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哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 快周期同步加速器磁铁电源监测系统设计与实现 摘要 本文根据“散裂中子源( c s n s ) 快周期同步加速器( r c s ) 磁铁电源”的实 际应用需求，为其设计电源监测系统方案。该方案包括系统整体设计、硬件 设计、软件设计和系统测试。 传统电能监测设备的开发主要依赖于8 9 系列单片机，随着自动化仪器仪 表向数字化、智能化和网络化发展，传统的8 1 6 位单片机的资源已经不能满 足需求。在3 2 位高性能专用c p u 和嵌入式操作系统的出现后，仪器仪表已 经能够实现复杂的控制，进行多任务的处理，极大地提高工作效率。 基于以上分析考虑，该方案对被测电源系统做了深入地分析，并结合3 2 位高性能专用c p u 和嵌入式技术的应用对电源监控系统进行了改进设计，最 终选择嵌入式使用嵌入式技术实现整个系统。 本系统采用f p g a 与a r m 相结合的硬件结构，配合采用基于l i n u x 操作 系统的软件系统进行电源电压波形数据的收集、处理、记录以及传输，利用 以太网实现电能数据的在线监控，并通过配套使用的电能监测信息系统实时 地进行在线分析。这样不仅可准确、准时反映被监测端电压的实时统计曲线， 还可以及时发现计量故障，给出精确定位和报警提示。 最后通过将该系统投放到模拟环境中进行了测试，验证了系统的各项功 能和可靠性，并且证实该系统能够在被测电源不满足技术指标时做出及时的 反应，从而能够对被测对象进行实时监测。 关键词系统设计；嵌入式系统设计；电源监测系统 哈尔滨理t 大学t 学硕一 ：学位论文 d e s i g na n da c c o m p l i s h m e n t o fm o n i t o r i n gs y s t e m i nr c sp o w e r s u p p l yo fc s n s a b s t r a c t t om e e tt h en e e do ft h er a p i d n e s sc y c l es y n c h r o t r o n ( r c s ) m a g n e tp o w e r o fc h i n e s es p a l l a t i o nn e u t r o ns o u r c e ( c s n s ) ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g n o ft h em o n i t o r i n gs y s t e mt or c sm a g n e t i cp o w e r t h ep r o g r a mi n c l u d e so v e r a l l s y s t e md e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na n ds y s t e mt e s t i n g t h et r a d i t i o n a lw a yt od e v e l o pas y s t e mf o rp o w e rm o n i t o r i n gi sm a i n l y b a s e do n8 9s e r i e ss c m b u ta si n s t r u m e n td e v e l o p i n gt od i g i t i z e d ，i n t e l l i g e n t a n dn e t - b a s e d ，t h et r a d i t i o n a l8 1 6 - b i ts c mc a nn o tm e e td e m a n d w i t hd e d i c a t e d 3 2 - b i t h i g h p e r f o r m a n c e c p ua n de m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e ma p p e a r s ， i n s t r u m e n t sh a v eb e e na b l et od oc o m p l e xc o n t r o la n dd e a lw i t hm u l t i t a s k ，w h i c h g r e a t l yi m p r o v ee f f i c i e n c y c o n s i d e r a t i o nb a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，w i t ht h ei n d e p t h a n a l y s i so f p o w e rs u p p l ys y s t e m ，a n dc o m b i n e dw i t had e d i c a t e d3 2 b i th i g h - p e r f o r m a n c e c p ua n de m b e d d e dt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ed e s i g no ft h ep o