（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的电力负荷管理终端的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rl o a dm a n a g e m e n tt e r m i n a li sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fp o w e rl o a d m a n a g e m e n ts y s t e m ；w i t h 也ec o n s t a n tp r o m o t i o ni ne c o n o m i cr e f o r mo f p o w e rm a r k e t , t h e ”c o n t r o l “f u n c t i o no fp o w e rl o a dc o n 仃o ls y s t e mi sw e a k e n e dr e l a t i v l y , b u ts o m e n e w r e q u i r e m e n t ss u c ha sp o w e ri n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t , m a r k e t i n gm a n a g e m e n ta n d d e m a n d 。s i d em a n a g e m e n th a v eb e e n p u t f o r w a r d i no r d e rt o a d a p t t ot h e d e v e l o p m e n t , p o w e rl o a dc o n 打o ls y s t e mh a ss t r e n g t h e n e dt h ef u n c f i o no fp o w e rl o a d m a n a g e m e n ta n db e c o m ep o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e m , w h i c hs e r v et oe l e c t r i c p o w e rm a r k e t i n gc u s t o m e rs e r v i c ea n dp o w e rd e m a n ds i d em a n a g e m e n t b a s e do n c a r e f u l l ya n a l y z i n g a n dc o m p a r i n go fd i f f e r e n t m i e r o p r o c e s s o r s p e r f o r m a n c e w e s e l e c tt h ea d s p - b f 5 3 3 t h i ss c h e m eu t i l i z e dt h e s t r o n g d a t a p r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo fd s pt oi n t r o d u c eh a r m o n i ca n a l y s i si n t ot h ed e s i g no fl o a d m a n a g e m e n tt e r m i n a l 。 t h eh a r d w a r eo ft h e1 0 a dm a n a g e m e n tt e r m i n a ld e v e l o p e db yt h i sd i s s e r t a t i o n i n c l u d e dm o d u l e ss u c ha sd a t ac o l l e c t i o n m o d d e ，c o n t r 0 1m o d d e d i s p l a y m o d u l e ，c o m m u n i c a t i o n sm o d u l e ，e t c ，a n da l s oa s s i s t a n tc i r c u i ts u c ha sc l o c kc i r c u i t , f r e q u e n c yd e t e c t i n ge t c w 色t o o kal o to ft i m ea n de x p e r i e n c et of m i s ht h ed e f e n d i n g i n t e r f e r ed e s i g no fs y s t e m , w h i c hs t r e n g t h e n e ds t a b i l i t yo ft h ep o w e rl o a dm a n a g e m e n t t e r m i n a l a n dt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r