（电工理论与新技术专业论文）基于pci总线svc控制系统的研究和实现.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p c i 总线s v c 控制系统的研究 和实现，是本人在华北电力大学攻读硕士期间，在导师指导下进行的研究工作和耿得 的成果。据本人所知，除了文中特矧j d r j 以标注明和致谢之处外，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。 学位论文作者虢塑虚日期：塞堕丛墨 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披查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校町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：盛 导师签名 日期 a a 哂i 1 9 毅湘武 曰 期：缝：l ：蛰 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 近年束，电例容量的不断增加，埘电嘲无功要求与f 1 增加。对于电力系统，电 网中有很多电气设备消耗无功，如果系统保持不了无功的平衡，将会导致系统电压 下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。在工业领域，类似于电弧炉、轧钢机 等大型电力电子设备的大量使用，使得无功消耗也同趋增大。无功消耗如果不能及 时得到补偿，将对电力系统产生剧烈的扰动和危害，降低系统的功率因数、向电网 注入大量的负序和谐波电流、引起母线电压的较大波动，并且，由于无功冲击引起 的电压波动也对电弧炉本身的运行产生不利影响，如延长冶炼时问、增加能耗及耐 火材料的损耗等。为了消除这些危害，无论是电力系统和工业用户，一般都有无功 补偿装置与之配合，并且，解决好无功补偿问题对网络降损节能有着极为重要的意 义。 静止无功补偿器( s t a t icv a rc o m p e n s a to i ) 作为无功补偿装置的一种，通过 晶闸管控制的并联电容器组或电抗器组成静l = 无功发生器或吸收器，调节其输出交 换的容性或感性电流，对系统或负荷提供动态电支持。由于晶闸管控制电抗器 + 滤波器组( t c r t f c ) 构成的无功补偿装置在理论上可以较好的解决电弧炉的问题， 因而近年来推广很快，应用领域也逐步扩大。目前些国外大公司( 如西门子) 和 国内的一些研究机构及公司都有自己研制的t c r 装置投入商业运行，在提高功率因 数、抑制谐波方面取得了较好的效果。但在抑制母线电压波动和平衡化补偿方面效 果并不十分满意，这主要是因为控制系统的响应速度较慢和控制策略不理想。如何 提高t c r 动念无功补偿装置的响应速度和补偿效果，是近期研究的热点。 随着数字信号处理技术的蓬勃发展，人们对离散数字信号的处理方法的研究同 益成熟和丰富。数字处理器芯片( d s p ) 作为数字信号处理技术的杰出代表，其制造 水平和性能的快速提高，价格进一步降低，性价比更加优越，使得s v c 控制系统逐 渐由原先的c l 采集和挖制，转换至d s p 的数据采集和控制上来。计算机p c i 总线的 快速发展，又为传统的s v c 提供了一种灵活控制的平台。基于p c i 总线技术的s v c 控 制平台，将传统的s v c 控制部分分解为采集和控制两部分：采集卡使用强大的d s p 处 理芯片完成数据的采集和无功的浮点运算，控制卡作为专f 的控制，接收采集卡的 数据，进 r 无功补偿调节，两者之问则采用p c i 总线完成实时数据的传输。此平台 不仅应用行之何效的数字信号处理算法，可以显著提高i c r 装置的快速性，而且分 j ：的板卡可用1 二不同的控制系统，从而提高了平台的灵活性，为以后的发展提供了 比较广阔的空间。 1 2s v o 装置的发展现状和研究意义 传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器 阻抗固定不能动态的跟踪负荷无功功率的变化：而调相机和同步发电机等补偿设备 又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。 所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这 种技术经过2 0 多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功 补偿是指用不同的静止丌关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的 能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前 这种静止丌关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器， 其开关速度较慢，约为1 0 3 0 s + ”，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投 切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧 焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关s c r 、g t r 、 g t o 等的出现，将其作为投切丌关，速度可以提高5 0 0 倍( 约为1 0us ) ，对任何系 统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成而且可以实现单相调节。