w e rs y s t e m m o n i t o r , f i n a l l yc h o o s ee m b e d d e dt e c h n o l o g yt ob u i l dt h ew h o l es y s t e m i nt h i sp r o g r a m ，a ne m b e d d e ds y s t e mw i t ht h es t r u c t u r eo ff p g a + a r m a n db a s e do nl i n u xo sw i l lb eb u i l tt od ow a v e f o r mc o l l e c t i o n ，a n a l y s i sa n d r e c o r d s t h ef u n c t i o no fm o n i t o r i n gi sc a r r i e do u tb ye t h e r n e t ，a n dw i t ht h eu s i n g o fu s e ri n t e r f a c es o f t w a r eo np c ，p e o p l ec a no b s e r v et h ei n f o r m a t i o no ft h ep o w e r s o u c e t h i sp r o g r a mc a nn o t o n l y e n s u r et h es p e e da n da c c u r a c yo ft h e r e q u i r e m e n t s o ft h e s y s t e mb u ta l s o r e d u c ec o s t s ，a n dr e a l i z et h e c o m p l e t e c u s t o m i z a t i o no ft h es y s t e m b yu s i n ge t h e r n e ta n ds o f t w a r et oc a r r yo u to n l i n e m o n i t o r i n ga n da n a l y s e ，t h i ss y s t e mc a nn o to n l ya c c u r a t e ，t i m e l yr e f l e c tt h e v o l t a g e ，b u tc a na l s og i v eu s e ra na l a r mw h e nt h ev o l t a g ei sn o tn o m a l t h el a s tp a r to ft h i st h e s i si sa b o u tt h er e a le n v i r o n m e n ts i m u l a t i o nt e s t i n g ， a n dt h er e s u l ta n a l y s i s i ts h o w st h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l ea n da v a i l a b l e ，a n dc a n d oc e r t a i nr e a c t i o nw h e ns u d d e n n e s sh a p p e n i n g 1 1 哈尔滨理工人学工学硕一卜学位论文 k e yw o r d ss y s t e md e s i g n ，e m b e d d e ds y s t e md e s i g n ，p o w e rm o n i t o r i n gs y s t e m 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文快周期同步加速器磁铁电源 监测系统设计与实现，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 追磊日期：枷口尸年弓月弘日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 快周期同步加速器磁铁电源监测系统设计与实现系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人 完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名：、恝磊同期：办。尸年乡月) 口r 导师签名： 话岛 同期： 必邓年 ；月2 。同 哈尔滨理t 大学t 学硕 二学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 目前正在进行可行性设计研究的中国散裂中子源( c s n s ) 是我国中子科学 发展及中子科学研究平台建设的主要技术支撑之一。它的一期目标要求引出束 流功率为1 0 0 k w 、循环工作频率2 5 h z 。总体的结构设计选择了直线加速器加快 周期同步加速器的构架。其中，快周期同步加速器( r c s ) 是中国散裂中子源的 重要组成部分，它将h 一轰击剥离膜而得到的质子进行积累和加速，提高束流的 脉冲流强和能量，并在达到设计能量后将质子引出并轰击靶，从而得到实验所 需的散裂中子。