eo ft h el o a dm a n a g e m e n tt c l - m i n a lf i l m l i e dt h e r e q u i r eo f s y s t e m n es o f t w a r ed e s i g nf o l l o w e dm o d u l ed e s i g np r i n c i p l ea n dt o p - t o - d o w nd e s i g n p r i n c i p l e n l ed e s i g n i n gm e n t a l i t yo fm a i nr o u t i n e a di n t e r r u p tr o u t i n ea n di n t e r r u p t r o u t i n ew e r ei n l z o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea ，ds a m p l i n gc i r c u i tw a so n eo ft h e c o r ec i r c u i t ss ot h a tia n a l y s e di ti nd c t a i l t h ef i r hc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e dt h et e s to u t c o m ea n dg l t o r a n a l y s e w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n ta n di l s eo fd s pa n dn e t w o r kc o m _ m m n j c a t i o n , t h ep o w e r 1 0 a dm a n a g e m e n tt e m e n a lw o u l db er e n e w e d , a n di t sf u n c t i o n sw o u l db em o r es t r o n g e r a n dm o r ef u l l e r t h ep r i c ew o u l db em o r el o w e r t h ed e v i c es h o u dh a v ev e r yg o o d a p p l i e dw o r t h i n e s s k e y w o r d s ：p o w e rl 0 a dm a n a g e m e n tt e r m i n a l ，d 蝤协ls j g n a lp r o c e s s i n g ， 诹1 j l 亡工繁火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结 学位论文作者签名：日期：年月 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，即：学校有权保留 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 权湖北工业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。 蝴槲张嘶撇师斟 日期：年 月 日 日期：年月 日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第1 章引言 随着我国经济的快速发展，对能源的要求越来越高，而电能是其中最为重要 的能源之一。以前的电力负荷管理系统不能完全适应现代电力发展的要求，国家 发改委和电监会提出要发展新的电力负荷管理系统，以适应国家在用电管理方面 的发展，并提出相应的规范。d s p 技术以及通讯技术的快速发展和应用，为新的 电力负荷管理系统提供了有力的技术保障和支持。 1 2 电力负荷管理系统的概述 以计算机应用技术、现代通信技术、电力自动化控制技术为基础的管理系统 我们称为电力负荷管理系统，它是集用电管理和负荷控制管理于一身的大型信息 采集、处理和实时监控系统。它服务于电力营销管理工作，是电力营销、客户服 务和电力需求侧管理的必要技术手段，也为电力走向市场提高其社会经济效益提 供技术支持i l 】。电力负荷管理系统由系统主站、客户端负荷管理终端和主站与终端 问的通信信道组成【2 1 。下面是电力负荷管理系统示意图1 1 。 图1 1 电力负荷管理系统示意图 以前的电力负荷管理系统有很多不适应现在电力发展的需求，所以应国家发 湖北工业大学硕士学位论文 改委的号召我们设计出新的电力负荷管理系统。当然新的电力负荷管理系统是在 以前的电力负荷控制系统基础上发展起来的。对电力负荷进行当地闭环控制和远 方遥控为电力负荷控制系统的主要功能。但随着我国电力供需矛盾有所缓解，生 产的暂时调控和电力事业的发展，电力负荷控制系统的“控制”功能作用相对减 弱。而由于国民经济的发展和人民生活水平的提高，对电能质量和负荷管理水平 的要求却越来越高。