现今所指的 静止无功补偿装置一股专指使用品闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型， 类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置( s r ：s a t u e a t e dr e 二t o r ) ：第二类是 晶闸管控制电抗器( t c r ：t h y r is t o tc o n t r o lr e a c t o f ) 、晶闸管投切电容器( t s c ： t h v r is t o ts w i t c hc a p a c i t o r ) ，这两种装置统称为s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o f ) ： 第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置一高级静止无功发生器 ( a s v g ：a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 。 1 9 8 2 年至1 9 9 2 年期间，我国电网先后引进了了六套s v c 装置，用于5 0 0 k v 输电线 受端主网，提供了一定的动态高压能力。表1 一l 中的数据可以说明s v c 运行的调压 能力。 从表中可以看出，s v c 的动态调压能力约为3 8 ，大多数可调5 左右。再眷， 考虑到预留紧急备用容量，其经常的调压范围只有可达范围的l 3 至l 2 左右。s v c 的可靠投入，在电网中的系统作用明显的表现出来了，不但在调相、调压方面起了 很人作用，而且明显提高了电网输送功率板眼。例如，湖北凤凰山变电站实测征明， s v c 的投运，3 5 k v 母线电压变化率由投入前的9 降低至3 ，减少了6 ；湖北电网在 8 7 年7 月9 h 关山变电站发生c t 爆炸，2 2 0 k v 母线在7 s 内相继3 次相i h j 短路，在短路一 华北电力人学硕十学俺论文 切除一短路的过程中，录波曲线证明s v c 快速( 2 0 m s ) 地向电网提供了容性一感性 一容性的无功功率6 万k v a r ，有效地稳定了电网电压“。 表i l s v c 的调压能力 、 变电所 风凰山( 武昌)江fj ( ，“州)云田( 珠州)小刘( 郑州i )沙岭( 沈阳) 项目 供货厂家a s e a ( 瑞典) b b c ( 瑞十) a n s a l d o ( 意)a s e a ( 瑞典)a s e a ( 瑞典) 2 2 0 k vs k m i n ( 、【v a ) 3 0 0 05 0 0 02 5 0 02 0 0 03 5 0 0 动态润1 ，容鼙( m v a ) o - 12 0 ( 一绲) 0 1 7 0o 1 2 0o 1 3 5o - 1 0 5 o 2 4 0 ( 二缅) 动态调压幅度( v t ) 一4 + 82 4 + 2448 + 4 8 6 + 62 6 + 5 6 s v c 投入率 9 8 l o o 8 7 9 2 9 9 3 通过对上述引进的六套t c r t s c 静补运行实践，我国已基本掌握了其技术性能。 中国电力科学院1 9 8 9 年以来有几十套s v c 装置成功地用于冶金企业的电弧炉或轧机 的冲击负荷补偿上，已具备设计和制造容量为1 0 0 1 d v a 的能力。1 9 9 8 年，电科院成功 为山东莱芜钢厂5 0 t 交流炉的t c r 装置完成调节器改造，引进d s p 为核心的数字信号 调节器。数字信号控制具有以下特点： 1 ) 硬件电路简单，大量模拟电路中的分立元件被软件程序所取代，实现硬件 软件化，减少了故障可能性： 2 ) 控制灵活，容易实现先进的控制策略； 3 ) 容易实现故障论断、故障显示： 4 ) 能方便地和计算机进行通讯； 5 ) 系统抗干扰能力强等。因而将成为行业发展的方向。 虽然国内的产品正在进行d s p 的数字化改造，f ：h d s p 技术不断发展，其计算速度 越来越快，这要求我们不断改进算法，提高s v c 的控制水平。再者，当前国内外的 s v c 控制的装置：，其板卡之间的一般通过数据线或者串并口进行联接和控制，阻 碍了大数据量采集，分析系统的发展，因而，使用何种方法即能保证s v c 的大数据 量的采集与传输，并且能够与计算机接e l ，在数掘传输同时完成对数据的分析与处 理，这也是一个值得商榷的课题。 