快周期同步加速器在我国是首次设计，且目前在国外加速器实 验室中2 5 h z 以上的高能强流重离子加速器大多处在设计建造阶段，其磁铁电源 系统尚有许多设计与建造的关键技术需要解决。 为确保该电源稳定持续的工作，对电源稳定性的监测显得尤为重要。 对于c s n s 的r c s 磁铁电源系统的控制目标是：在加速器循环工作周期内 使6 类磁铁电流( 磁场) 之间相位相同，幅值的比例关系保持常数不变。 设计技术指标为： ( 1 ) 6 类磁铁电压的峰值和谷值稳定度好于0 1 ； ( 2 ) 6 类磁铁的交流电压成分相位维持稳定，同步相位差。 基于以上问题，本课题提出一套能够满足该工程需要的、低成本、高性能 的电源监测系统的设计思想。 1 2 电能质量监测的方法及内容 1 2 1 连续监测 对重要的变电站的公共供电点的电能质量实行连续监测，监测的主要技术 指标：供电频率、电压偏差、三相电压不平衡度、负序电流、有功功率、电网 谐波、功率因数。控制内容主要指当电压偏差、三相电压不平衡度、电网谐波 等指标越限时，发出警报或控制命令。连续监测任务主要由安装在变电站内的 电能质量监测仪完成他1 。 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 1 2 2 定时巡回检测 主要适应于需要掌握供电电能质量而不需要连续监测或不具备连续监测条 件而采用的检测方式。根据需要程度一般一个月或一季度检测一次，主要由便 携式电能质量分析仪或手持式谐波分析仪完成。电压波动和闪变指标则不需要 在线连续监测，可由闪变仪或便携式电能质量分析仪完成。 1 2 3 专项监测 主要适用于干扰源设备接入点网( 容量变化) 前后的检测方式，用以确定电网 电能质量指标的背景状况和干扰发生的实际量或验证技术措施效果。此项监测 任务一般由便携式电能质量分析仪完成。 1 3 电能质量的分析方法 1 3 1 时域仿真方法 对于电压下跌、电压上升、电压中断等有关电能质量暂态问题，由于其持续 时间短、发生时间不确定，对频谱分析提出了较高要求，较多采用时域仿真方 法。其主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象 进行研究。目前较通用的时域仿真程序主要有e m t p 、e m t d c 、n e t o m a c 等 系统暂态仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。 采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围， 因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外，在模仿开关的开合过程时， 还会引起数值振荡心一。 1 3 2 频域分析方法 频域分析方法多用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮流 计算等1 2 胁5 1 。 1 3 2 1 频率扫描在谐波分析中，通过向所需研究的节点注入幅值为1 的电 流，其余节点注入电流为零，从而得到该节点的谐波输入阻抗和相应各节点问 的转移阻抗。当注入电流的频率在一定范围内变动时，可得相应谐波阻抗频率 的分布图，从而可以确定该节点发生串并、联谐振的频率。 哈尔滨理工人学t 学硕j 二学位论文 1 3 2 2 传统谐波潮流计算该方法可分析谐波在系统的分布情况。该方法简单， 适用于大多数情况，在实际谐波潮流计算中应用较多。但在某些情况下，该方 法的误差较大。 1 3 2 3 混合谐波潮流计算由于以上两种方法在反映非线性负载动态特性方面 存在一定的局限性，因此混合谐波潮流计算法在近些年中发展起来。该方法的 优点是可详细考虑非线性负载控制系统的作用，因此可精确描述其动态特性。 缺点是计算量达，求解过程复杂。 1 3 3 基于变换的方法 应用于电能质量分析领域的基于变换的方法主要有f o u r i e r 变换、二次变换、 小波变换、神经网络等4 种方法幢m 埘。 1 3 3 1f o u r i e r 变换f o u r i e r 变换是经典的频谱分析和信号处理方法，而且有像 f f t 这样的快速算法，因此在电能质量分析领域已得到广泛应用。但在运用f f r 时，会产生旁瓣和频谱泄漏现象，给分析带来误差。为解决上述问题，提出了 短时f o u r i e r 变换方法( s t l 可) ，实现了无延时同步采样，可减小f f t 变换频谱 泄漏造成的误差和消除混叠效应。但由于其窗口固定不变，只适合于分析特征 尺度大致相同的过程，不适合于分析多尺度过程的突变过程。 1 3 3 2 二次变换二次变换是一种基于能量角度来考虑的新的时域变换方法。 该方法的基本原理是时间和频率的双线性函数来表示信号的能量函数。二次变 换的优点是：可以准确地检测信号发生尖锐变化的时刻；精确测量基波和谐波 分量的幅值。缺点是：无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值，不具有时域 分析功能。 1 3 3 3 小波变换小波变换是近年来新兴的一种信号分析工具，由于具有时 频局部化的特点，可以克服s t f r 的窗宽固定的缺陷，可改变窗口形状，具有 很好的时域和频域特性，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨 率。利用小波变换可以提高运算速度和精度，减小存储空间。将小波变换方法 用于电能质量分析领域，尤其是暂态过程分析领域将具有f o u r i e r 变换、s t f r 所无法比拟的优点。 