新的形势要求我们有新的变化，为适应我国电力市场发展的 新形势，我们在原有的电力负荷控制系统的控制功能基础上加强了负荷管理功能， 以达到为电力营销、客户服务和电力需求侧管理工作服务的目的1 3 4 1 。根据原电力 部专家的意见，从1 9 9 8 年起，我国电力负荷控制系统改称为电力负荷管理系统嘲。 到2 0 0 0 年，全国大部分城市的负荷管理系统开始纳入城市电网建设规划 1 3 电力负荷管理终端的概述 1 3 1 电力负荷管理终端的国内外的研究现状 目前，国内外研制和开发同类产品的公司很多，功能上也是各有侧重，但基 本上都是集测量、控制与通信功能于一体。国外有很多较先进的产品，但由于其 面板操作较复杂，技术实现上与国内有所差异，加之价格昂贵，所以不完全适合 我国配电网的现状和要求。 我国从1 9 7 7 年底开始电力负荷管理技术的研究，到现在已经3 0 年了，这3 0 年大致可以分为三个阶段。第一个阶段是探索阶段，在1 9 7 7 年至1 9 8 6 年我国研 究了国外电力负荷管理技术所采用各种方法，然后经过我们科技人员的努力自行 研制了多种装置，其中包括音频、工频波形畸变、电力线载波、电话线传送控制 信号和无线电控制等，同时又从国外购买了一批音频电力负荷控制设备。第二个 阶段是有组织的试点阶段，在1 9 8 7 年至1 9 8 9 年，主要是试点开发国产的音频和 无线电负荷控制系统，各生产了两套，分别在济南、石家庄和南通、郑州安装使 用，都获得了成功。1 9 8 9 年底山能源部在郑州召开了“全国计划用电暨电力负荷 控制技术推广应用工作会议”，使我国电力负荷控制系统的研制、生产和推广应用 工作进入一个新时期。第三个阶段就是发展和应用阶段。1 9 9 4 年出现了著名的9 4 规约，它是当时通用的电力负荷管理规约，同时由海军无线电研究所根据9 4 规约 研制并生产的电力负荷控制系统增加完成了营业部门所需的用户购电、远方抄表 等用电管理功能。电力部在1 9 9 5 年底将负荷控制和用电管理功能作为电力负荷控 制系统必备指标，以部颁标准形式公布，从而使电力负荷控制系统进入了电力负 荷管理阶段。到了2 0 0 1 年，由于中国裁减了大批小型发电厂，造成了电力紧张， 湖北工业大学硕士学位论文 电力负荷管理终端再次得到重视。 我国的电力负荷管理终端是2 0 0 4 年开始成熟并得到广泛应用的。在2 0 0 4 年 国家发改委和电监会高度重视电力负荷管理终端的发展，并出台了一系列相关的 文件电力负荷管理系统功能规范1 1 ，电力负荷管理系统通用技术条件旧及 电力负荷管理系统数据传输规约一2 0 0 4 【7 j 。 电力负荷管理终端是一种电气测控装置。电测量理论及仪表技术是这类装置 中的一项重要技术。以模拟量测量为主是早期的电测量技术。电压、电流波形等 间隔采样技术的出现，是随着数字电子技术和微电子技术的引入而发展起来的， 数字电子技术在测量领域的作用日益增大，数字式仪表逐渐代替模拟式电测仪表。 到2 0 世纪8 0 年代中期，大规模集成电路技术的发展使得电气测控装置有了质的 飞跃。由于芯片体积缩小到可以置入装置内部，这就使得装置具有了控制、存储、 运算、逻辑判断及自动操作等智能化特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、 自动化程度，以及解决测量问题的广度和深度等方面均有了明显的进步网。 1 3 2 电力负荷管理终端的作用 随着国民经济的高速发展，用电负荷快速增长，国家和部分地区的电网备用 容量过小，长期处于满负荷运行的紧张状态，当高峰来临的时候，无法进行有效 调控。为了保证电网的安全运行，在发供电设备发生故障时，不得不采取拉闸限 电的办法来降低电网负荷。这样做给居民生活带来很大的不便，一拉一条线，超 用电的用户被停电，不超用电的用户也被停了电。这种无计划的拉闸限电，不仅 会造成工厂企业突然停电，给企业和国民经济带来重大的经济损失，还会给人民 的生活和社会秩序带来严重影。当然我们也要考虑的时部分厂矿企业、事业单位 电力的使用效率不高，甚至严重浪费电力的情况时有发生，直接带来用电的紧张 局面。 有了电力负荷管理终端，我们就可以根据历史数据对未来的用电情况用很好 的参考，并能做好及时的用电负荷预测。什么时候时用电高峰，什么时候是用电 低谷，都一幕了然，我们电力部门就可以根据这些数据，做好充分的准备工作， 应对不同的情况。 负荷管理终端是电力负荷管理系统最基本的组成单元，数据采集和负荷控制是 其两大基本功能，其采集监控的对象包括变电站、各类用户、公用配变、以及并 网自备电厂等。由于终端的数据采集精度、功能配置和运行可靠性直接影响着电 力负荷管理系统运行的可靠性，因而它起着举足轻重的作用。相信不远的将来， 我们的电能利用率将得到很大的提高。 3 湖北工业大学硕士学位论文 1 4 本文研究的内容 借鉴国内外研制同类装置的经验，研究开发一种新的负荷管理终端单元，以 适应电力负荷管理系统的发展新的需求。