基于單片機(jī)的電力系統(tǒng)故障錄波設(shè)計(jì)(共55頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要電力系統(tǒng)故障錄波裝置是常年投入運(yùn)行監(jiān)視運(yùn)行狀況的一種自動(dòng)記錄裝置。故障錄波裝置可以準(zhǔn)確地反映故障類型、相別、故障電流、電壓的數(shù)值以及斷路器的跳合閘時(shí)間和重合是否成功等情況, 可以正確分析和確定事故的原因, 研究有效的防止措施, 從而減少以至避免再發(fā)生類似事故, 對(duì)保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的作用極其重要。本論文首先介紹了故障錄波器的研究背景與意義，分析了國(guó)內(nèi)外故障錄波器的發(fā)展現(xiàn)狀。就故障錄波器的基本要求和主要技術(shù)指標(biāo)提出了FPGA+C8051F120的雙CPU系統(tǒng)方案，并且針對(duì)故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的瓶頸問(wèn)題提出了基于USB接口的大容量存儲(chǔ)方案。其次，論文完成了基本的硬件電

2、路設(shè)計(jì)和軟件算法設(shè)計(jì)。本論文主要研究基于FPGA+C8051F120的雙CPU系統(tǒng)方案的軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)統(tǒng)地闡述了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，故障錄波器的主要啟動(dòng)判斷、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并用快速傅里葉算法(FFT)對(duì)交流諧波進(jìn)行分析。最后，對(duì)其故障錄波器的特點(diǎn)和應(yīng)用前景做了展望。關(guān)鍵詞：故障錄波器;啟動(dòng)判斷;FFT;高速數(shù)據(jù)采集專心-專注-專業(yè)AbstractElectric power system fault wave record device is perennial investment operation monitoring the operation condition of a ki

3、nd of automatic recording device. Trouble wave record device can be accurately reflect the fault type, phase dont, fault current, voltage of the numerical value of the circuit breaker and jump off time and coincide success and so on, can correct analysis and determine the cause of the accident, the

4、effective prevention measures, so as to reduce and avoid again occurrence similar accident, to ensure the safe operation of the power system is the important role. Firstly，this paper introduces the research background and significance of the fault recorder，and analyzes me developing status of fault

5、recorder at home and abroadIt puts forward me measure of double CPU(FPGA and C8051F120) in view of the basic requirememts and the main technical indicator of the fault recorder moreover the lager storage scheme based on USB is proposed in View of the breakdown data storage capacitys bottleneck quest

6、ion Secondly ,the hardware frame and the methods to calculating the power parameters are mainly discussed in this thesis. This paper mainly research based on double CPU(FPGA and C8051F120) system scheme of software design, system all this data processing system is realized, trouble wave record of th

7、e main start judgment, the data acquisition and data storage, and with fast Fourier Transform Algorithm (FFT) to analyze the harmonic of the voltage and current. Finally, we describe the characteristics and application of fault recorderKey words: Fault recorder;Startup criteria; FFT ;High-speed data

8、 sample目 錄摘要IAbstractII1 緒論1 1.1 課題的背景與意義1 1.2 國(guó)內(nèi)外故障錄波裝置的發(fā)展和研究現(xiàn)狀2 1.3 本課題的研究任務(wù)31.4 本章小結(jié)42 故障錄波裝置總體設(shè)計(jì)概述5 2.1 對(duì)故障錄波裝置設(shè)計(jì)的基本要求5 2.2 數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)6 2.3 數(shù)據(jù)記錄時(shí)間及方式6 2.4 錄波啟動(dòng)方式7 2.5 故障錄波裝置設(shè)計(jì)方案7 2.5.1 控制系統(tǒng)器件的選擇7 2.5.2 主要外圍電路器件的選擇10 2.6 本章小結(jié)133 故障錄波裝置的硬件設(shè)計(jì)143.1 FPGA數(shù)據(jù)采集單元的硬件設(shè)計(jì)143.1.1 FPGA器件143.1.2模擬量采集電路143.1.3

