9 ) 能输出可编程的脉冲 2 1 4 2p d l u s b d l2 的功能 ( 1 ) 模拟收发器。集成的收发器直接通过终端电阻与u s b 电缆接口a ( 2 ) 电压调整器。片上集成的1 个3 3 v 电压调整器为模拟收发器供电，该电压 还作为输出连接到外部1 5 k f 2 上拉电阻。可选择p d i u s b d l 2 提供的带l5 k f 2 内部上 拉电阻的s o f t c o n n e c t 技术。 ( 3 ) p l l 锁相环。片上集成了6 4 8m h z 的时钟乘法p l l ，这就允许使用6m h z 的低成本晶振，电磁耦合也随之降低。p l l 的工作不需要外部器件。 ( 4 ) 位时钟恢复。位时钟恢复电路用4 倍过采样规则从输入的u s b 数掂流中恢 复时钟，能跟踪u s b 规定范围内的信号抖动和频率漂移。 ( 5 】p h i l l p s 串行接口引擎p s i e 。p s i e 完全实现u s b 协议层，且完全由硬f l ： 实现，不需要固件参与。这个模块的功能包括：同步模式识别、并行串行转换、位 填充解除填充、c r c 校验，产生、p i d 校验产生、地址识别以及握手鉴定产生。 ( 6 ) s o f t c o n n e c t 。s o f l c o n n e c t 与u s b 的连接通过1 个1 5 k q 的上拉电阻把d + 接 到高也平。在p d i u s b d l 2 中这个二拉电阻集成在芯片内，默认状态没有连接到 v d d ，其连接的建立靠外部m c u 发。个命令。这使得系统微处理器川。以在决定建立 7 华北电力人学硕十学何论文 u s b 连接之前完成初始化。重新初始化u s b 总线可以不用拔掉电缆来完成。 ( 7 ) g o o d l i n k 。g o o d l i n k 靠一个引脚接发光二极管实现。在u s b 设备枚举时 l e d 指示灯间歇闪烁；当p d i u s b d l 2 成功枚举并配置时，l e d 指示灯将会始终亮； p d i u s b d l 2 进行数据传输过程中，l e d 将i b j 歇闪烁，传输成功后l e d 熄灭：在挂 起期闯，l e d 熄灭。这种特性可以使我们知道p d i u s b d l 2 的状态，方便电路调试。 ( 8 1 存储器管理单元m m u 和集成r a m 。m m u 和集成r a m 作为u s b 之问速 度差异的缓冲区，这允许微控制器以自己的速度读写u s b 包。 2 1 4 3p d i u s b d l2 的命令概述 p d i u s b d l 2 通过命令和d s p 进行通信，d s p 先发命令给p d i u s b d l 2 ，该命令 可能引起一系列的数据接收和发送过程。附录1 列出了p d i u s b d l 2 支持的所有命 令，把它分成三类：初始化命令类、数据流命令类和一般命令类。 ( 1 ) 初始化命令类：初始化命令在设备枚举过程中使用，用来激发功能设备。 包括设置地t j k 使能、设置端点使能、设置模式、设置d m a 。 ( 2 ) 数据流命令类：数据流命令用于管理在u s b 终端和d s p 之间的数据传输。 包括读中断寄存器、选择端点、读最后处理状念、读写缓冲区、设置端点状态、读 端点状态、应答设置、缓冲区清零、使缓冲区有效等。 ( 3 ) 普通命令类：普通命令包括发送恢复和读当前帧数目。 2 2 电力信号采集处理板整体设计 2 2 1 硬件整体逻辑布局8 【9 i 信号采集与处理系统整体结构框图如图2 一l 所示。 l s t t 7 4 l v t l6 2 4 5 p 日 c y 7 c 10 2 1 c v 3 3 n 降拟量采5 二= | a d s i 3 6 4 , - - 1 日l p d i u s b d l2昌 i 前向通道i ”l 叽 一i 竹一 m 1 - 尸 匐 7 4 l v c 2 4 4 l 卜 冉 m a x 2 0 2 o , - - 1 f7 1 1 2 5 c l 6 4 i 2 5 v 时，l m 3 9 3 输出正的最大值，2 7 0 1 截止，f i n = 1 ( 高电平) 。