1 3 3 4 神经网络神经网络法是基于神经网络理论所提出来的一种全新的分 析方法，可处理多输入多输出系统，具有自学习、自适应等特点，不必建立精 确的数学模型，只考虑输入输出关系即可。 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 1 4 国内外研究现状 传统电能监测设备的开发主要依赖于8 9 系列单片机，例如：安如存，董建 友，张永和所撰写的论文单片机多路电能监测系统的研究与应用中应用的 设计方案1 。随着自动化仪器仪表向数字化、智能化和网络化发展，传统的8 1 6 位单片机的资源已经不能满足需求。随着3 2 位高性能专用c p u 和嵌入式操作 系统的出现，仪器仪表已经能够实现复杂的控制，进行多任务的处理，极大地 提高工作效率。 以太网随着技术的成熟，交换技术的应用，高速以太网的发展等在工业自动 化领域上正迅速增长，几乎所有的现场总线系统最终可以都连接到以太网。随 着集成电路的发展，高档的微处理器作为i o 处理器和控制器核心的条件逐渐 成熟，而在控制器上运行的实时嵌入式操作系统使控制器易于实现t c p i p 协 议，以太网络更易于接近现场。工业以太网已经成为控制系统网络发展的主要 方向，具有很大的发展潜力。过程控制工业和自动化工业，从嵌入式系统到现 场总线控制系统，都认识到了以太网和t c p i p 的重要性，以太网和t c p i p 作 为世界上最为广泛应用的网络协议，它将成为过程级和控制级的主要传输技术。 带t c p i p 协议的标准的以太网接口现在已经在智能设备和i o 模块中使用。它 能够与工厂信息管理系统进行直接地、无缝地连接，而无需任何专用设备。因 此可以说，工业以太网在工业通讯网络中的使用将构建从底层的现场设备到先 进与优化控制层、企业管理决策层的综合自动化网络平台，从而可以消除企业 内部的各种自动化孤岛。以太网作为2 1 世纪未来工业网络的首选，它将在控制 和现场设备级成为标准的高速工业网络，有着广阔的应用和发展前景1 。 目前，电源监控系统在各个领域方兴未艾，各个厂家纷纷提出了自己的监控 方案，并在实际应用中发挥着重要作用。例如：德讯网络系统有限公司生产的 n p c 系列远程电源管理系统。该系统具备以下几个功能旧1 ： ( 1 ) 通过t c p i p 方式实现管理，用户可以在地球上任何地点，轻松的重新 启动和管理控制您机房内的数据设备； ( 2 ) 用户可在一个集中界面上对其权限管理范围内的服务器或其他数据设 备进行状态查看或控制等管理； ( 3 ) 用户可对运行中的服务器或其他数据设备进行主动侦测，如果发现服务 器应用服务停止或网络设备运行宕机发生故障，远程电源集中管理控制系统能 根据预先设定的方案进行自动重启解除故障； 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 ( 4 ) 可靠的故障保持设计，来电后自动恢复断电前的的状态，即使设备系统 故障也不影响当前供电方案； ( 5 ) 针对t c p i p 协议提供常用网络工具，如：t e l n e t 、p i n g ，支持对服务器 的监控功能； ( 6 ) 针对t c p i p 协议提供的服务进行实时故障监控，提供完整的故障记录， 并根据故障类型提供不同类型的报警； ( 7 ) 系统方案组建简单灵活，扩展性强。 但是，如果将这类监测系统应用于本系统，不足主要有以下原因： ( 1 ) 现有的监测设备不具备远程电压数据采集的要求，而且大部分监控系统 继承了变电站监控或工业控制的设计方法和系统结构，不能充分考虑加速器电 源的特殊性； ( 2 ) 现有的系统在设计功能上不能满足要求，设计要求能够实时地反映电源 电压的变化并且要具备数据保持和报警功能，显然普适性的系统不具备这些功 能； ( 3 ) 现有的系统在接口设计上不能满足要求，由于设备投放的现场有很大的 电磁干扰，要求系统能够隔离现场1 0 0 0 2 5 0 0 v 电压，一般的系统设计是无法 满足这个要求的； ( 4 ) 目前应用的成套监控系统的价格往往比较高，不能满足加速器设计上的 成本要求。 综上所述，研究开发一种适用于加速器电源特性，应用多种通信方式，便于 运行维护人员管理的新型监控系统，以弥补现有电源监控系统的不足，是很有 必要的晦。 1 5 论文的结构及研究内容 1 5 1 课题来源 本课题来自中国科学院高能物理研究所的“中国散裂中子源( c s n s ) ”工程 中的快周期同步加速器( r c s ) 部分。 主要研究如何对其中的磁铁电源进行检测。 c s n s 的建设将涵盖我国凝聚态物理、化学、材料等多学科领域应用的需要， 同时兼顾生命科学、工业应用等领域研究的应用需求。建成后将在发现新型高 温超导材料、形成氢离子运动的凝聚态物理新理论、d n a 分子识别的纳米自组 哈尔滨理工人学工学硕一 ：学位论文 装、蛋白质相互作用等一系列领域有望获得重大突破。每年将有上千研究人员 在散裂中子源利用不同的谱仪互相交流协调、启发借鉴，不同学科也有机会实 现渗透、交叉，开辟新领域，创建新学科。工农业生产领域中的许多问题，如 研究石油输油管线裂纹的成因、测量飞机涡轮的叶片与轮盘的焊接应力、研究 大豆根系的生长等，也能在散裂中子源的帮助下解决。 对于r c s 磁铁电源系统检测的研究，可影响c s n s 的发展以及后续建设， 乃至其它类似工程的应用有开拓性的作用陋1 。 