具体研究内容包括以下几方面： 1 分析由于电力工业的发展给电力负荷管理系统及其终端设备带来的新需 求，明确所要开发的负荷管理终端应具备的功能配置和要达到的性能要求，确定 装置结构； 2 根据负荷管理终端所要达到的功能和性能要求完成芯片的选型； 3 分析和运用负荷管理终端各项功能所需要各种软件算法，包括交流采样算 法、砰t 算法； 4 根据性能技术要求对负荷管理终端进行硬件电路设计，在设计过程中注重 硬件抗干扰技术的运用，然后制作电路板； 5 根据负荷管理终端需实现的功能要求和所设计的硬件电路，完成部分软件 模块的设计和调试； 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章器件的选型和算法的选择 技术指标要求是我们设计所要达到的效果，这里专门将这些要求罗列出来， 可以使得我们的设计包括主要器件的选型和算法的选择，具有很强的针对性。 2 1 电力负荷管理终端的技术指标要求和基本功能 2 1 1 技术指标要求 电压规格： 3 x 5 7 5 v 3 x 2 2 0 v3 x l o o v 电压电流精度：o 5 有功功率精度：1 无功功率精度：2 工作温度： - 2 5 6 5 相对湿度： 9 5 电压范围：额定电压3 0 0 4 频率范围： 5 0 h z 1 0 设计寿命：1 5 年 下面是e m c 电磁兼容方面的要求： 工频耐压：2 k v 冲击电压： 6 k v 静电放电：8 i w 快速脉冲群：信号回路 2 k v 电源回路4 k v 浪涌：差模电压2 k v 共模电压4 k v 2 1 2 终端实现基本功能 1 用电监测及负荷控制 ( 1 ) 实时采集用户用电的三相电流、三相电压、三相及总的有功功率、无功功 率、视在功率、功率因数、电网周波。 ( 2 ) 提供需量和最大需量及其发生时间。为我们提供大量的历史数据，有利于 湖北工业大学硕士学位论文 进行系统的负荷预测，就象天气预报一样。 ( 3 ) 能够设定用户的功率定值时间，在用户用电越限后终端自动判断并及时 报警，如超过设定的报警时限则跳闸，这样可以很好的进行用电管理。 ( 4 ) 支持本地功率控制、月电量控制、购电量控制、远方直接控制。支持保电、 临时限电控制方案。 ( 5 ) 提供电网状态如过压、欠压、断相、超负荷、失流、电流不平衡等信息。 2 自动抄表 可以实现对用户侧计量用电子式电能表以r $ 4 8 5 通信的方式远程抄表，支持 4 块以上电能表。自动抄表的数据包括：正向有功总尖峰平谷电量、反向有功总尖 峰平谷电量、正向无功总尖峰平谷电量、反向无功总尖峰平谷电量、i i i i i i i v 象 限无功总尖峰平谷电量、最大需量及其发生时间、电流电压，功率，功率因数等。 3 用电检查： ( 1 ) 能记录失压、断相、三相不平衡、过压、欠压等事件 ( 2 ) 能统计电压越限时间和电压合格率 ( 3 ) 能及时发现计量表计故障如电量飞走、倒走、电池异常等信息 ( 4 ) 能发现计量箱门打开事件 ( 5 ) 所有事件发生时能记录现场的一些参数，供分析处理 4 异常报警信息上报 告警信息实时显示，其中一个很重要的功能就是窃电报警，c t 短路开路检测 报警。防窃电报警的要针对窃电不同手段，采用不同的检测方式，这里举出三种 常用的方式： ( 1 ) 打开计量箱柜窃电 只有打开计量箱柜通过对终端和表计做文章才能达到窃电的目的，负荷管理 终端与表计都安装在计量箱柜中，我们可以针对这种窃电方式，对计量箱柜使用 电子铅封。电子铅封的d 一改变，我们就得知箱门被打开了，这样我们再通过行 程开关主动报警，将信息上报。有两种信息上报方式，一种是通过短信s m s 方式， 这种方式简单、方便、快捷。相关的巡检人员收到短消息，就能够快速对其作出 反映，减少损失；另一种就是信息由g p r s 报给主站。对于这种打开箱门主动报 警的防窃电方法能够防止很多窃电手段，简单实用。 ( 2 ) 修改电表参数窃电 还有一种窃电手段就是在表计上做手脚，是通过修改表计参数完成窃电，有 以下几种方法： 表计示数下降，也就是使所用电量下降。 6 湖北工业大学硕士学位论文 最大需量清零，使表底示数清零，也就是使所用电量为零。 修改费率时段，峰谷电价比一般时段电价要高，通过偷换时段降低电价。 修改其它参数，例如修改最后一次编程时间。 这种窃电方法比较低级，解决方法也相对简单。我们只要在终端设备投运时， 将表计的有关参数记录保存到负荷管理终端内，定期比较、跟踪有关变化，如果 发现异常便上报主站或者有关巡检人员。 ( 3 ) 通过外部回路窃电 这种窃电也是一种常见的窃电方式，我们可以加零序电流检测的方式检测出 来。如果不是三相四线，我们也可以根据得到的电流电压值得到相关的信息，或 者加一些辅助电路可以检测出来。常见几种外部回路窃电的方式，可以从下图看 出来。 电力负荷管理终端 表计 图2 1c t ，终端和表计的接线图 在上面的电路图中，有三种窃电的方式，分别是将1 ，2 短接；将3 ，4 短接； 将5 ，6 短接。第一种可以通过阻抗测量的方法解决，基本思想就是对1 点的电压 放大，根据短路和不短时的试验结果确定一个电压范围：后两种情况可以利用电 流差动的方式解决，其基本思想就是比较表计和终端的电流大小来判断属于那种 方式窃电。 5 数据存储 停电后，除实时数据外所有数据均自动保存，存储容量为2 m b ，保存时间不 少于1 0 年。停电时钟继续走时。 6 通信 湖北工业大学硕士学位论文 对上级主站： ( 1 ) 可采用无线g p r s 通信，无需组网，永远在线。 ( 2 ) 可选采用光纤通信，网络系统安全、可靠，数据传输高速。 ( 3 ) 后备锂电池，支持停电不少于3 次通信。 