基于FPGA構(gòu)架的并行硬件合并單元實(shí)現(xiàn).doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)合并單元及其FPGA實(shí)現(xiàn)學(xué)院電力學(xué)院專業(yè)電氣信息工程學(xué)生姓名指導(dǎo)教師提交日期2010年5月31日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)茲發(fā)給06級(jí)電氣信息班學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)，內(nèi)容如下：1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：合并單元及其FPGA實(shí)現(xiàn)2.應(yīng)完成的項(xiàng)目：（1）熟悉合并單元的基礎(chǔ)知識(shí)，完成開(kāi)題報(bào)告。（2）簡(jiǎn)單介紹合并單元的定義及功能。（3）重點(diǎn)研究合并單元怎樣用FPGA實(shí)現(xiàn)。（4）完成英語(yǔ)文獻(xiàn)翻譯。（5）完善畢業(yè)論文所有歸檔資料，進(jìn)行論文答辯。3.參考資料以及說(shuō)明：（1李紅斌，劉延冰，吳伯華電子式互感器的使用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景電力設(shè)備，2006，12:103-104（2）趙茂泰智能儀器原理與應(yīng)用北京：電子出版社,1999（3）聶一雄，尹項(xiàng)根光學(xué)電壓互感器設(shè)計(jì)中若干問(wèn)題的探討變壓器,2001,(4)：2023（4）金午橋，洪憲平變電站自動(dòng)化新技術(shù)的應(yīng)用研究電網(wǎng)技術(shù),2000,24(5)：3842（5）中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20840.8-2007互感器，第8部分：電子式電流互感器IEC60044-8:2002（6）中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20840.8-2007互感器，第7部分：電子式電壓互感器IEC60044-7:2002（7）中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/TIEC61850-9：2003變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，第9-1部分：特定通信服務(wù)映射(SCSM)通過(guò)單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信鏈路的采樣值4.本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)于2010年3月1日發(fā)出，應(yīng)于2010年5月31日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會(huì)進(jìn)行答辯。專業(yè)教研組（系）、研究所負(fù)責(zé)人審核年月日指導(dǎo)教師簽發(fā)年月日摘要隨著電力系統(tǒng)容量的日益擴(kuò)大和電壓運(yùn)行等級(jí)的不斷提高，傳統(tǒng)的電磁式互感器暴露出越來(lái)越多的缺點(diǎn)，難以滿足電網(wǎng)向自動(dòng)化、數(shù)字化方向發(fā)展的需要。在這種情況下，基于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電傳感技術(shù)的新一代電子式互感器應(yīng)運(yùn)而生，越來(lái)越多的人開(kāi)始研究電子式互感器。合并單元作為電子式互感器與變電站間隔層設(shè)備接口的重要組成部分，主要用于同步接收多路電子式互感器輸出的數(shù)字信號(hào)以及將處理后的數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式發(fā)送給間隔層設(shè)備。本文基于合并單元的研究背景，結(jié)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7/8和IEC61850-9-1，著重討論合并單元的功能以及怎樣來(lái)實(shí)現(xiàn)合并單元。由于合并單元要求對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高速的接收和發(fā)送，并沒(méi)有復(fù)雜的運(yùn)算和邏輯判斷，所以本文打破了傳統(tǒng)的以串行方式程序控制的合并單元實(shí)現(xiàn)方案（基于DSP，ARM等），提出了一種基于FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列)構(gòu)架的并行硬件實(shí)現(xiàn)的合并單元，具有并行性高，速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文中以XILINX公司最新的高速，低功耗FPGA芯片為處理器并結(jié)合Xilinx公司的各種IP核，實(shí)現(xiàn)了合并單元同步功能中的同步采樣、個(gè)合并單元之間進(jìn)行同步；多路電子式互感器輸出信號(hào)接收功能中的的曼徹斯特解碼，循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)、多路數(shù)據(jù)排排序；數(shù)據(jù)發(fā)送功能中的：數(shù)據(jù)幀組成、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送。關(guān)鍵詞：合并單元，電子式互感器，F(xiàn)PGA，IP核。