由于计算机的发展，用p c i 总线进行数据传输f j 趋成熟。p c i 总线作为一种同步 的独立于处理器的：3 2 位或6 4 位局部总线，最高工作频率为3 3 m h z 峰值吞吐率在3 2 位时为l3 2 m b s ，因而非常适用于高速外设进行数据传输。另外，p c i 支持多主控 设备目存在配置空删，可使所有与p c i 兼容的设备实现真萨的即插即用( p n p ) 。因 此，n j 以构造出这样一种s v c 控制平台：它将是两块p c i 板卡，分别完成数据采集、 计算与控制功能，利用p c i 总线的快速性，完成所采集数据的实时传输，供给控制 据采集部分，- 与s v g ，电能质量的前端具有共性，因而，它不仅仅5 n n 于s v c ，如上 所述，它将来完全可以发展成对s v g ，电能质量等等的控制。 1 3 论文的主要工作 针对当6 h t c r 装置研究中存在的控制策略不佳，软件均由汇编语言编写，可读 性差，不易扩展等缺陷，本文将对各种控制方法进行比较，确定适用于t c r 且速度 较快，易于实现的无功功率算法和不平衡负荷控制方法；研究p c i 总线协议，选用 适合p c i 数据传输协议的专用芯片，设计相应的硬件电路，搭建实验平台；软件编 程上，将采用c 语占和汇编语言混合编程，实现程序可读性和执行效率的统一；利 用w i n d o w s 编程，实现双p c i 卡的数据传输。具体工作将分为以下三个方面： i ) 研究无功功率的算法。针对$ 7 c 的实时、快速性，对现有的无功功率算法进 行研究，选取优良算法实现精确、快速的无功功率计算。 2 ) 研究主从式p c i 卡的相互之j 砌的控制与数据传输方法。通过对p c i 协议的深入 研究，制定出主从式p c i 卡之间的数据传输方案。 3 ) 完成数据采集卡和控制卡的接口硬件设计、制作，通过w i n d o w s 编程，完成 双卡数据传输的软件编写。 4 ) 分别调试单卡与上位机的数据传输，在此基础上调试双卡恻的数据传输通 道。进行数掘传输实验，并计算出双卡问的数据传输率，论证选用p c i 总线 方案的可行性。 第二章静止无功补偿器原理与系统描述 2 1s v o 补偿原理 f i v e 是一种山电容器和各种类型的电抗器组成的无功补偿装置，用电子丌关来 实现无功功率的快速平滑调节。无功补偿的类型众多，但就其补偿原理来看，有以 下几种形式：饱和电抗器型( s r ) 、固定电容加晶闸管控制电抗器型( f c + t c r ) 、 晶闸管丌关电容器型( t s c ) 以及混合型( t c r + t s c ) 。下面介绍这几类补偿器的 工作原理1 7 j 1 8 。 2 1 1自饱和电抗器( s r ) 型s v o s r 型s v c 是出作为滞后无功部分的s r 和超前部分的并联电容器组成的。s r 类似一 台变压器，但其铁芯具有很硬的非线性磁化特性。图2 一l 为s r 型s v c 的基本接线。 图2 一l 中，控制器用来调节有载变压器分接丌关，以使加在s r 线圈上的电压比 较稳定，不至于因系统电压偏移过大而过载或失去调节能力。s r 在形式上有单相和 三相之分：结构上有双一三倍式和三一倍式两种，其结构形式与变压器相同，与 变压器不同的是没有带负荷的次级绕组。 二一s r 图2 一ls r 型s v c 典型接线图 s r 满载损耗约为容量的o j 1 ，额定容量较大，损耗率越小。s r 的励磁f 巳流( 即 最小吸收的无功容量) 为1 0 左右，大容量时( 1 0 m v a 以上) 励磁电流的百分值可进 一步降低。 2 1 2晶闸管控制电抗器型9 o 这类补偿装置通常由滤波器组和个可调节电感量的电感元件组成。滤波电路 中的电容器一方面和电感线圈串联，对某次谐波产生串联谐振，达到滤波目的：另 一方面利用电容器的超前基波无功功率和电感元件的滞后无功功率相协调，从而实 现动态无功补偿。也就是晚，靠晶闸管无级调节感性无功功率，削接地把不能无级 调节的电容器的容性无功变成无级调节，达到无功补偿的目的。其补偿原理如图( 2 0 2 ) 。 s t a f i c c a 口a c 噼f 0 t e e d 0 l a g l e a d 0 l a g 0 s 埘d 争 0 l 硼 图2 2晶闸管控制电抗器补偿腺理 由图2 一l 中，吼为变化的无功负荷曲线，e 。为s v c 电抗器吸收的无功功率曲 线，与绕成反比例变化。鲤为s v c 中固定电容器组提供的无功功率瞌线，g 。c = o ，( 但相差1 8 0 度) 。g 为无功增量，如要使x , q 最4 、，则 9 。= q ，一( q 。+ g ) = 0 ( 2 一j j 其巾，9 ，为变化的，不可控制的电感性负载值，g r 为系统安装固定电容性负 载，p 。为s v c 所提供的无功补偿量，此为变化的，可控制的，这样就实现了随机性 无功j j 牢补偿。 这种类j 叫s v c 拨主电抗器的结构形式可分为：品闸管控制电抗器( r i c r ) 型、品 闸管控制高阻抗变压器( t c t ) 型和晶闸管控制降压变压器型，图2 3 和图2 4 分 别求出了t c r 型 f l t c t 型的单线系统图。 