对本地： ( 1 ) 对于电能表采用r s 4 8 5 通信方式：支持多种电表规约，对于可提供规约文 本，可扩展其通讯功能。 ( 2 ) 具有当地维护功能，具有1 路红外通信接口，l 路r s 2 3 2 口。 2 2 微处理器的选型 根据所要完成的功能和性能指标，还有性价比要求，我们选定a d i 公司的 a d s p - b f 5 3 x 系列的b f 5 3 3 2 2 1a d s p b f 5 3 3 处理器的介绍 数字处理器已经成熟并得到了广泛的应用。a d i 公司生产了很多数字处理器， 其中b l a c l c f f m 处理器是a d i 公司的一个大系列数字处理器，是a d i 与i n t e l 联 合开发的第一款第四代d s p 产品，它具有高性能体系结构。这一新产品是专为通 信和互联网应用而设计的通用d s p 芯片，适用于电信和各种互联网设备，能处理 广泛用于互联网的大量图像、声音、文本和数据流，例如可视电话和智能手持设 备。b l a c k f m 系列d s p 目前公布的有b f 5 6 1 、b f 5 3 7 、b f 5 3 5 b f 5 3l 、b f 5 3 2 和 b f 5 3 3 。其中b f 5 3 5 接口丰富，性能优良；b f 5 3 1 b f 5 3 2 b f 5 3 3 则增加了视频 处理接口，性价比很高；b f 5 6 1 则是一款双内核的处理器，其接口资源类型基本 与b f 5 3 3 相同但数量上增加了一倍，同时总线宽度也提高到了3 2 位 9 1 b l a d c f m 处理器优点如下i l o 】 1 微信号结构( m i c r os i g n a la r c h i t e c t u r e ) 。 b l a c k f md s p 体系结构是在a d i 公司和i n t e l 公司联合开发的“微信号结构” 的基础上实现的。传统的多处理器系统的信号处理和控制系统都在分立的处理器 结构上工作，而微信号结构这种统一的编程模式由于采用了一个综合的信号处理 和控制指令集，消除了传统的多个不同的处理器之间相联系的复杂性。 2 动态电源管理。 通过改变电压和工作频率，提供比其他d s p 更少的功耗，这就是动态电源 管理所要完成的。b l a c k f i nd s p 独特体系结构的推出使a d i 的d s p 性能提高了 湖北工业大学硕士学位论文 4 倍以上，功耗降低了将近l 3 ，因为它允许电压和频率独立调整，使每一个单项 任务所消耗的能量最小。同时a d i 为了使这个体系结构独有的动态电源管理特性 发挥最大效能，还推出了一个能够控制d s p 电压和频率的芯片组，使得基于 b l a e k f i nd s p 的设计功耗减少了6 0 以上。 3 高度并行的计算单元。 高度并行计算是所有数字处理器都具有的功能。b l a n c kd s p 体系结构内的计 算单元使在相同周期内能执行的算术运算的次数最大化。在每一个周期内，每个 乘加其器( m a c ) 能在4 个独立的操作数上执行1 6 位乘1 6 位的乘法运算。4 0 位算 术逻辑单元( a l u ) 能累加2 个4 0 位或4 个1 6 位的数字。这种体系结构可以处理8 位、1 6 位和3 2 位的数据字运算。 4 高性能地址产生器。 b l a n e kd s p 体系结构内由2 个数据地址产生器( d a g ) ，它们用于产生支持高 级d s p 滤波运算的地址的复合装入或存储单元。对于d s p 寻址，它支持位倒序 寻址和循环缓冲；对于r i s cm c u 载入和存储，支持自动增量、自动减量和基地 址+ 立即偏移量寻址方式。它包括6 个3 2 位地址指针寄存器( p 0 p 5 ) 读取操作 数和其他组3 2 位寄存器包括变址寄存器( i o 1 3 ) 、修正寄存器( m 0 m 3 ) 、基 址寄存器( b 0 b 3 ) 和长度寄存器( l 0 l 3 ) 。该d a g 还包括2 个用于嵌套零开 销循环的循环计数器以及支持传输过程中饱和和限幅的硬件。 5 极佳的代码密度。 r i s cm c u 编码一般都用时较长，因为它是线性写入的；d s p 编码一般用时 较短，并且包含较多的循环周期。内核处理器具有优秀的代码密度处理能力主要 取决与b l a e k f md s p 体系结构的两个特点：第一当缓冲和读取内存时，内核自动 完全填充总线长度分组，因为它没有排列限制。该内核体系结构很容易为获得最 佳软件代码密度提供多指令长度、指令混合及内存排列；第二它支持多种长度指 令，该内核能将1 6 位控制指令与3 2 位d s p 指令一起混合并链接进6 4 位组，使 内存分组最大。基于代码中使用的指令，还能自动混合1 6 ，3 2 和“位指令，而 无须任何限制、方式切换或代码隔离。 6 视频指令。 除了支持8 位数据r g b 像素处理算法公用的字长，还包括视频指令。对于 霍夫曼( n u f f a - n a n ) 编码，该指令集包括一个“f i e l dd e p o sn e x r r a c t 命令。 7 分层结构的内存。 为了获得最大的数据吞吐量、较少的延迟和缩短的处理空载时间，b l a n c kd s p 采用了优秀的分层结构的内存来缩短内核对内存的访问时间。