9、 實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC模塊143.1.4 開關(guān)量輸入電路143.1.5 頻率測(cè)量電路153.2 人機(jī)接口及管理單元的硬件設(shè)計(jì)15 3.2.1 C8051F120器件15 3.2.2 存儲(chǔ)空間擴(kuò)展電路15 3.2.3 人機(jī)接口電路15 3.3 硬件抗干擾措施15 3.4 本章小結(jié)154 故障錄波裝置總體設(shè)計(jì)概述17 4.1 FPGA數(shù)據(jù)采集單元的軟件設(shè)計(jì)17 4.1.1 FPGA軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言VHDL簡(jiǎn)介17 4.1.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)17 4.1.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊19 4.1.4 雙口RAM20 4.2 管理模塊軟件設(shè)計(jì)21 4.2.1 人機(jī)接口程序設(shè)計(jì)22 4.2.2 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的軟件設(shè)計(jì)24 4.

10、3 本章小結(jié)285 系統(tǒng)算法的選擇及程序?qū)崿F(xiàn)29 5.1 故障判斷算法分析29 5.1.1 突變量啟動(dòng)算法29 5.1.2 穩(wěn)態(tài)錄波啟動(dòng)算法30 5.2 數(shù)據(jù)處理算法及程序設(shè)計(jì)31 5.3 本章小結(jié)386 系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)39 6.1 數(shù)據(jù)采集與分析測(cè)試39 6.2 故障錄波測(cè)試41 6.2.1 模擬故障錄波信號(hào)產(chǎn)生電路41 6.2.2 數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存42 6.3 本章小結(jié)427 結(jié)論43 7.1 結(jié)論43致謝44參考文獻(xiàn)45附錄471 緒論1.1課題的背景與意義企業(yè)變電所在企業(yè)生產(chǎn)有著重要的地位，保證變電所的安全、可靠的運(yùn)行是十分必要的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，變電所的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)開始逐漸在國(guó)

11、內(nèi)電力變電所使用，而企業(yè)變電所自動(dòng)化監(jiān)控剛起步，研究符合企業(yè)要求的變電所自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)有重要意義。隨著電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，就需要一個(gè)能夠準(zhǔn)確進(jìn)行故障元件診斷、事故后數(shù)據(jù)分析、保護(hù)動(dòng)作行為評(píng)價(jià)等功能完善的電網(wǎng)故障信息綜合分析系統(tǒng)。這對(duì)于電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起著十分重要的作用。電力系統(tǒng)的調(diào)度自動(dòng)化是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證，隨著其自動(dòng)化水平的不斷提高以及通信等技術(shù)的加盟，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)層的EMS（能量管理系統(tǒng)）、SCADA系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視控制），廠站端的SOE（事件順序記錄）、PDR（事故追憶記錄）等配套設(shè)施的不斷出現(xiàn)和改進(jìn)。多年來(lái)，電力系統(tǒng)自動(dòng)故障記錄已成為分析系統(tǒng)事故，特別是分析

12、繼電保護(hù)動(dòng)作行為的重要依據(jù)。尤其是以微機(jī)為基礎(chǔ)的故障錄波裝置，能夠記錄電網(wǎng)故障發(fā)生前后電氣量和狀態(tài)變化過(guò)程信息，完整地反映故障后的瞬間變化及繼電保護(hù)的動(dòng)作行為，并有數(shù)據(jù)存檔和數(shù)據(jù)再分析的能力。而且，隨著通信技術(shù)的介入，電網(wǎng)調(diào)度端可以隨時(shí)收集分布于各個(gè)廠站的故障錄波器的信息，這就是故障錄波器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。到目前為止，各網(wǎng)（?。┱{(diào)已相繼完成以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)故障錄波數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳為主要目標(biāo)的聯(lián)網(wǎng)工作。其目的非常明確：提高電力系統(tǒng)調(diào)度和運(yùn)行的水平，提高處理電力系統(tǒng)事故的快速反應(yīng)能力，確保電力系統(tǒng)安全可靠供電。從而，所有上述調(diào)度自動(dòng)化配套設(shè)施，都為開發(fā)電網(wǎng)故障信息綜合分析系統(tǒng)提供了廣闊的平臺(tái)?；谝陨戏治?，研究一種基于