滤波器 t c r 图2 - - 3t c r 型s v c 单线系统图 、 一- - i d 一 负荷 负荷 飞_ 、_ 、 ，_ 、 、，7，、 h 3h 5h 7 图2 - 4t c t 型s 、c 单线系统图 t c r 型接线系统由主电抗器、晶闸管装置和相应的控制系统以及并联电容器组 成；t c t 型中，高阻抗变压器有几种接线方式，这些接线方式取决于系统电压等级 和中性点接地方式，在一般高压系统中可采用星形或三角形接法。 21 3 晶闸管投切电容器型 m 相量图2 一j 可以看出，在并联电容器前，电路的功率因数就是感性负载的功 率因数c o s ( 尹t ，消耗的功率只：u l c o s 妒：并联电容器后，电路和总电线，与电压u 之 r 问的棚化差妒： 妒l ，故功率因数提高了。总电流，也比感性负载卜的电流。要小， 7 而电容器上消耗的有功只5o 器并联于负载端可以实现 无功补偿，提高功率因数。 电路的有功保持不变，即p = 常数，所以，用电容 ， 图2 5投切电容器原理及相量图 2 1 4 动态无功补偿的方案比较 前面曾对各种补偿方案进行了阐述，而具体至一个实际系统，补偿方案的正确 选择则具有重要的现实意义。它不仅要满足系统动态性能的要求，而且还需从价格 性能比、使用维护等诸多方面综全考虑。s v c 当i u 在工业领域应用广泛，从以往的 实践来看，行之有效的方案育四种形式：晶闸管控制电抗器( t c r ) 型、晶闸管控 制高阻抗变压器( t c7 r ) 型、晶闸管投切电容器t s c ) 型和自饱和电抗器。这四种 类型又有各自的特点： ( 1 ) s r 型 s r 型补偿器结构简单，动态响应较快。但补偿效果差，并且由于铁芯运行在饱 和状态下，运行时噪音比较太。选用这种形式的补偿器需要采取各种措施来降低噪 音。除了噪音之外，它还将产生谐波电流。因此，般情况下不采用这种补偿方式。 ( 2 ) t s c 型 t s c 型补偿器主要优点是：占地小，损耗小，不产生谐波电流，但其晶闸管导通 相位受到过渡过程的限制，故不能连续控制。t s c 的这种控制结果，使s v c 所补偿的 无功功率呈阶梯状，因此与变动的无功负荷之间产生了残留的无功功率波动。若晶 闸管控制相位不当，有可能造成电容器击穿、晶闸管损坏或给电源系统造成高次谐 波振荡。这种类型的补偿器一般用于低压系统。 ( 3 ) t c t 型 t c t 型$ 7 c 的主要缺点，一是在调整感性电流时将产生高次谐波，且这些谐波的 捆角高速改变，加重了谐波滤波器的负担：二是整个补偿装置有功损耗较大，另外 理想的高阻抗变压器短路阻抗应为1 0 0 ，而实际上最高也只能达到8 0 左右，阻抗 越高越难制造，这就决定了t c t 型s v c 功耗大、发热j 、t “重。因此，这种类型的补偿器 一一般用于2 0 m v a 以下的动念无功补偿系统。尽管高阻抗变压器限制了t c t 型s v c 的使 华北t ! 力人。顶十学何论文 用，但这种类型还是有其优点的，其主要优点是：由于晶闸管接在高阻抗变压器的 二次侧，不直接承受高压，因此一般可不用多组串联，也可以不用光控。 ( 4 ) t c r 型 从工作原理上看，t c r 型同t c t 型基本相似，因此在分类上往往将它们作为一类。 t c r 型的主要缺点t c t 相似，即在调整感性电流时也将产生高速变化的高次谐波，其 有功损耗也较大。但与其它类型的s v c ：相比较，t c r 型突出的优点是： 1 ) 反应时吣陕( 5 2 0 m s ) ，运行可靠，可做到无级调节、分相调节，适应范 、+ 。 2 ) 从布置上考虑，t c r 型s v c 装置具有很大的灵活性，占地面积较小。 3 ) 相对于t c t 型和s r 型，t c r 型产生的谐波分量和噪音小。 4 ) t c r 型s v c 的经济性较好。 从上述可以看出，当前无论是系统还是工业负荷，已经实用且效果较好的吼c 装置为f c + t c r 。但其平衡化补偿功能以及快速晌应等问题尚待进一步研究，它们 都与补偿器的控制调节器的性能有直接关系。而以g t o 等全控型器件构成的静止补 偿装置因为器件容量和价格等关系，距实用化还有较远的距离。 22 t o r 补偿装置的基本电量及控制方式 22 1 t c r 原理和特性 t c r 的基本原理如图2 6 所示。动态补偿回路由电感和两个反并联的晶闸管串 联而成。两个晶闸管分别在电源电压波的两个半周期内导通。控制角口在9 0 。、1 8 0 ：范 围内可调节，电感中的电流随口的变化而变化。 图2 7 是该回路电压和电流的波形，可以看出，口 在9 0 。时吸收的感性无功最大( 即短路功率) ，18 0 。 时吸收的感性无功最小( 即空载功率) 。忽略电 阻，口= 9 0 。时，电流达最大值，此时电流为连续 的。当日在9 0 1 8 0 。之间变化时，电流为断续。控 制角岱增大，则电流中豹基波分量减小，相当于 电抗器的电感值增大，同时减少它所吸收的无功 u t 毒j j 可 控 电 纳 图2 67 f c r 主电路示意图 华北电力人学顶十学f 妒论文 c 1 8 c u i j 吼t a g eu r a c t o rc u 黼e 衍l l 6 a t 曼p u l s e r 。 