此外，内存管理单 9 湖北工业大学硕士学位论文 元( m m u ) 能提供内存保护，当内核工作在用户方式和监控方式时，内存保护支持 全部操作系统( o s ) 核心。o s 核心在监控方式运行，并且为了实际应用软件在用户 方式下运行，将内存单元和其他系统资源分开。而传统d s p 则不具有这种独特而 强大的功能。 2 2 1 1 芯片结构及其特点 a d s p b f 5 3 3 芯片结构特点如下： 11 6 位定点d s p 内核，可以实现6 0 0 m h z 的持续工作。 2 灵活的软件控制动态电源管理。 3 存储结构采用4 g b 统一寻址空间其中，l 1 指令存储器包括8 0 ks r a m 。 其中1 6 k b 可配置成4 路组联合c a c h e l 1 数据存储器包括2 个3 2 k bs r a m 的 b a n k ，每个b a n k 均由两个1 6 k b s m 蝴组成，其中1 个1 6 k b 可配置成c a c h e 4 k b u 数据s r a m ，访问速度与l l 存储器同样为处理器最快速度，不可配置为c a c h e ； 支持片外同步或异步存储器( 包括p c i 3 3s d r a m ) ； 4 灵活的引导方式( s p i 或外部存储资源) 。 5r t c 模块、w a t c hd o g 定时器以及3 个支持p w m 输出的定时计数器 6 周边接口资源包括1 6 个g p i o 、1 个支持i r d a 的通用异步串行口( i7 a r t ) ， 并行外设接口支持i t u - 6 5 6 视频数据格式，1 个s p i 兼容端口，2 个双通道，全双 工同步串行接口，支持8 个立体声1 2 s 通道、1 2 通道d m a 。 7 片内自带1 6 3 x p l l ，0 7 - - 1 2 v 内核电压，3 3 v 输入输出电平l l l 】。 2 2 1 2 内核结构 a d s p b f 5 3 3 的内核是一个改进的哈佛结构，它的内核结构兼有d s p 和c p u 的特点。硬件支持支持对8 、1 6 、3 2 位整数单独进行操作，也可以对1 6 、3 2 位浮 点数据类型进行操作。s i m d 操作支持8 、1 6 位数据类型操作。 内核包括2 个4 0 位算术逻辑单元( a l u ) ，2 个由1 6 位乘法器和4 0 位累加器构 成的m a c ，4 个8 位视频算术逻辑单元( d e o a l u ) 以及1 个4 0 位移位器。 各单元执行不同类型的操作：a l u 执行算术和逻辑操作；乘法器执行乘法、乘法伽 和乘法减操作：移位器执行逻辑移位、算术移位、位的压缩和解压缩操作；视频j u u 执行单指令处理多数据( s m d ) 的逻辑运算，这种操作是基于8 位数据的。 2 2 1 3 主要外设接口 1 外部总线接口单元( e b i u ) 外部总线接口单元0 i b i u ) 提供与外部存储器的无缝接口，接口支持同步动态 湖北工业大学硕士学位论文 随机存储器( s d 凡蝴) 并兼容p c i 0 0 和p c i 3 3s d r a m 标准；该接口同样支持 异步存储设备包括s r 心i 、r o m 、f m d s 以及h a s h 存储器等。 外部总线接口单元对应的地址空间分为三部分：s d k a m 存储空问、异步存 储空间和保留空间。其中，s d 凡蝴空间大小在1 6 m 1 2 8 m 之间可编程；异步 存储空间分为4 个部分，每部分可独立编程以支持不同存储设备特性，每部分在 硬件上都有独立的输出选通控制信号；对保留空间的访问不会产生任何外部总线 传输操作，但外部总线接口单元会在内部总线上产生一个错误，该错误会产生硬 件异常或中断。 e b i u 作为从设备通过三种总线在内部和处理器通信：外部访问总线( e a b ) 、 d m a 外部总线和周边访问总线( p a b ) 。 e b l u 对外部存储设备的访问取决于访问的地址空间分别通过异步存储控制 器( a m c ) 或者s d 凡心i 控制器( s d c ) 实现。由于一次只能访问一个外部存储 设备，每一类存储设备的控制线、数据线和地址线都是复用的，复用信号由异步 存储控制器( a m c ) 和s d r a m 控制器( s d c ) 有效的仲裁。 本系统的s d r a m 、f l a s h 和c a n 总线接口分别分配在外部总线接口单元的 s d r a m 和异步空问上。 2 并行外设接口( p p i ) 并行外设接口( p p i ) 是半双工双向端口，最大可进行1 6 位数据的输入输出 并行外设接口可以和a f d 、d a 转换器、视频编码解码器及其他通用外设直接相 连。它有1 个专用的时钟引脚、3 个帧同步引脚、4 个专用的数据引脚和1 2 个p f 复用的数据引脚。当p p i 和视频a d ，d a 相连时，通过设置可以将复用的p f 管 脚设置为p p i 数据管脚。p p i 的工作频率最高为系统时钟的2 分频，即在系统工 作在1 3 3 z 的时候，p p i 最高可达6 6 m h z 。 