13、故障錄波信息的調(diào)度端電網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)，提出了“軟保護(hù)”的診斷思想，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)度端的故障錄波信息管理、電網(wǎng)層的故障元件診斷、以及雙端測(cè)距等功能。電力系統(tǒng)故障錄波裝置主要在變電站中用作記錄和分析電網(wǎng)設(shè)備的故障，它長(zhǎng)年投入運(yùn)行，時(shí)刻監(jiān)視著系統(tǒng)運(yùn)行狀況。正常情況下不啟動(dòng)錄波，發(fā)生故障或振蕩時(shí)則自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行錄波。一般可記錄故障前幾百毫秒，故障后幾千毫秒時(shí)間段內(nèi)的有關(guān)電氣參量的變化全過(guò)程波形及繼電保護(hù)的動(dòng)作情況，在動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后又能自動(dòng)停止記錄。故障錄波分析的主要意義有：正確分析事故的原因并研究對(duì)策；正確評(píng)價(jià)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作 ；了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，迅速正確地處理事故進(jìn)行故障定位。此外故障錄波器不僅

14、用于電網(wǎng)故障的診斷，在其他領(lǐng)域也有其他的應(yīng)用，例如汽車行駛記錄儀、大型電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等，在油田、石化、鋼鐵、高速公路、鐵路、地鐵等系統(tǒng)外企業(yè)均得到廣大應(yīng)用。因此研究故障錄波器具有很重要的意義。1.2國(guó)內(nèi)外故障錄波裝置的發(fā)展和研究現(xiàn)狀到 80 年代初故障錄波技術(shù)只是停留在以光電轉(zhuǎn)換為原理、膠片為記錄載體, 還不能真正在電力系統(tǒng)故障時(shí)可靠的記錄下數(shù)據(jù)。在 1982 年, 比利時(shí)電力系統(tǒng)發(fā)生重大故障, 因?yàn)闆](méi)有可靠的故障記錄分析依據(jù), 造成嚴(yán)重?fù)p失。1984 年, 法國(guó)電力系統(tǒng)變壓器發(fā)生爆炸導(dǎo)致法國(guó) 50% 以上地區(qū)處于黑暗之中, 同樣因?yàn)槿鄙倏煽康墓收嫌涗浄治鲈O(shè)備, 一年后仍

15、未找出事故原因。自 80 年代中期以來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)被引入繼電保護(hù)領(lǐng)域, 國(guó)內(nèi)外的故障錄波技術(shù)便上了新的臺(tái)階, 在數(shù)據(jù)記錄性能上有了很大提高, 基本解決了光電式故障錄波器錄波環(huán)節(jié)多、容量小、沒(méi)有時(shí)標(biāo)、無(wú)記憶能力、數(shù)據(jù)讀取誤差大等問(wèn)題, 以具有記憶功能強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大、能進(jìn)行故障記時(shí)、故障類型判別、故障參數(shù)和事件順序記錄、能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和便于進(jìn)行后臺(tái)分析等特點(diǎn), 故障錄波器得到迅猛的發(fā)展。1980 年, 我國(guó)第一臺(tái)超高壓電網(wǎng)故障錄波裝置誕生; 1984 年, 我國(guó)第一臺(tái)微機(jī)繼電保護(hù)裝置問(wèn)世, 歷經(jīng) 10 余年, 微機(jī)型故障錄波器已經(jīng)完全取代了光電式錄波器, 成為電網(wǎng)故障信息記錄的主力, 在許多

16、重大事故的調(diào)查和分析中發(fā)揮了重要作用。同 期國(guó)外出 現(xiàn)了以瑞 士 LEM、美國(guó) Intelligent instrument s Inc 等為代表開發(fā)故障錄波屏的國(guó)外公司。進(jìn)入 90 年代, 在 1995 年英國(guó)CSD公司購(gòu)買了中國(guó)研制開發(fā)的微機(jī)故障錄波測(cè)距軟件則開創(chuàng)了我國(guó)電力系統(tǒng)向國(guó)外出口軟件技術(shù)的先例, 使中國(guó)電力科研成果真正走向了世界。就國(guó)內(nèi)錄波器而言, 有以下一些問(wèn)題:( 1) 錄波方式不一致, 全網(wǎng)各點(diǎn)錄波器時(shí)間參照系不同, 不便于統(tǒng)一分析和統(tǒng)計(jì)查詢。( 2) 數(shù)據(jù)的安全性仍難盡如人意。由于直流消失、連續(xù)故障、誤操作等因素, 仍可能造成錄波失敗。( 3) 電網(wǎng)信息與保護(hù)及安自裝置自身