1 5 2 课题研究内容 本课题将从理论和系统设计开发两个方面对c s n s 的r c s 磁铁电源系统监 测系统设计问题进行深入的研究，因此本课题研究的内容主要包括： ( 1 ) 对电源监测系统国内外发展现状的分析和预测； ( 2 ) 论证得出系统设计方案：系统设计的出发点为嵌入式应用，所以必须 根据嵌入式系统的设计方法对硬件、软件进行设计，最后得出可行的设计方案； ( 3 ) 进行波形校验算法的研究与设计； ( 4 ) 进行系统构建：根据设计方案并结合嵌入式设计的独特性进行硬件和 软件的实现； ( 5 ) 进行系统测试，得出实验数据。 本论文一共分为五章阐述快周期同步加速器磁铁电源监测系统的设计以及 具体的实现。 第一章绪论，阐述了课题的研究背景和意义，介绍了电能检测的方法、电 能检测分析的方法，并对其存在的问题和发展趋势进行了分析，总结了论文要 完成的任务。 第二章首先介绍了被测电源的基本结构，总结了被测电源的技术数据。提 出了系统的总体设计思路。之后根据电源设计要求的电源参数并且结合电源的 结构针对性地提出了系统的结构设计方案、制定了系统要具备的功能，并且为 系统的软件功能做出了定义。接着又进行了系统之间各部分的输入及输出信号 的特征的分析。最后提出了检测的目标以及达到目标的方法，这为之后的软件 设计和测试提供了依据。 第三章本章围绕硬件设计进行了针对性的阐述，其中主要包括模拟信号隔 离电路、a d 采集电路、运算放大器调理电路、信号处理与f p g a 电路的设计 以及嵌入式处理器的选择。 哈尔滨理t 大学t 学硕一l j 学位论文 第四章分为两部分阐述了系统的软件设计。第一部分是应用程序，其中包 括操作系统的选择，软件的整体流程和各个功能的流程；第二部分介绍了驱动 程序的设计，首先明确了驱动程序的功能，根据功能设计驱动程序的接口。最 后给出了波形校验的处理方法。并附上了关键的代码。 第五章是系统的测试部分。首先设计了系统发的试验方法，根据方法给出 了试验需要的环境，并检测了试验环境的仿真程度。之后根据要测试的主要指 标制订了测试方案。根据方案的内容分不对系统进行了测试并获得了实验数据。 试验不仅检验了系统的可用性，更对之前预期的检测目标进行了验证，实验的 结果证明该系统完全符合设计初衷，达到了检测的目的，对电源的输出质量进 行了监督。 哈尔滨理_ t 人学t 学硕1 ：学位论文 第2 章系统结构与工作原理 2 1 被测电源的结构 2 1 1 直流源 在稳态情况下直流电源不承受谐振网络的交流电压，其输出电压等于直 流偏置电流在磁铁和电抗器直流电阻上的压降，输出电流等于磁铁直流电流。 但是在交流源向谐振电路补充能量期间，电源输出回路要通过谐振电容充电 电流，一般来讲该电流波形是几毫秒宽的脉冲，重复频率2 5 h z 。由此说明该 电源是个负载以2 5 h z 大幅度变化的稳压源。为了保证磁铁电流的精度，要 求电源有足够快的响应特性，保持输出电压的恒定。 本设计采用电源的电路原理图如图2 1 所示。主电路包括：1 2 相可控硅 整流电路；整流桥输出端串联一个工一c 型二阶低通滤波器；输出级采用b u c k 型斩波变换电路拓扑，以提高电源响应速度。电源输出电压的变化由电压负 反馈电路快速调节。考虑到直流负载参数的温度漂移会导致磁铁电流变化， 因此需要根据磁铁电流直流电流成分的温度漂移，对电源的输出电压参考值 进行在线修正。 直流输出功率：巴c ；z d c ，d c ；其中z d c 为网络直流串联负载3 6 2 q 6 3 。 图2 1r c s 土b 直流电源电路原理 f i g 2 1r c sm a i nc i r c u i td cp o w e rs u p p l yb 哈尔滨理1 = 人学工学硕上学位论文 2 1 2 交流源 2 1 2 1 主b 磁铁交流电源结构在并联怀特电路中的交流电源作用是：第一， 通过变压器电抗器周期地向各谐振单元补充交流损耗；第二，与控制系统一 起，实现同步跟踪激励。由于负载特性，电源为电流源。电源结构如图2 2 所示。 连续正弦波激励源的谐振负载为受迫振荡。它需要一个同步时钟来控制 主b 磁铁电流和主q 磁铁的相位同步。相对脉冲激励方式，这种方式输出的 高次谐波成分大大降低，有利于加速器性能的提高，但是电源结构复杂，在 失谐工作状态下，对电源容量要求很高。 交流输出功率：p 一cxl 爿c ；其中吃c 和，爿c 为电抗器原边交流电压和 电流 - 3 。 l m 图2 2 并联谐振回路交流激励源的电路原理图 f i g 2 - 2p a r a l l e lr e s o n a n te x c i t a t i o ns o u r c ec o m m u n i c a t el o o pc i r c u i ts c h e m a t i c 2 1 2 2 主q 磁铁交流电源结构在串联谐振回路中，交流源不仅要提供交流 损耗，还要补充直流损耗，因此，它的输出电流要求为带直流偏置的j 下弦波。 另外，考虑到谐振时，谐振电压可能有正有负，该电源采用双向s p w m 调制 结构，如图2 3 所示。电源主电路分为三级，第一级为6 相可控硅整流，软 启动；第二级为d c d c 斩波，调节回路采用电压反馈方式，电源d c 输出电 压的变化和输出电压纹波均由电压负反馈电路快速调节，从而保证有一稳定 的输出直流电压d c ；第三级为双向h 型射频逆变器。调节回路采用电流反 馈方式，从而能够保证输出电流的幅值稳定，其电流的相位由外加的l 司步时 钟信号控制3 6 卜3 晒。 