p p i 接口支持n u 6 5 6 模式和g p ( g e n e r a lp u r p o s ep p im o d e s ) 模式。在 r r u 6 5 6 输入模式下，p p l 支持8 位或者1 0 位的并行数据，水平同步信号( h ) 、 垂直同步信号( v ) 和场同步信号( f ) 作为视频数据流的嵌入部分来发送；p p i 端 口在u 6 5 6 模式下支持三种子模式的数据类型，即有效全部场数据、视频数据 和场消隐数据当选择使用c c d 摄像头时，工作在i t u 6 5 6 输入模式，当使用 c m o ss e n s o r 时工作在g p 模式。 3 直接存储访问( d m a ) a d s p - b f 5 3 3 使用直接存储器访问( d m a ) 进行存储器空间内部或者存储器空 间与外设之间的数据传输。d m a 控制器允许处理器或外部设备指定数据传送操 作，然后返回到正常操作中。d m a 控制器传送数据的过程独立于处理器的活动。 湖北工业大学硕士学位论文 d m a 控制器传送数据的方式包括存储器到存储器直接的m e m o r yd m a 、存 储器到并行外设接口的p p id m a 、存储器到串行外设接口的s p id m a 等。d m a 传送可以是基于描述符的，也可以是基于自动缓冲的。基于描述符的d m a 传送 在发起d m a 传送序列时，需要一组存储在存储器中的参数。这类传送允许将多 个d m a 序列链接在一起。在基于描述符的d m a 传送中，一个d m a 通道可以 被编程建立，并且在当前序列完成之后自动启动另外一个d m a 传送。基于自动 缓冲的d m a 传送允许处理器直接编程d m a 控制寄存器，以发起一个d m a 传 送。传送完成时，控制寄存器将它们的原始设置值自动更新。 4 定时器( t - 皿e r ) a d s p - b f 5 3 3 有3 个通用定时器，1 个内核定时器，一个看门狗定时器。通 用定时器可以单独的设置为脉宽调制模式、脉宽计数模式或外部模式中的任何一 种模式。这些定时器可以作为p f l 管脚的外部输入时钟，也可以作为p p ic l k 管 脚的外部输入时钟，或者可以作为内部系统时钟s c l k 等。 内核定时器可以为满足不同的系统定时功能产生周期性的中断。 看门狗定时器实现软件看门狗功能。如果软件在看门狗定时器计时满之前没 有刷新它，那么看门狗将会向内核产生事件中断，从而提高软件的实用性。 2 2 1 4 a d s p - b f 5 3 3 的存储结构 b l a e k f i nd s p 的结构体系将存储器构造成统一的4 g b 地址空间，用3 2 位地 址寻址。包括内部存储器、外部存储器和i o 控制寄存器在内的所有资源，在这 个统一的地址空间中独立占据各自的一段。该地址空问中的存储器空间部分按等 级结构来安排，用于c a c h e 和s r a m 的快速、低延迟的存储器系统离处理器最 近，其他部分离处理器较远。 l 1 存储器系统是内核所用的性能最高的存储器。片外的存储器系统通过外部 总线接口单元( e b i u ) 访问，可以为s d r a m , f l a s h 和s r a m 扩展。 b l a c k f r od s p 有3 部分片内存储器，内核能对其进行高速带宽访问，其中包 括： ll l 指令存储器为3 个1 6 k b 的s r a m 和1 个1 6 k b 的4 通道高速缓存 ( c a e h e ) ；高速缓存可以设置为指令s r a m 这部分存储器以全处理器速度进行 存取。 2l l 数据存储器，包含2 个1 6 k b 的s r a m 和2 个1 6 k b 的2 通道高速缓 存；高速缓存可以设置为数据s r a m 。它们以全处理器速度进行存取。 34 k b 的作为中间结果暂存器的s r a m ，和l 1 存储器运行在同一速度上， 湖北工业大学硕士学位论文 它只能作为数据s r a m 访问，不能配置为高速缓冲存储器。 片外存储设备通过外部接口总线进行读取。该1 6 总线接口提供了个块 ( b a n k ) 的同步存储设备( d r a m 、s d r a m ) 和4 个块( b a n k ) 的异步存储设备 ( 包括f l a s h , e p r o m ，r o m , s r a m 和存储映射i o 装置) 无缝连接。兼容 p c i 3 3 的s d r a m 控制器可以设置为地址空间相连并多达1 2 8 m b 的s d r a m 接口异步存储控制器可设置为4 个地址空间相连的存储块( b a n k ) 。不管存储设 备大小如何，每一个存储块它都占用l m b 的地址空问；因此在每一个存储块都 连接上1 m b 的存储设备的情况下这些存储块之间的地址空间才是连续的。 b l a c k f i nd s p 没有定义独立的i o 空间。所有的资源都通过一个全3 2 位地址 空间来映射。片内的i o 设备把它们的控制寄存器映射到4 g b 地址空间的顶端 附近的存储器映射寄存器( m m r ) 地址区。该存储器映射寄存器( m m r ) 地址区分成 两个更小的块：一个是内核m m r ，包含所有c p u 内核功能的控制寄存器；另一个 是系统m m r ，包含用来设置c p u 内核之外的外设控制寄存器。