17、工作信息, 運(yùn)行信息與故障信息, 線路信息與機(jī)組信息等分類不清, 定位不準(zhǔn)。( 4) 數(shù)據(jù)輸出方式簡(jiǎn)單, 交換接口層次多, 速率低, 規(guī)約不統(tǒng)一, 不便于組網(wǎng)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及綜合分析。( 5) 與其他故障分析設(shè)備交換數(shù)據(jù)不方便。( 6) 在設(shè)計(jì)上, 未充分考慮故障錄波的特點(diǎn)和需求。國(guó)外的故障錄波器一般采用分布式結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)，可以分散安裝在開關(guān)柜或保護(hù)室內(nèi)，通過(guò)通信網(wǎng)可以連到一臺(tái)所級(jí)計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到調(diào)度中心。計(jì)算機(jī)配有通用分析軟件包，可集中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。但是國(guó)外產(chǎn)品的價(jià)格太高，使得在變電站中的普遍安裝存在一定的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，另外國(guó)外故障錄波器需配置專門的故障分析軟件，構(gòu)建獨(dú)立的錄波網(wǎng)，投資大，技

18、術(shù)要求高，不適合目前仍以集中組屏式結(jié)構(gòu)為主，網(wǎng)絡(luò)功能不健全的變電站系統(tǒng)訂。1.3本課題的研究任務(wù)本課題的主要研究?jī)?nèi)容有：在熟悉課題、調(diào)研和收集資料的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)課題進(jìn)行可行性分析，提出能完成課題要求的各種系統(tǒng)組態(tài)方案，包括系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)輸入/輸出方式、數(shù)據(jù)處理方式、控制算法、處理器類型和系統(tǒng)的抗干擾措施等方案。我們結(jié)合本課題，針對(duì)目前故障錄波器采樣速率低，系統(tǒng)容量小的缺點(diǎn)提出了基于FPGA +C8051F120+USB的故障錄波裝置設(shè)計(jì)方案。1、在比較和分析了國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的長(zhǎng)處和不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題對(duì)錄波器的要求和技術(shù)指標(biāo)，提出了相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。2、進(jìn)行高速采集輸入的電壓、電流、開

19、關(guān)接點(diǎn)信號(hào)等電量，變換成數(shù)字信號(hào)后并存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。3、電源線路故障時(shí)，記錄電壓、電流的變化。4、可顯示對(duì)故障類型、故障時(shí)間和設(shè)備，可打印出故障波形曲線。14本章小結(jié)本章主要介紹了故障錄波裝置的研究背景和意義，并探討了國(guó)內(nèi)外故障錄波裝置的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，針對(duì)故障錄波裝置現(xiàn)有的一些缺點(diǎn)提出相應(yīng)的解決方案，明確課題的研究任務(wù)。2 故障錄波裝置總體設(shè)計(jì)概述故障錄波裝置主要用來(lái)記錄故障動(dòng)態(tài)過(guò)程即記錄因系統(tǒng)大擾動(dòng)如短路故障、系統(tǒng)振蕩、頻率崩潰、電壓崩潰等發(fā)生后引起的系統(tǒng)電流、電壓及其導(dǎo)出量如有功功率、無(wú)功功率以及系統(tǒng)頻率的全過(guò)程變化現(xiàn)象。主要用于檢測(cè)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的動(dòng)作行為，了解

20、系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)各電氣參量的變化規(guī)律。本章提出了故障錄波裝置的基本要求和總體設(shè)計(jì)方案。2.1對(duì)故障錄波裝置的基本要求電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄的主要任務(wù)就是記錄系統(tǒng)大擾動(dòng)后電氣參量變化的全過(guò)程。我國(guó)頒布的DLT55394220500KV電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)記錄技術(shù)準(zhǔn)則對(duì)電網(wǎng)的故障錄波制定了技術(shù)準(zhǔn)則，基本要求為：(1)系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)，能自動(dòng)對(duì)其擾動(dòng)過(guò)程按要求進(jìn)行記錄，并當(dāng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程基本中止后，自動(dòng)停止記錄。(2)容量足夠大，當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)，應(yīng)能無(wú)遺漏的記錄每次系統(tǒng)大擾動(dòng)發(fā)生后的全過(guò)程數(shù)據(jù)。(3)記錄數(shù)據(jù)安全可靠，滿足要求不失真。(4)記錄裝置本身可靠，有足夠的抗干擾能力，滿足規(guī)定的線性測(cè)量范