原理时序如图2 8 所示。在t l 时刻，f i n 端的信号发 生出高电平到低电平的跳变，被d s p 的引脚c a p 2 捕获( 将c a p 2 设置为检测下降 沿) ，此时通用定时器2 的计数值存放在c a p 2 f i f o 寄存器的底层；在t 2 时刻，f i n 端的信号又发生跳变，但是出低电平到高电平，所以对c a p 2 无影响；在t 3 时刻， f i n 端的信号又发生由高电平到低电平的跳变，c a p 2 第二次把它捕获，此时通用 定时器2 新的计数值存放在c a p 2 f i f o 寄存器的顶层；两次的时f l t j 差即是a 相电压 的周期，从而可得a 相电压的频率。 由以上分析可知道，只要对方波信号的连续的两个下降沿进行捕捉，得到两个 计数值，且这两个计数值处于在定时器的同一个计数周期内，即计数无溢出，那这 两次计数值的差值就是方波信号的周期。设定时器的计数周期为t c o u n t ，待测信号 的周期为t s ，那么，要保证在定时器的一个计数周期内捕获到两个上升沿，t c o u n t 与t s 应有如下关系： 2 t s t c o u n t 3 t s 所测量的信号的频率在4 0 h z 到6 0 h z 之f t l j ，典型值为5 0 h z 。也就是说t s 的典 型值为o ，0 2 s ，这就要求设置定时器的计数周期在o 0 4 s 至o 0 6 s 之f n j ，本系统的 c p u c l k 为4 0 m h z ，定时器的计数值为最大6 5 5 3 6 ，如果定时器直接使用内部时钟 为时钟源，则最大计数时间周划为： 华北电力人学硕一i 学位论文 t c o u n t ：堕! ! 。0 0 0 1 6 s 4 0 1 0 0 0 0 0 0 因此，不能直接使用内部时钟作为时钟源，应对其进行预定标，预定标因子n ( 1 ，2 ，4 ，8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ) 应满足： 0 0 4 n 0 0 0 1 6 0 0 6 得2 5 v e c sp a g e0 p v e c s ： p v e c sp a g e0 t e x t ： ) p r o gp a g e0 c i n i t ： p r o gp a g e0 s w i t c h ： ) p r o gp a g e0 c o n s t ： s a r a mp a g e1 b s s ： s a r a mp a g e 】 s t a c k ： ) s a r a mp a g el 如果在s i m u l a t o r 环境下，命令文件如下配置 m e m o r y p a g eo ： ) 华，i t 电力人学硕1 学位论文 p r o g ： o r g = 0 10 0 0 h ，l e n = 6 0 0 0 h p a g e1 ： m m r s ：o r g = o h ，l e n = 0 5 t h b 2 ： o r g = 0 0 0 6 0 h ，l e n = 0 0 0 2 0 h b o ： o r g = 0 0 2 0 0 h ，l e n = 0 0 1 0 0 h b 1 ： o r g = 0 0 3 0 0 h ，l e n = 0 0 t 0 0 h s a r a m ： o r g = 0 0 8 0 0 h ， e n = 0 0 8 0 0 h ) 3 1 4 中断向量文件v e c t io n a s m 的配置 t i t l e ”v e c t o r s ，a s m ” r e f _ n o t h i n g ，一c i n t o r e f i n t l ，c a p i n t ，一s c i a t t r s e c t”v e c t o r s r e s e t ：bj j n t o i n t l ：b 一玳t 1 i n t 2 ：b _ n o t h i n g i n t 3 ：b n o t h i n g i n t 4 ：b c a p i n t i n t 5 ：b s c i a t t r i n t 6 ：bn o t h i n g 其中， ci n t o ：复位中断向量，固定在系统中，不需用户自己编写 i n t l ：外部中断l 服务程序入口向量： c a p i n t ：捕获频率变化中断服务程序入口向量； s c i a t t r ：串口通信中断服务程序入口向量； 一n o t h i n g ：是使程序误入中断后能返回； 3 2 软件各功能块的设计 3 2 1 主程序设计 主程序主要的任务是：系统状态和控制寄存器的设置：复用引脚的配置：d s p 各个模块的初始化；实时监测电网的运行状况等。 