厂 ， _ 、 ，一。娟： - ， ，翩一。州，硐i = i | 孤j 萝t _ 可r ii ；、笔- ，= i 一 ： m圉嗣翻 钳、 t i “e d ：f i r l 尉收上 图2 7t c r 电压和电流波形图 对基波而言，晶闸管控制电抗器可看 乍是一个可控的电纳，用下式表示 蹦咖半 ，：睽( c o c o s 纠) 1 0 ，：善一( 二丌一2 口+ s i n 2 口) 咒 ， 谐波电流为 l = 磊二吉；t 面( c 。s 口s i n 一口一一s i n 口c 。s 口) 电压，v ； 电抗器的基波阻抗，q ； 控制角； 电源额定角频率，r a d s ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) n：谐波次数 【j = l 式2 4 可知谐波电流大小与控制角口有关，口角增大则电流波形畸变率增j 1 在口角究令剥称的情况f ，t c r 产生的主要谐波是n = 2 k f ：1 次奇次谐波( k 为正整数) 。 础 = h v 甜 甜 中式 反并联晶闸管角不完全对称时，则会产生偶次谐波。三及三的倍数次谐波利用三 角形接线可消除。 钢铁企业电力设计手册给出了t c r 全导通的情况下，特征谐 波电流幅值如表3 一l 所示。 表2 1 t c r i 皆波电流幅值表 l 蒺萋 l37 9儿 1 31 5 1 71 92 12 3 f l o o1 39 8 50 52 j 9l5 7lo jo 7 50j 70 “0 3 j0 2 9o2 4 用导通角表示，则有 i l =望墅望矿 a xr ( 2 5 ) b r ( ) ：f l + i s i n f l ( 2 6 ) “r 1 由式( 2 - - 6 ) 可知，= 1 8 0 。时b n 最大，等于x r ； 卢= oo 时，b n ) b 0 ，这就 是相控的基本原理。 目i j i f t c r 的控制系统的控制方式一般按s v c 最佳电纳进行控制，其控制方式反映 在审流电压特性上如图2 8 所示。 图2 8t c r 电压一电流特性曲线 图中虚线为系统负载线，特性曲线与系统负载线的交点设汁在中部，作为稳态 运行点，点划线为导通角卢，图中稳态运行点设计在卢2 1 3o a 。特性曲线控制特征 可用下式表示： f = v 。+ j x 。i t 2 - - 7 ) 式中0 ， e e p r o m j t a g d s p 6 7 1 1 f l a s hj 0 二_ ， jc p l d 【一 】l 一一 图4 2 数据采集卡原理图 整个系统主要由数据采集单元、电源模块、时序和可编程逻辑控制单元及3 5 p 扩展子系统组成，其主要性能特点为： 1 ) 采用15 0 m h z t m s 3 2 0 c 6 7 l l b 芯片； 2 ) 双路数据采集，每一路宽度为16 b i t ，采样频率可达2 5 0 k h z ，一路用于三相 电压、三相电流的定时采样，而另路用于这六个参量的等间隔采样； 3 ) 针对三相电压电流信号进行处理，选用t i 公司的a d s 8 3 6 4 芯片，其特点是 高速、低功耗，六通道同步采样1 6 位模数转换器，最大采样率2 5 0 k s p s 。 p c i 控制器选用p l x 公司的p c l 9 0 3 0 ，具有符合p c i 2 2 标准的总线接口： 4 ) 为满足数据交换，板上设置的s d r m 存储容量达2 i 字节： 5 ) 选用12 8 k x8 b i t 的闪存f l a s h ，以存储完成数据输入输出和各种信号处理 任务的d s p 的应用程序。 44 2d s p 与p o i9 0 3 0 的接口 由于d s p 不能和p c i 总线直接接口，所以选用p c i 9 0 3 0 完成d s p 与p c i 总线闯 的数据传输。d s p 6 7 1l 提供主机l 7h p i ( f i o s f p o r ti n f e r f a c e ) 与p c i 9 0 3 0 相连， h p i 是个1 6 位宽度的并行端口，通过它可直接访问d s p 的所有片内及片外的外围 存储器的存储空州、“。 2 9 华j e 电力人。j 硕十。j 0 论文 t i p i 是利用h p i 的三个寄存器束完成p c i 9 0 3 0 和d s p 之问的通信的，三个寄存 器分别为h p i 数掘寄存器( h p i d ) ，h p i 地址寄存器( h p i a ) 和h p i 控制寄存器( h p i c ) 。 p c l 9 0 3 0 对于这三个寄存器都可以进行读写，d s p 只能对h p i c 进行访问。h p i d 中存 放的是主机经p c i 9 0 3 0 从d s p 存储空间中读取的数据，或者是其它主设备经p c i 9 0 3 0 向d s p 存储空间写入的数据。h p i a 中存放的是主设备经p c i 9 0 3 0 访问d s p 存储空间 的地址，这是一个3 0 位的值，最低两位则固定为0 ，这样可以保证每次进行操作的 数据是1 6 位的。 