21、圍。因此裝設(shè)在220500KV變電所的電力系統(tǒng)故障動(dòng)態(tài)過(guò)程記錄設(shè)備應(yīng)滿足如下的要求：(1)具有按反應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)的系統(tǒng)電參量幅度及變化頻率而自啟動(dòng)和反應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程基本結(jié)束而自動(dòng)停止的功能，也能由外部命令啟動(dòng)和停止。(2)每次記錄的數(shù)據(jù)必須盡快地轉(zhuǎn)移到中間載體，以迎接可能隨之而來(lái)的下一次故障數(shù)據(jù)記錄。(3)有足夠的抗干擾能力：滿足規(guī)定的電氣測(cè)量范圍；記錄的數(shù)據(jù)可靠、不失真：記錄的故障數(shù)據(jù)有足夠的安全性，不因供電電源中斷和人為的偶然因素丟失和抹去。(4)記錄的數(shù)據(jù)帶有時(shí)標(biāo)。(5)按要求輸出原始采樣數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)處理取得的規(guī)定電參量值。2.2數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)指標(biāo)（一）輸入信號(hào)1、6路模擬量輸入：三

22、相電壓、三相電流。2、交流電壓輸入：57到120V額定有效值，212V滿量有效值。3、交流電流輸入：1A或5A額定有效值。4、開關(guān)量通道數(shù)：16路。（二）采樣指標(biāo)l、采樣速率：采樣率用戶可選每周波64、128點(diǎn)。2、諧波分辨率：31次3、電壓電流波形采樣精度：0.54、開關(guān)量分辨率：不劣于1ms。23數(shù)據(jù)記錄時(shí)間及方式故障錄波裝置模擬量記錄過(guò)程應(yīng)該符合DL廠r55394國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)這一技術(shù)準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)記錄特點(diǎn)是分時(shí)段記錄陋1，以適應(yīng)數(shù)據(jù)分析的要求，滿足運(yùn)行部門故障分析和系統(tǒng)分析的需要，并盡可能只記錄和輸出滿足實(shí)際需要的數(shù)據(jù)。為此，技術(shù)準(zhǔn)則確定了ABCDE分段模擬量采樣方式如圖2-1所示：A時(shí)段

23、：記錄系統(tǒng)大擾動(dòng)開始前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間004S。B時(shí)段：記錄系統(tǒng)大擾動(dòng)初期的狀態(tài)數(shù)據(jù)，直接輸出原始波形記錄，記錄時(shí)間01S。C時(shí)段：記錄系統(tǒng)大擾動(dòng)后的中期狀態(tài)數(shù)據(jù)，可直接輸出原始波形記錄或連續(xù)的工頻有效值，記錄時(shí)間1.0S。D時(shí)段：記錄系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)，每0.1S輸出一個(gè)工頻有效值，記錄時(shí)間20S。E時(shí)段：記錄長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，每1S輸出一個(gè)工頻有效值，記錄時(shí)間10min，直到故障或振蕩結(jié)束。在C、D、E段中若有突變量越限，應(yīng)從B段重新記錄。在這里技術(shù)準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)記錄有兩個(gè)主要特點(diǎn)：一是分段記錄，二是記錄的數(shù)據(jù)可以保留不同的輸出值。24錄波啟動(dòng)方式故障錄波裝置具有按反應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)的系統(tǒng)電