華南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)IIAbstractWiththeimprovementofelectricpowersystemcapacityandtheincreasingoftheleveloftherunningvoltage,thetraditionaryelectromagnetictransformerisdifficulttosatisfywiththeneedofthedigitalandautomationpowersystem.Somoreandmorepeoplefocusonthenewelectronictransformer.Inthiscase,theelectronictransformerwhichbasedoncomputertechnologyandPhotoelectricSensorstechnologyhasbeeninventedAsanimportantcomponentoftheinterfacebetweenelectronictransformersanddevicesservedinthesubstationbaylevel,amergingunitwasprimarilyusedtoreceivethesamplevaluessimultaneouslyfromseveralelectronictransformers,andthensentthepro-cesseddatatothedevicesservedinthebaylevelwiththestandardformat.Inthispaper,theauthordiscussestherealizationofthedigitalinterfaceofthemergingunit(MU).Sincethemergingunitrequiresalotofdatatosendandreceiveinhighspeed,andnocomplexalgorithmsandlogicjudgeareneeded.Inthispaperwebreakedthemergingunitwhichbasedontraditionalwayofprogramcontrolbyserialimplementationscheme(suchasDSP,ARM,etc.),andproposedanewmergingunitimplementationschemewhichbasedonFPGA(fieldprogrammablegatearray)hardwareparallelarchitecturewithadvantagesofparellelandfast.InhispaperweusetheXilinxslatesthigh-speed,lowpowerFPGAchipandcombinedwithavarietyofXilinxsIPcores.WerealizedFirst:Synchronoussamplingandsynchronizationofmergingunitsinthefunctionofsynchronization；Second:Manchestedecoding,CRCchecking,sortingbyfifointhefunctionofdatareception；Third:dataframecompositionandtransmitiondatabyEthernetinthefunctionofdatatransmition.摘要I目錄摘要.IIAbstract.II第一章緒論.11.1研究背景及課題內(nèi)容的簡(jiǎn)介.11.1.1合并單元的背景和簡(jiǎn)介.11.1.2FPGA.21.2國(guó)內(nèi)外的對(duì)合并單元研究現(xiàn)狀.31.3本論文要研究的內(nèi)容.4第二章，合并單元的定義及其組成.52.1合并單元的定義.52.2合并單元的具體功能.72.3合并單元與二次設(shè)備的通信方式.82.3.1IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的通訊方式.82.3.2IEC61850-9標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的通訊方式.9三、合并單元功能設(shè)計(jì)及硬件選擇.133.1、合并單元所具有的功能模塊.133.1.1同步模塊.133.1.2多路數(shù)據(jù)接收和處理模塊.143.1.3數(shù)據(jù)通訊模塊.14華南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)IV3.2FPGA實(shí)現(xiàn)合并單元裝置的特點(diǎn).153.2.1現(xiàn)有的合并單元實(shí)現(xiàn)方案.153.2.2FPGA實(shí)現(xiàn)合并單元裝置的優(yōu)點(diǎn).153.3、本設(shè)計(jì)中軟硬件平臺(tái)和FPGA器件選擇.163.2.1、軟件平臺(tái).163.2.2、硬件平臺(tái).163.3本章小結(jié).17第四章、合并單元各功能的硬件實(shí)現(xiàn).184.1、同步模塊.184.1.1、同步功能的分析.184.1.2同步功能的實(shí)現(xiàn).204.2多路數(shù)據(jù)接收處理模塊。.214.2.1數(shù)據(jù)接收功能分析.214.2.2合并單元直接接收互感器傳來(lái)的模擬量.224.2.3合并單元直接接收互感器傳來(lái)的數(shù)字量.234.3數(shù)據(jù)通訊模塊.27第五章VHDL程序講解及仿真.305.1同步模塊.305.2數(shù)據(jù)接收模塊.315.2.1合并單元直接接收互感器傳來(lái)的模擬量時(shí)的A/D控制功能.315.2.2合并單元直接接收互感器傳來(lái)的數(shù)字量時(shí)的收據(jù)接收功能.345.3數(shù)據(jù)發(fā)送功能模塊.375.3.1以太網(wǎng)輸入端FIFO端口介紹.375.3.2以太網(wǎng)IP核端口介紹25.375.4合并單元中FPGA輸入輸出端口.385.4本章總結(jié).40結(jié)束語(yǔ).41致謝.42參考文獻(xiàn).43目錄III第一章緒論1第一章緒論1.1研究背景及課題內(nèi)容的簡(jiǎn)介1.1.1合并單元的背景和簡(jiǎn)介電力系統(tǒng)中對(duì)電壓電流的測(cè)量都會(huì)用到互感器，互感器把電網(wǎng)中的高電壓，大電流轉(zhuǎn)化成低電壓（100V），小電流（5A/1A）然后送給二次側(cè)的繼電保護(hù)，故障錄播，監(jiān)控，遠(yuǎn)動(dòng)等裝置。傳統(tǒng)的互感器是利用變壓器原理的電磁式互感器，電磁式互感器雖然原理、接線都很簡(jiǎn)單，但是具有體積大、發(fā)熱多、耗用銅等金屬材料多、耗用傳輸電纜多、維護(hù)困難、造價(jià)昂貴等固有的缺點(diǎn)。隨著電力系統(tǒng)傳輸容量的增加，運(yùn)行電壓等級(jí)越來(lái)越高，傳統(tǒng)的電磁式電流電壓互感器暴露出原來(lái)沒(méi)有或不明顯的缺點(diǎn)如：絕緣要求高、磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小以及頻帶窄等一系列缺點(diǎn)。于是，旨在解決超高壓絕緣、磁飽和等問(wèn)題的電子式電流、電壓互感器應(yīng)運(yùn)而生。近幾年來(lái)，電子式電流、電壓互感器研究發(fā)展迅速，基于光學(xué)和Rogowski空心線圈的電流互感器已進(jìn)入實(shí)用階段。