p c i 9 0 3 0 的局部总线接口信号可分为四类：局部时钟信号，地址数据信号，状 态控制赉- = 。1 1 局部总线仲裁信号。外部输入的局部时钟信号l c l k 是局部操作的基 准时钟信号，决定了p c i 9 0 3 0 局部操作的速率和数据传输率。 地址数据信号线的连接比较简单，把p c 9 0 3 0 的l a d ：1 5 ：0 与h p i 的h p i 1 5 ：0 ： 相连，构成1 6 位总线：把p c i 9 0 3 0 的l a 3 ：2 j 与h p i 的h c n t l 1 ：o 连接，柬寻址 h p i 的四个寄存器。 状态控制信号中，主要是对a d s 与l r d y 信号的处理。主要连线如下图所示： p c i 9 0 3 0 l a d 1 5 ：0 l 3 ：2 w r * l b f f l t m $ 3 2 0 c 6 7 1 1 篙二：二三习7 哪 a d s # 一 一一、 o o l b e 3 c s l # r d # 1 一f f o s l 4 w 肼一仰s 2 # m o d e 一 v c cv c c 3 l i n t i l _ 一一 l 一 6 0 m h z c l o c k ( 姒x ) s e r i a l ： e e p r o m 图4 3p c i 9 0 3 0 与d s p 6 7 i1 连接 二一 习 华北电力人学硕十学位论文 44 3p c i9 0 3 0 与p c i 总线之 间的接口 根据p c i 协议，p c i 总线 的引脚主要分为六部分：系统 引脚、地址和数据引脚、接口 控制引脚、仲裁引脚、错误返 回引脚、中断引脚“。为了处 理数搌、寻址、接口控制、仲 裁及系统功能，p c i 接口要求作 为目标设备的设备至少要有4 7 条引脚，作为总线主设备的设 备至少要有4 9 条引脚( 就是多 两条仲裁引脚) 。 p c i 9 0 3 0 与总线之f n j 的接 口比较简单，作为目标设备， 与总线基本上是对应引脚相 a d d r e s s d a t a i n t e r f a c e c o n t r o l p c i 总线 ：= ol a d 3 l ：o 0 - - - - 5c b e 3 ：0 一p a r - _ f r a m e 肄 - 一t r d y # - i r d y # p 一 d g r r o r r e p o r t i n g1 s y s t e m + + + - “ p e e r # s e e r # c l k # r s t # i n t a # 图4 4p c i 9 0 3 0 与总线接口 连，要注意的是p c i 9 0 3 0 作为目标设备，不需要仲裁信号。具体引脚见图4 4 。 4 5 控制卡的硬件设计 4 5 1 控制卡的主要元件选择和整体设计 在控制带中，我们采用主设备加速芯片p c i 9 0 5 4 作为接口芯片。一方面它通过 总线仲裁或者中断方式，读取p c i 9 0 3 0 上的计算数据，另一方面，其它主设备也可 以访问它的内部寄存器。 控制卡上的微处理器芯片我们选用i n t e l 的8 0 c 1 9 6 单片机。8 0 c 1 9 6 是m c s 一9 6 系列单片机中重要成员，也是目前该系列单片机中性能最强的产品之一，它是具有 高性价比的1 6 位单片机，适用于高速控制和需要多个外设的场合，在各类自动控 制系统和高级智能仪器中都有广泛的应用。 由于数据传输量大，在p c i 9 0 5 4 与8 0 c 1 9 6 之f 日j 应该有存储器作为数据缓冲。 而神对于p c i 9 0 5 4 的总线恻，其相当于个c p u 对其进行控制因而这个控制卡相 当r 两个h 过渡【兰= 即是这个存储器。扯所进行的实时数掘采集与处理中，双c p u 之川嵩要l 宰人量数据且需要交换大量信息，在这种情况下若再采用串、并口通信 埘怿 附n舌；唧慨 华北电力人学硕士学位论文 已很难满足要求，而f i f o ，双口r a m 可以很好地解决以上问题。通过比较，我们选 取双口r a m 作为两者问的数据缓冲器：纠。以下是控制卡总体框图： p c i 总线 p c i 9 0 5 4 a d i o c e r ；。一p 2 7 r d w r r e a d y h i s 0 图4 7 双口r a m 与8 0 c 1 9 6 连接图 8 华北l b 力人学硕十学位论文 4 54p c i9 0 5 4 与总线的接口 p c i 9 0 5 4 与p c 【总线的连线基本与 p c i 9 0 3 0 相同，与总线对应引脚相连即可。以 下是接口连接圈： 46 硬件设计和调试注意事项 由于硬件设计与p c b 板卡的制作中，利 用了p c i 总线完成数据传输，因而，无论是 数据采集卡还是控制卡都应遵从p c i 电气规 范。利用p l x 公司接口芯片完成p c i 协议的 转换，无论在设计中还是调试过程中，都有 应该注意的地方。以下的硬件设计和调试的 注意事项和一些经验，以方便以后的工作。 1 ) p c 【信号线长的限制 p c i 总线 ，、。