24、參量幅度及變化率而自啟動(dòng)和反應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程基本結(jié)束而自動(dòng)停止的功能；也可由外部命令而啟動(dòng)和停止。1、內(nèi)部自啟動(dòng)2、開關(guān)量變位啟動(dòng)：當(dāng)外部開關(guān)量觸點(diǎn)閉合(或斷開)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)暫態(tài)錄波。3、手動(dòng)啟動(dòng)：為了正常運(yùn)行時(shí)對(duì)各模擬量進(jìn)行監(jiān)控和分析可以對(duì)錄波裝置進(jìn)行手動(dòng)啟動(dòng)。25故障錄波裝置設(shè)計(jì)方案251控制系統(tǒng)器件的選擇隨著電子技術(shù)的發(fā)展，故障錄波裝置有多種實(shí)現(xiàn)方案，從微處理器數(shù)量上來(lái)說(shuō)可以分為單CPU系統(tǒng)和多CPU系統(tǒng)。故可選方案從這個(gè)角度來(lái)講有如下選擇。方案一、單CPU系統(tǒng)，該方案使用單個(gè)CPU處理器，數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量、通信系統(tǒng)、人機(jī)接口等均掛在同一塊CPU上，由同一塊CPU驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所

25、示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬件實(shí)現(xiàn)容易，但缺點(diǎn)是核心處理器負(fù)荷太重，由于故障錄波裝置的采樣速率高，在兩個(gè)采樣點(diǎn)間隔內(nèi)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理判斷。這樣不利于提高數(shù)據(jù)采集速度和處理速度。方案二、采用雙CPU系統(tǒng)，如圖2-3所示，主處理器CPU1負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)接口、通信功能、數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷，而次處理器專門用于數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換和提供時(shí)鐘信號(hào)。雖然此方案硬件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大。但它將各個(gè)功能拆分開來(lái)，交由兩個(gè)處理器共同承擔(dān)，大大降低了主處理器的任務(wù)負(fù)荷，有利于提高數(shù)據(jù)采集、處理的速度。綜上所述，為了提高數(shù)據(jù)采集處理的效率，我們選用了方案二雙CPU系統(tǒng)方案。從機(jī)主要用來(lái)采集模

26、擬量和開關(guān)量，主機(jī)用來(lái)處理數(shù)據(jù)和人機(jī)接口的操作處理。單片機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大靈活的接口與通信能力。因此主機(jī)采用單片機(jī)作為CPU。從機(jī)可以采用單片機(jī)或FPGA，如果采用單片機(jī)，那么兩個(gè)單片機(jī)之間需要進(jìn)行通信，可以采用串口或并口。串口速度慢，并口需要使用硬件電路例如雙口RAMIDT7132進(jìn)行通信。如果采用FPGA，可以使用其內(nèi)部RAM，這樣減少了硬件電路。FPGA是80年代中期在傳統(tǒng)的PAL、GAL基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的可編程邏輯器件，它結(jié)合了PLD的可編程性和MPGA的通用連線結(jié)構(gòu)，它和單片機(jī)相比具有如下特點(diǎn)：(1)FPGA內(nèi)部集成鎖相環(huán)，可以把外部時(shí)鐘倍頻，這樣核心頻率可以到幾百M(fèi)Hz，

27、而單片機(jī)運(yùn)行速度低，在高速場(chǎng)合，單片機(jī)無(wú)法代替FPGA。(2)單片機(jī)的IO口有限，而FPGA動(dòng)輒數(shù)百IO口，可以方便連接外設(shè)。比如一個(gè)系統(tǒng)有多路A/D、D/A，單片機(jī)要進(jìn)行仔細(xì)的資源分配，總線隔離，而FPGA由于豐富的IO資源，可以容易用不同IO連接外設(shè)。(3)單片機(jī)程序是串行執(zhí)行，執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條，在處理突發(fā)時(shí)間時(shí)只能調(diào)用有限的中斷資源；而FPGA不同邏輯可以并行執(zhí)行，可以同時(shí)處理不同任務(wù)，這就導(dǎo)致FPGA工作更有效率。(4)FPGA有大量軟核，可以方便二次開發(fā)。所以我們選用FPGA作為系統(tǒng)的協(xié)處理器，這樣雙CPU系統(tǒng)就由MCU+FPGA構(gòu)成，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。單片機(jī)具有強(qiáng)