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 电源输出功率：尸= 眠c + c ) ( ，彳c + ，d c ) 。 n c l o c k 图2 - 30 串联谐振回路交流激励源的电路原理图 f i g 2 - 3qs e r i e sr e s o n a n tc i r c u i tc o m m u n i c a t ee x c i t a t i o ns o u r c ec i r c u i ts c h e m a t i c c s n s 的r c s 电源波形记录和校验系统用于采集待测电源信号波形加以 存储和显示，并可以实时地将采集数值与标准参考波形比较，如果采集的数 值超出给定阈值，给出报警信号。 2 2 系统的组成结构 嵌入式系统包括嵌入式软件和嵌入式硬件两部分。硬件是支撑，软件是 灵魂，几乎所有的嵌入式产品中都需要嵌入式软件来提供灵活多样、而且应 用特制的功能。设计一个成功的嵌入式系统，就必须寻找或开发一个合适的 软件和硬件平台。 一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成四个部分：嵌入式处理 器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。 1 嵌入式处理器嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入 式处理器与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式c p u 大多工作在为特定用 户群所专门设计的系统中，它将通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯 片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效 率和可靠性。 2 嵌入式外围设备在嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件( m c u 、 d s p 、e m p u 、s o c ) 以外，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 其他部件，事实上都可以算作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备 按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。 存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器( r a m 、 s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失型存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、 f l a s h ) 三种，其中f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价 格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 目前存在的绝大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括 r s 2 3 2 接口( 串行通信接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、i r d a ( 红外线接口) 、 1 2 c ( 现场总线) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 等。 由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管( c r t ) 、液晶 显示器( l c d ) 和触摸板( t o u c hp a n e l ) 等外围显示设备。 3 嵌入式操作系统为了使嵌入式系统的开发更加方便和快捷，需要有 专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度等功能的软件模块，这就是 嵌入式操作系统。 4 嵌入式应用软件嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固 定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有 时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的 支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求其准确性、 安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优 化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本 引。 本系统不仅要求可以对电源状态进行实时监测，更要求可以利用图形界 面呈现在用户面前，所以从组成结构上，该系统包括两大部分。 