三二= 三) l a d 3 1 ：o 4 d d r e ” ? 三二二c b e 3 ：0 ；& da t a 、_ 。 。 1 - pp a r - 1 f r a m e # 卜t r d y # i n t e r f a c e 一一卜i r d y # c o n t r o l - 一s t o p # rd e v s e l # ri d s e l # 、| _ + l o c k # e r r o r _ 1 + p e e r # r e p o r t i n gi - r s e e r # s y s t e m e 二：= i n t e r r u d t s r 一i n t a # 、 a r b i t r a t i o n ，+ _ + r e q # + g n t # 剧4 8p c i 9 0 5 4 与总线接口 制作p c b 板时，p c i 信号线长按以下规范执行： ( 1 ) p c i 总线3 2 位部分公共信号线的最大走线长度为1 ii n c h ( 约3 8 i m m ) 。 这是因为p c i 规范中提到了信号用的反射波信号，所以驱动的信号只用了要求电压 的一半，另一半靠反射柬提升。 ( 2 ) p c i 总线6 4 位部分公共信号线的最大走线长度为2i n c h ( 约5 0 8 m m ) 。 ( 3 ) 无论是3 2 位板还是6 4 位板，其上的时钟c l k 信号走线长度为2 j 0 1 i n c h ( 约6 3 j 2 5 4 m m ) 。 时钟c l k 信号等线长度的约定，是基于如下几个方面： ( 1 ) 出j ：c l k 驱动均衡的考虑，在一个微机系统中，对于同一条p c i 而言，这 条总线i 的桥到每个憎上的p c 【线长度要求是相等的，以保证每条c l k 到达卡后对 于桥而言电气特性部是相同的，从而有个良好的一致的参考基准，所以系统也要求 设备卡在c l k 布线时等长。 ( 2 ) c l k 等线的长度要求，是个参考，并非绝对，但由于在同一条p c i 总线上， 如果其他的p c i 卡是按照规范束设计，那么本次制作的p c b 板卡就应该按照规范来 设计，否则就不能保证c l k 等长，该时钟线就会影i 】向整条p c i 时钟的均衡，时钟会 扭 f ，除非所有的卡都是您自己设计的卡。 ( 3 ) c i 。k 线的长度是一定得大于其他信号线的长度，原因如下：对于一个简单 的d 触发器而言，信号有效必须在时钟上升沿到来之前，信号沿线路传输的延时， 华北电力大学硕十学位论文 必须要与此不违背。虽然来自桥的信号已经保证了一定的保持时间，可以弥补卡上 的c l k 靠线过短，但是c l k 布线太短终究是不安全的。 如果时钟信号被多个器件公同使用，此时严格的做法是加一个缓冲器，并且是 一个零延迟的缓冲器，一般可以选用的器件为c y 2 3 0 5 。 2 ) e e p r o m 的选择 e e p r o m 作为p c i 9 0 x x 的扩展r o m ，它的时钟由p c i 时钟分频l 1 3 2 得到。其要 求如下： ( 1 ) 应能支持连续读功能。 ( 2 ) 数据长度为1 6 位 ( 3 ) 可以选择的型号有：f a i r c h i l d 半导体公司容量为2 k 的f m 9 3 c s 5 6 l 或4 k 的f m 9 3 c s 6 6 l ：m i c r o c h i pt e c h n o l o g y 公司容量为2 k 的9 3 l c 5 6 b 或4 k 的9 3 l c 6 6 b 。 3 ) 设备标识信号线 p c i 总线侧的信号中p r s n t l 和p r s n t 2 两者必须有一个接硝d ，以便系统判断 p c i 槽上是否有卡，而其接法与p c i 卡消耗的功率有关。具体的含义如下( 0 表示悬 空，l 表示接地) 。 表4 1p r s n t l 和p r s x t 2 信号含义 p r s n t lp r s n t 2 含义 00n oc a r d 0l1 5 w lo2 5 w 1l7 5 w 4 ) 三种模式的选择 相对于p c i 9 0 3 0 局域总线侧地址数据复用模式来说，p c j 9 0 5 4 有三种模式可供 选择。它们是： m 模式：3 2 位地址数据非复用模式，为嵌入式芯片m p c 8 5 0 和m p c 8 6 0 量身定 做。 c 模式：3 2 位地址数据非复用模式 j 模式：3 2 位地址数据复用模式 m 模式主要是针对m o t o r 0 1 a 公司高性能m p c 8 5 0 1 8 6 0 的应用而设计的，主要应 用在电信领域，j 模式的接口设计相对比较复杂，比较常用的是c 模式。其可以通 过芯片信号线m o d e o ，m o d e l 进行设置： 华北l h 力人学顶十学何论文 表4 2 模式选择 m o d e om o d e l含义 00 c 模式 0 l j 模式 10 保留 ll m 模式 注：0 表不直接接地l 表不信号萱空 j ) 高速电容的安装 由于p c i 信号的高速性，所接的3 3 v ，5 v ，1 2 v 电源上都应加装高速电容退藕 滤波。