28、大的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大靈活的接口與通信能力，而FPGA就設(shè)計(jì)靈活，速度快，不易受干擾，兩者相互彌補(bǔ)其弱點(diǎn)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。方案確定之后就要對(duì)CPU和各個(gè)模塊的芯片進(jìn)行選擇。常用的單片機(jī)有5l系列單片機(jī)、PIC單片機(jī)、AVR單片機(jī)。AVR單片機(jī)是哈佛結(jié)構(gòu)的，但其開發(fā)器不是全系列仿真的。PIC單片機(jī)也是哈佛結(jié)構(gòu)的，在線調(diào)試時(shí)需要經(jīng)常斷電重啟才能連接上。51系列單片機(jī)是應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)。如AT89C51它的機(jī)器指令周期為12個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)晶振頻率為12MHz時(shí)，機(jī)器周期為1s，適應(yīng)不了現(xiàn)代高速運(yùn)行的需要。華邦公司的W77和W78系列在時(shí)序方面做了改進(jìn)，每個(gè)機(jī)器周期從12個(gè)時(shí)鐘周期改為4個(gè)周期，

29、使速度提高了三倍，同時(shí)晶振頻率最高可達(dá)40MHz，但仍不能滿足高速運(yùn)行的需要。CygnalC805lF系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)，除了集成了標(biāo)準(zhǔn)805l的數(shù)字外設(shè)部件之外還集成了數(shù)字采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，并且它還有JTAG接口使得調(diào)試非常方便。其C8051F120單片機(jī)指令系統(tǒng)采用流水線結(jié)構(gòu)，每條指令只需一個(gè)機(jī)器周期就可完成。適合高速運(yùn)行的需要。因此在本系統(tǒng)中主機(jī)采用C8051F120單片機(jī)。Cyclone FPGA是目前ASIC應(yīng)用的低成本替代方案，綜合考慮了邏輯、存儲(chǔ)器、鎖相環(huán)和高級(jí)I/O接口，是價(jià)格敏感的最佳選擇。Cyclone FPGA具有新的

30、可編程體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)、嵌入式存儲(chǔ)器資源支持多種存儲(chǔ)器應(yīng)用和數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)、片內(nèi)和片外系統(tǒng)時(shí)序管理使用嵌入式PLL、支持單端I/O標(biāo)準(zhǔn)和差分I/O技術(shù)。在本系統(tǒng)中采用Alter公司的Cyclone EPlC6Q240C8，此芯片有240個(gè)引腳，其內(nèi)部有90K的存儲(chǔ)容量，6K LEBS，2個(gè)PLL，滿足設(shè)計(jì)的需要。252主要外圍電路器件的選擇CPU選定后需要設(shè)計(jì)其外設(shè)電路模塊，外部電路包括采樣A/D轉(zhuǎn)換電路、人機(jī)接口電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路。(一)A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇由于在本裝置中需要記錄電壓電流的實(shí)際波形，所以需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行交流采樣通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)化成MCU能識(shí)別的數(shù)字量

31、。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了故障錄波器記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。目前市場(chǎng)上常用的轉(zhuǎn)換芯片有雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器兩種。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度普遍不高(通常每秒轉(zhuǎn)換幾次到幾百次)，但是雙積分加轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換精度高，廉價(jià)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在速度要求不高的實(shí)際工程中使用廣泛。常用的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器有MCl4433、ICL7106、ICL7135、AD7555等芯片。逐次比較型轉(zhuǎn)換速度雖然不及并聯(lián)比較型，屬于中速ADC，但具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在精度上可以達(dá)到一般工業(yè)控制要求，故目前應(yīng)用比較廣泛。逐次逼近型集成ADC芯片種類也很多，例如ADC080l、ADC0809等都是

32、8位通用型ADC；AD571(10位)、AD574(12位)都是高速雙極型ADC；MN5280是高精度ADC。Maxim公司推出的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片MAXl97，具有轉(zhuǎn)化速度快，精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。(二)人機(jī)接口電路器件的選擇人機(jī)接口電路的主要作用是完成人與裝置的信息交互，主要由液晶LCD、鍵盤組成。其中液晶用來(lái)顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)、諧波分析數(shù)據(jù)等，鍵盤則配合液晶顯示完成整定值以及采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置等。l、鍵盤鍵盤分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣鍵盤。獨(dú)立式鍵盤是由或干個(gè)獨(dú)立按鍵組成的，每個(gè)按鍵均需要和主機(jī)的IO口相連，這種按鍵軟件程序簡(jiǎn)單，但占用IO口較多，所以不適用于鍵