1同時(shí)，隨著信號(hào)采集技術(shù)、數(shù)字分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得電子式互感器的發(fā)展及實(shí)用化成為現(xiàn)實(shí)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了變電站自動(dòng)化的發(fā)展，使得具有數(shù)字接口和低功率的電子式互感器的應(yīng)用成為可能。電子式互感器的應(yīng)用給電力系統(tǒng)系統(tǒng)的測(cè)量和通信帶來(lái)了極大地方便。主要體現(xiàn)在：（1）由于電子式互感器具有數(shù)字輸出、接口方便、通信能力強(qiáng)的天然特性，它將直接改變變電站通訊系統(tǒng)的通信方式。利用電子式互感器輸出的數(shù)字信號(hào)，使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)/多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或過(guò)程總線通信方式，將完全取代大量的二次電纜線，徹底解決二次接線復(fù)雜的現(xiàn)象，可以簡(jiǎn)化測(cè)量或保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少誤差源，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)真正意義上的信息共享；（2）由于通信方式的改變，加上數(shù)字?jǐn)嗦菲骺刂坪碗娮娱_(kāi)關(guān)裝置等智能電子設(shè)備的采用，使得功能不斷下放，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)由兩層結(jié)構(gòu)逐漸向三層結(jié)構(gòu)即過(guò)程層、間隔層、變電站層轉(zhuǎn)化，簡(jiǎn)化了每一層的內(nèi)容，便于電力自動(dòng)化裝置的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)2,3。過(guò)程層設(shè)備按照其功能主要可分為三類：a電氣運(yùn)行的實(shí)時(shí)電氣量檢測(cè)，即對(duì)電流、電壓、相位及諧波分量等進(jìn)行檢測(cè)；b運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)。對(duì)變壓器、斷路器、母線等設(shè)備的溫度、壓力、密度、絕緣、機(jī)械性以及工作狀態(tài)的檢測(cè)；b操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)，包括開(kāi)關(guān)跳合閘驅(qū)動(dòng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。華南理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)2電子式互感器雖然在原理上優(yōu)于傳統(tǒng)互感器，但是它的應(yīng)用將改變二次信號(hào)的輸出類型和輸出形式，這將帶來(lái)一系列需要解決的問(wèn)題4,5：（1）設(shè)計(jì)出適用于變電站二次設(shè)備特別適用于繼電保護(hù)的數(shù)字化接口。（2）如何選擇二次回路的光電數(shù)字化的結(jié)構(gòu)形式。（3）如何保證一、二次設(shè)備間的數(shù)字化通訊系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。只有解決了以上的問(wèn)題，電子式互感器才能真正的應(yīng)用到變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中。為此國(guó)際電工委員會(huì)已經(jīng)制定了電子式電壓/電流互感器(ElectronicCurrentTransformer，簡(jiǎn)稱ECT/ElectronicVoltageTransformer,簡(jiǎn)稱EVT)的標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7/8，并首次提出了合并單元的定義。合并單元是針對(duì)數(shù)字化輸出的電子式互感器而定義的，它是電流、電壓互感器和保護(hù)、測(cè)控裝置的中間接口，其主要功能是同步采集多路互感器輸出的數(shù)字信號(hào)后，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式發(fā)送給保護(hù)、測(cè)控設(shè)備。合并單元輸出的方式有兩種，其一是在IEC60044-7/8中定義的基于IEC60870-5-1標(biāo)準(zhǔn)的曼徹斯特編碼的串行通訊方式6,7，其二是在IEC61850-9中定義的基于IEEE802.3的以太網(wǎng)通訊方式。由于前者傳輸速率比較慢，限制了采樣率，所以目前工程實(shí)施中最常見(jiàn)的方式是以太網(wǎng)通訊方式。1.1.2FPGAFPGA（FieldProgrammableGateArray），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。FPGA是在PAL、GAL、EPLD等可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)，F(xiàn)PGA既解決了定制電路的不足，也克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（ConfigurableLogicBlock）、輸出輸入模塊I/OB（InputOutputBlock）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。用戶可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯，因而也被用于對(duì)CPU的模擬。用戶對(duì)FPGA的編程數(shù)據(jù)放在Flash芯片中，通過(guò)上電加載到FPGA中，對(duì)其進(jìn)行初始化。也可在線對(duì)其編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線重構(gòu)，這一特性可以構(gòu)建一個(gè)根據(jù)計(jì)算任務(wù)不同而實(shí)時(shí)定制的CPU，這是當(dāng)今研究的熱門(mén)領(lǐng)域。F