尤其是p c i 9 0 5 4 芯片上的所有3 3 v 与地之间都应加装0 o l u f 的高速电容。 6 ) p c i 卡的硬件调试 按照p c b 做好p c b 卡后，可按以下步骤进行调试 ( 1 ) 测量3 3 v ，5 v 电压回路，确定没有短路。 ( 2 ) 将p c i 卡插入计算机p c i 槽内通电测试。 ( 3 ) 将9 0 5 4 的信号线y i o d e o ，t o d e i 至空，选地址数据复用模式，即c 模式。 ( 4 ) 插e 品振。在没有晶振的情况下，汁算机进入不了系统。 ( j ) 将l h o l d 、l h o l d a 信号线短连：r e a d y # 信号线接下拉电阻；t e s t 信号接 下拉电阻，完成起动预备条件。 ( 6 ) 若e e p r o m 不存在或内容为空，则将e e d i o 信号接l k 下拉电阻；若e e p r o m 有内容，则将e e d i o 信号线接l o k 上拉电阻。 ( 7 ) 插上起动计算机，按硬件安装提示，装设备驱动程序。 ( 8 ) 进入p l x m o n 的c o m m a n d 菜单下的s e t i a le e p r o m 选项，查看e e p r o i 中 内容。若全部数据为o ，说明e e p r o m 不存在；若为1 ，则说明e e p r o m 为 空，此时用的是默认设置，可以用直接修改e e p r o m 内容或调入 e x p 文 件方法将e e p r o m 程序写入。应注意，再次启动计算机，应将e e d l 0 接上 拉电阻，以满足以后的e e p r o n t 读写操作。 ( 9 ) 如果e e p r o m 由于写入错误而导致p l x m o n 不识别p c i 卡，则可用对e e p r o m 热拨插的办法进行修f 。改写e e p r o m 的方法如下：a ) 用好的e e p r o m 插 在p c i 卡上，然后起动机器，进入系统。b ) 将p c i 卡上的e e p r o m 卸下， 然后将错写的e e p r o m 插上。c ) 用p l x m o n 对它进行修改。 ( 1 0 ) 设置p c i 9 0 x x 芯片的p c r 、l c r 、r t r 、d m a 以及m c r 寄存器内容。 ( 】1 ) 重新启动计算机后，用p l x o n 软件中的m e m o r y 菜单对局域侧i o 端口或 内存端口进行读写验j 下。 ( 1 2 ) 验证正确，则说明p c b 硬件调试成功，以下可进入软件设计。 1 7 华北电力人学硕十学位论文 第五章基于p c i 总线s v o 装置的软件设计 5 1总体软件整体设计框图与简介 基于p c i 总线s v c 装置的软件设计基本分为以下两部分： 1 ) 采集卡d s p 下位机程序 2 ) 双p c i 卡数据传输的驱动以及中断服务子程序的实现 采集卡d s p 下位机程序主要包括数据采集与无功功率的计算；双p c i 卡数据传 输主要包括p c i 驱动程序与中断服务子程序的实现。为满足上位机应用软件的调用， 中断服务子程序一般以动态链接库文件d l l 的形式存在。以下是软件的工作原理框 图： 具有友好界面的应用层 应用软件 底层软件 s z 一 ，动态链接库( 起接口作用) 一 一7 设备驱动程序 硬件部分 图i 一1软件的工作原理框图 华北电力人学硕十学协论文 以下的内容即谈到如何在软件上实现双卡之间的数据传输。p l x 公司提供软件 丌发包3 ，提供了处理p c i 各种功能的a p i 函数库，其软件结构如下所示： 应用程序 p l x a p i d l l 动态链接库 ：p l x 设备驱动程序 一r 两r h o s t i、。 p l x 9 0 x x 接口芯片 p c i 板卡 图5 2 软件结构图 52 使用s d k 开发p o i 驱动程序 驱动程序是一系列控制硬件设备的函数，与操作系统拥有相同的级别，是上层 应用软件与硬件部分联系的桥梁。不同的操作系统支持不同类型的驱动程序，目前 市场上流行的操作系统是w i n d o w s 9 x 和w i n d o w s x t 两种系列。 w i n d o w s 9 x 包括 w i n d o w s 9 5 、w i n d o w s 9 8 、w in d o w s m e ：w i n d o u s x t 包括w i n d o w s n t 4 0 、w i n d o w s 2 0 0 0 。 w i n d o w s 9 x 操作系统支持v x d ( 虚拟设备驱动程序) ，而w i n d o w s n t 则支持w d m ( w i n 3 2 d r iv c r sm o d e ) 类型的驱动程序。w d ) v l 来源于w in d o w s n t 的分层3 2 位设备驱动程序 模型( l a y e r e d3 2 一b itd e v i c ed r i v e rm o d e l ) ，为w i n d o w s n t