m v l r 只能在监 控模式下被内核使用。它们看上去就像是为片内j 外设所保留的空间。系统m m r 在监控模式下可被内核访问，并且根据系统保护的模式，可映射成可见的或保留 的空间i l 卅。 2 2 1 5a d s p b f 5 3 3 的指令和流水线结构 b l a d c f i n 指令长度有三种，1 6 位和3 2 位单指令，6 4 位并行指令。6 4 位并行 指令由一个3 2 位指令和两个1 6 位指令组成。并行指令允许对两个单元同时读或 者一个读一个写，但是不支持两个存储单元同时写。 程序控制器通过检测当前正在执行的指令以及处理器的当前状态，决定下一 条指令的地址。如果没有异常、中断、跳转和循环发生，那么b l a d c f md s p 将按 照顺序来执行指令，b l a c k f i nd s p 系列有一个1 0 级指令流水线。 由于采用多级流水线结构，而条件分支转移会破坏流水线结构，当发现要转 移时流水线己经多取了指令，就必须全部放弃原来所取的指令，又要重新取指令 操作，这样就消耗了较多的时间。所以b l a c k f i n 提供了静态分支检测来减少时间 的延迟。 同时b l a c k f i n 提供了较多的向量操作指令和多媒体操作指令，这些指令对地 址的访问都有限定。所以在编程中尽量采用并行指令和零开销循环来完成算法， 进行流水线操作，同时注意地址的变化以避免产生异常( e x c e p t i o n ) ( 1 3 】。 2 2 1 6a d s p b f 5 3 3 的中断处理 处理器的事件控制器处理所有的同步和异步事件，并管理5 种类型的事件， 湖北工业大学硕士学位论文 包括仿真、复位、非屏蔽中断( n m d 、异常和中断( 1 1 种) 。 其中，中断是一种改变处理器正常指令流的异步事件。异常是一种软件发起 的事件，它与程序流同步。事件系统有优先级而且可嵌套，优先级高的任务可以 占用优先级低的任务的资源。 b l a c k 五md s p 采用2 级事件控制机制。系统中断控制器( s l c ) 和内核事件控制 器( c e c ) - - 起控制所有的系统中断并且管理它们的优先级。s i c 提供了多个外设中 断源与内核通用中断输入之间的映射。这种映射是可编程的，某个中断可以在s i c 中屏蔽掉。c e c 支持9 个通用中断，其中包括专用中断和异常事件通常选用优 先级最低的两个中断作为软件中断。其他7 个中断留给b l a c l d i nd s p 系统使用。 b l a c k f i nd s p 系统有很多的外设，因此需要支持很多中断。主要有以下几种 中断： 1 外设中断源； 2 在系统中断分配寄存器中使用的外设中断： 3 复位时所映射的通用的内核中断： 4 在系统中断分配寄存器中使用的内核中断。 b l a c k f i nd s p 的中断结构非常灵活。复位时，多个外设中断共享一个内核中 断此时中断服务程序必须查询相应的系统寄存器，以确定是哪个外设产生了中断。 中断初始化需包括内核事件向量地址表和屏蔽寄存器( i m a s k ) 的初始化4 “1 5 “1 6 1 1 1 7 1 2 3 交流采样a ，d 芯片的选型 考虑到精度和速度的要求，我们选择了a d i 的a d 7 3 3 6 0 交流采样芯片。具有 六个模拟量输入通道，每个通道可以输出长度为十六位的数字量。这六个通道可 同时采样，并且无须c p u 干预，从而有效地减少了由于采样时间不同而产生的相 位误差。各个通道的采样速率可以方便地利用控制字在8 k , 1 6 k , 3 2 k 和6 4 k 中进行 设定。每个通道可以允许从直流到4 k h z 的模拟信号通过。由于各个通道都有内置 的抗混叠滤波器，所以对其输入端抗混叠滤波器的要求大为降低，而仅需要简单 的一阶r c 滤波器即可。 a d 7 3 3 6 0 使用六线工业标准同步串行接口与c p u 接口。由于接口信号线的数 目只有六条，所以这样不仅节约了印制板的面积，而且也有效地减小了电磁干扰， 从而使得系统运行更加稳定。a d 7 3 3 6 0 特别适合于要求同时采样的工业控制应用。 它不仅适合于大信号应用，也适合于小信号应用。由于a d 7 3 3 6 0 有内置的程控可 4 湖北工业大学硕士学位论文 变增益放大器，所以对小信号应用尤其简洁高效。下图位其功能模块： 厍习书寸甄 回 i 。s i g 。n 蛐a 1 吨既到。a n 州a l u o g 栅1 吨巫寸 陲习琅石固 s e r i a l f o r p o r t 犀习拿寸蕊 固 圈拿寸蕊 回 s d 0 s d 0 f s 图2 2a d 7 3 3 6 0 的功能模块 由于单片a d 7 3 3 6 0 具有六个同时采样的模拟量输入通道，所以特别适合于三 相制电力运行参数测控类应用( 三个相电压和三个相电流同时采样) 系统1 釉1 1 9 1 2 3 1 交流信号电压，电流的采集 交流信号采集是电网二次侧的电压和电流，经过高精度的c t ，p t 转换得到 的。我们采用的是申科的互感器，将被测交流电压、电流转换成同频同相的交流 电压信号，精度等级都为o