3 2 1 1 状态寄存器的配置 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有两个状态寄存器s t o 和s t l ，含有各种状态羽i 控制位。这些 控制何部叫被诅独胃伉或清零。在此系统q ，采用在c 语苦巾嵌入单句汇编语井指 2 3 华北l u 力人学硕十一、产l 寺论文 令的方法对这些控制位进行配置。配置信息如下： a s m ( ”s e t c i n t m ”) ：i n t m = l ，禁止所有的可屏蔽中断；在所有功能模块结束和 中断返回时，要设置1 n t m = 0 ，重新允许中断。 a s m ( ”s e t cs x m ”) ；s x m = 1 ：数据通过定标移位器传送到累加器时将产生符号 扩展。 a s m ( ”c l r co v m ”) ：o v m = 0 ，累加器中结果正常溢出。 a s m ( ”c l r cc n f ”1 ；c n f = 0 ，可配置的双口r a m 区被映射到数据存储空间。 3 2 1 2 与系统运行有关的几个重要的寄存器的配置： 4 w d c r = 0 x 0 0 e 8 ；禁止看门狗 w s g r = 0 x 7 f f ；访问外部的程序存储器、数据存储器和i o 存储空间时均插入7 个 时钟等待周期。 由于d s p 的读写周期很短，当访问外部的存储器和i o 口的时候，如果不插入 等待周期，访问时序就会不匹配，从而导致对存储器和对i o 口不能正确访问。 + s c s r l = o x o 。7d c l k o u t 引脚输出c p u 时钟，输入时钟p l l 倍频系数是4 ，禁 止片内a d c 模块、e v b 的时钟，使能s c i 、s p i 、c a n 、e v a 模块的时钟，且正常运 行。 + 1 3 a r = 0 x 0 0 1 3 ；使能中断级l 、2 和5 。 t i f r = 0 x f 砸清除所有的中断标志。 3 2 1 3 主程序的流程图如图3 1 所示： 例3 1 主程序流程图 3 22 各功能模块程序设计 3 221i 0 复用引雕i 的配置 华北i u 力人学硕十学位论文 d s p 的很多复用引脚是既可做通用输入输出脚，又可用作其它一些特殊功能， 所以在使用它们以前要首先正确配置为希望的功能。这些引脚的配置由三个寄存器 m c r a 、m c r b 、m c r c 控制。其中m c r a 控制p a 和p b 的配置，m c r b 控制p c 和p d 的配置，m c r a 控制p e 和p f 的配罱。它们在此系统中的具体配置是： * m c r a = 0 x 1 0 1 7 ；p a 0 和p a l 为s c i 功能，p a 2 为x i n t l ，p a 3 5 为c a p 功能， p b 4 为t i c m p 功能 + m c r b = 0 x f e 3 c ；p c 2 p c 5 为s p i 功能，p d i p d 7 为仿真器引脚 * m c r c = 0 x o c 0 0 ：p e 7 、p f 0 为c a p 功能，p f 2 、p f 3 为t c m p 功能 3 2 2 2 数据采集程序的设计 ( 1 ) 通用定时器t l 的初始化配置： * t i c o n = 0 x 1 0 0 6 ；使能通用定时器1 ，t 1 为连续增计数模式，预分频值为1 ，使用 内部时钟； 4 g p t c o n a = * g p t c o n a l0 x 4 2 ；使能t i m e r l 的比较输出，低电平有效；