第一部分是上位机，上位机为基于w i n d o w s 操作系统的p c 机，利用图 形界面完成与用户交互，并且通过以太网口和串口与下位机连接，完成与下 位机的通信。上位机的功能包括向下位机发送指令，显示下位机收到的数据波 形，以及存储数据文件用于回放。 第二部分是下位机，下位机基于嵌入式系统构建，采用1 9 英寸1 u 机架 式结构，提供以太网口和串口，并可接入待检测的正弦波信号、t r i g 信号、 h a l t 信号，对外可输出报警信号，采用2 2 0 v 电源。下位机用来收集、比 较、存储外部输入的波形，发出波形异常报警信号。该系统中，下位机为核 心部分，完成系统需求中电压波形监控功能。下位机根据上位机指令和触发 信号，按设计频率采样电压正弦波，并对比标准波形信号，若发生异常( 偏离 值超过阈值) ，实时产生报警信号，并可在存储器中储存一定范闭的波形数据， 哈尔演理丁火学工学硕l ：学位论文 供上位机读取、保存。 2 3 系统的功能 系统的设计功能如下： ( 1 ) 系统采集待测电源信号，实时的将采集数值与标准参考波形比较，如 果采集的数值超出给定阈值，给出报警信号。实时性要求：从采集到数据至 给出报警信号的间隔时间小于1 m s ； ( 2 ) 屏幕刷新频率1 s 或者2 s ，每屏可显示的波形个数可调。默认显示为 当前最新采集的波形，可根据操作员要求查找以前记录的波形并显示； ( 3 ) 存储深度5 分钟； ( 4 ) 标准参考波形来源有两种方式，其一，可由输入信号接1 2 1 实际采集并 保存，其二，可通过上位机下载； ( 5 ) 采集的波形一般存储在i # s r a m 内。当系统与标准波形校验发现新 波形出错( 考虑干扰的去除) ，尽快发出错状态信号( 报警) ，如果没有接受到 停止采集命令，系统仍然保持波形采集和存储，同时将报警前采集的波形数 据复制到2 # s r a m 内，供后台波形回放。用户可根据需求，通过上位机复位 s r a m ： ( 6 ) 标准波形及其其它必要参数( 比如分段校验数据、e t h e r n e t 通讯参数、 触发计数器复位等) 要跟随保存，不因系统掉电或者重启而丢失，可通过上位 机多次重新设置、修改。 2 4 软件要求 上位机应用软件基于l i n u x 平台开发，硬件提供l i n u x 驱动程序。 上位机用户界面功能需求： ( 1 ) 显示直流和交流幅值回采值( 刷新速度1 2 秒) ； ( 2 ) 采集电流的交流波形的幅度和相位，要求能保存5 分钟的波形曲线， 并可在上位机查看和比对电源的波形。在发生机器保护时自动或按照中控指 令停止更新并保留已存的前5 分钟的波形曲线； ( 3 ) 用户可以根据自仃端波形记录的同步标识符检索相应波形； ( 4 ) 上位机能及时显示报警信息。 该系统软件功能可归纳为三种：示波器功能、波形校验与报警工作功能 哈尔滨理工人学丁学硕十学位论文 和数据保存功能。 1 - 示波器功能模式此工作模式下，下位机持续采集待测信号波形，采 集到的数据实时上传到上位机，上位机连续显示被测波形。此模式下，系统 采样和停止均由上位机指令控制，采用内触发方式。 在示波器功能模式下，系统采样率可设置为四种：2 5 k h z ，5 0 k h z 和 1 0 0 k h z 。 2 波形校验与报警工作模式此工作模式下，下位机持续采集信号波形， 当收到外触发信号后，启动波形校验程序，将采集的数据与标准波形数据实 时比较。当比较结果超出给定门限值，系统发出报警信号，并将一定范围的 波形数据保存到专有存储区，等待上位机发送读取指令，然后上传报警数据。 系统报警信号的取消可以通过自动和人工两种方式取消。当报警信号发 出一定时间内，没有新的报警数据时，系统自动取消报警信号。 同时，无论报警与否，系统保持不间断的采样，采集到的数据仍要实时 上传到上位机，供上位机显示被测波形。在波形校验与报警工作模式，标准 波形数据可通过两种方式获得： ( 1 ) 通过上位机直接下载标准波形数据 ( 2 ) 现场采集指定信号作为标准波形数据 ( 3 ) 数据保留功能 本系统的一个特殊功能即数据保留功能，系统接收到h a l t 信号后，要 能够将h a l t 信号发生前后一定范围内的波形数据保存到专有存储区，等待 上位机读取指令，然后保留h a l t 数据。 2 5 系统输入和输出 本系统对输入信号进行模拟量隔离，要能够隔离现场1 0 0 0 - - 2 5 0 0 v 电压， 同时不影响信号采集精度，本系统输出信号要经过光电隔离后，输出给外部 接口。 1 模拟输入信号主二极铁电源和主四极铁电源工作电流信号：此信号 为带直流偏置的币弦波，工作频率为2 5 h z ，幅值i o v ，差分信号。 2 同步触发信号( t r i g ) 2 5 h z 同步触发信号，作为a d 启动工作的参考 “原点”。此信号为光信号，采用h f b r 3 4 1 6 t 接收器，s t 连接头。 3 停止信号( h a l t ) 系统控制信号，作为系统同步采集数据的触发信 号。此信号为光信号，采用h f b r 3 4 1 6 t 接收器，s t 连接头。 哈尔滨理工人学t 学硕1 j 学位论文 t r i g 信号和h a l t 信号采用常亮设计，正常情况是常亮状态，触发后 变为无光亮状态，触发时间2 u s 。 4 输出信号此信号为光信号，采用h f b r 3 4 1 6 t 接收器，s t 连接头。 报警信号采用常亮设计，正常情况是常亮状态，触发后变为无光亮状态。 本系统对输入信号进行模拟量隔离，然后采集；输出信号要经过光电隔 离后，输出给外部接口。 5 通信接口通过以太网或者r s 2 3 2 串口实现与上位机的通讯( 命令参 数设置以及数据上传) ，以太网通讯协议基于t c p a j d p 。 2 6 本章小结 本章首先介绍了被测电源的基本结构和原理，为之后进行的检测系统设 计提供了目标和针对性。之后根据电源设计要求的电源参数并且结合电源的 结构针对性地提出了系统的结构设计方案、制定了系统要具备的功能，并且 为系统的软件功能做出了定义。接着又进行了系统之间各部分的输入及输出 信号的特征的分析。最后提出了检测的目标以及达到目标的方法，这为之后 的软件设计和测试提供了依据。 哈尔滨理t 人学工学硕l ：学位论文 3 1 系统概述 第3 章硬件部分的设计 下位机硬件系统的处理主要包括方面： 完成电压正弦波监控功能，将来自外部的正弦波信号经过前端处理后， 送交d 转换模块，d 转换模块的输出为数字信号，可发送到板载f p g a ， 由f p g a 负责将信号与标准信号进行对比，f p g a 处理完数据后，通过中断 方式通知c p u ，由中断服务程序负责数据存储。异常情况下( 信号对比差值 超过设定阈值) ，由f p g a 硬件模块触发报警信号，并通过中断方式通知c p u ， 对应中断服务程序完成通知上位机的操作。如图3 1 所示。 系统串口和网口为对外接口，负责处理上位机命令并反馈信息。 图3 - 1 下位机系统逻辑框图 f i g 3 - 1l o w e rc o m p u t e rl o g i cd i a g r a m 3 2 模拟信号隔离电路设计 由于本系统对输入信号进行模拟量隔离，要能够隔离现场1 0 0 0 - 2 5 0 0 v 电压，同时不影响信号采集精度，本系统输出信号要经过光电隔离后，输出 给外部接口。 模拟信号输入下位机时，最重要的就是a d 前的隔离，为防止干扰，首 先采用线性光电耦合器t i l 3 0 0 。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 光电耦合器是通过光信号的传送实现耦合的，输入和输出之间没有直接 的电气联系，具有很强的隔离作用，在实际中应用很广泛。原理如图3 2 所 不o 多 i f _ _ _ _ _ - _ - _ _ - o 7 6 夕i d - 唧瓷f 一 睁 、 e 图3 - 2 线性光电耦合 f i g 3 - 2l i n e a ro p t o c o u p l e r 眦 p d 2c n ) d e p d 2 n e 利用发光二极管l e d 与两个光电二极管进行耦合，一路反馈到输入端， 一路耦合到输出端，经过激光调整精心匹配，线性度和稳定度都很好。 t i l 3 0 0 是一款高精度的线性光耦，可以耦合直流或交流信号，工作带宽 2 0 0 k h z 以上，可以隔离峰值3 5 0 0 v 的电压，有效防止强外界干扰。 t i l 3 0 0 的应用电路如图3 3 所示。 图3 3 光电耦合隔离电路 f i g 3 - 3o p t o c o u p l e ri s o l a t i o nc i r c u i t 3 一 一 一 一 认 以 甜 u 们 纠 l p 哈尔滨理t 大学t 学硕- ：学位论文 3 3a d 采集电路设计 a d 芯片的选型主要考虑：采样速率、采样位数、信噪比、总带宽、模 拟信号输入范围、i n l 、d n l 、价格。 根据本系统的要求：采用1 6 位，1 0 m 采样的芯片，综合考虑与x i l i n x f p g a 的接口设计，本方案选择l i n e a r 公司的l t c 2 2 0 2 。该芯片在同样的 采样率下有较高的动态范围和精度，同时有管脚兼容的高频率的芯片可供于 以后升级。l t c 2 2 0 2 的内部结构以及应用电路如图3 4 和图3 5 所示。 a i v 丰：，m 爿 率申副，霉 = 盘哪1 一“k r - - r f ： 壬 圈- - - l _ _ _： ，一 孝， 讪l (m 洲土0 面黼=占上士。 。 。 图3 4l t c 2 2 0 2 内部结构图 f i g 3 - 4t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fl t c 2 2 0 2 图3 5l t c 2 2 0 2 外部连接图 f i g 3 - 5e x t e r n a lc o n n e c t i o no fl t c 2 2 0 2 其中c ml t l 9 9 4 为单端信号变差分电路，进一步起到隔离和保持信号完 哈尔滨理t 人学t 学硕十学位论文 整性作用。该电路的优点是具有良好的低频率响应性能。 3 4 运算放大器调理电路设计 运算放大器用于前端驱动光耦，光耦之后对信号的幅度进行调节，以适 应a d 的需要。 运放的选型的要点如下四川。 1 3 d b 带宽由于采样率是1 0 m ，运放的带宽一般要求是采样率的1 0 倍以上，可以选择2 0 0 m h z 以上。 2 信号变化斜率信号变化的斜率影响到运放的瞬态响应，斜率低的运 放即使带宽很高，仍难以保证动态范围。综合考虑带宽因素，可以采用信号 变化斜率大于5 0 0 v u s 。 3 供电电压范围为保证_ i o v 的信号的接入，要求供电电压高于接入 信号。可以采用_ 1 5 v 供电。 4 偏置电压偏置电压决定运放的精度，越小越好。 满足以上要求的运放种类较多，本系统选择a d 8 1 1 ，图3 - 6 所示。该