33、盤應(yīng)用數(shù)量較多的系統(tǒng)。矩陣鍵盤的按鍵按N行M列，每個(gè)按鍵占據(jù)行列的一個(gè)交點(diǎn)，需要IO口的數(shù)目是N+M，容許的最大按鍵數(shù)目是N*M。顯然這種鍵盤可以減少與主機(jī)接口的連接線，簡(jiǎn)化電路。矩陣鍵盤按鍵盤的識(shí)鍵和譯碼方法的不同又分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種，非編碼鍵盤主要是用軟件方法來(lái)識(shí)鍵和譯碼，該方法對(duì)于主機(jī)來(lái)說(shuō)編程量大，增加了復(fù)雜度，無(wú)形中也增加了程序的不穩(wěn)定性。編碼鍵盤主要用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵的識(shí)別。該方法程序處理簡(jiǎn)潔，接口簡(jiǎn)單。因此選用編碼鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤電路，用一片ZLG7290來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，對(duì)鍵盤進(jìn)行硬件譯碼。使用ZLG7290模塊來(lái)完成按鍵判斷有著以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)節(jié)省I/O口，使用ZLG72

34、90只需3個(gè)I/O口即可以完成檢測(cè)多達(dá)64個(gè)按鍵輸入以及64個(gè)LED輸出。(2)節(jié)省CPU開銷，減輕主控制器負(fù)擔(dān)。使用ZLG7290不再需要不停地掃描按鍵，只需根據(jù)中斷來(lái)讀取鍵值，程序安排也更加方便。2、LCD顯示顯示電路由LCD顯示電路組成。當(dāng)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況時(shí)可以由LED顯示，方便簡(jiǎn)單，但是本課題中需要顯示多個(gè)測(cè)量電力參數(shù)所以選擇LCD液晶顯示電路, 實(shí)現(xiàn)菜單功能(顯示電力參數(shù)、通過(guò)按鍵對(duì)整定值進(jìn)行設(shè)置、醒目直觀的指示系統(tǒng)工作狀態(tài))。HSl2864點(diǎn)陣型液晶顯示模塊采用8/6位PPI接口與MCU連接，進(jìn)行LCD設(shè)計(jì)主要是LCD模塊的控制單元與外界的接口設(shè)計(jì)。外界通過(guò)接口控制單元通信，管理

35、內(nèi)外顯示RAM，控制驅(qū)動(dòng)器，分配顯示數(shù)據(jù)，然后由LCD的驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)控制單元的要求驅(qū)動(dòng)LCD進(jìn)行顯示。圖2-5為L(zhǎng)CD結(jié)構(gòu)示意圖。(三)時(shí)鐘電路芯片的選擇系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候需要記錄故障時(shí)間，所以在系統(tǒng)中需要有時(shí)鐘源電路。常用的時(shí)鐘芯片有MSM5832、DSl216、DSl2C887等，其中DSl2C887、MSM5832只能提供到秒，精度不夠，DSl216能提供到1/100秒，但其接口電路復(fù)雜，數(shù)據(jù)存取速度慢。而美國(guó)INTERSIL公司生產(chǎn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片ICM7170是一種與微處理器總線兼容的外圍硅芯片，其外接晶振采用溫度補(bǔ)償措施后精度可達(dá)001秒/日。因此本系統(tǒng)中采用ICM7170作為實(shí)時(shí)時(shí)

36、鐘芯片。(四)存儲(chǔ)芯片的選擇故障錄波裝置需要存儲(chǔ)故障數(shù)據(jù)、整定值、運(yùn)行參數(shù)等。但C8051F120內(nèi)部?jī)H有6K的SRAM，不足以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，因而需要外擴(kuò)存儲(chǔ)空間。1、故障錄波裝置需要根據(jù)整定值進(jìn)行故障判斷，所以整定值在斷電后不能消失,而且整定值占用的存儲(chǔ)空間不大，所以選用AT24C01 EEPROM存儲(chǔ)芯片。該芯片與CPU連接電路簡(jiǎn)單且具有掉電保護(hù)的特性。2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間還需要保存采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，處理的數(shù)據(jù)和運(yùn)算過(guò)程中的許多中間變量，所以需要擴(kuò)展SRAM，選用62256芯片，該芯片是一種高集成度的RAM。3、在系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候需要將故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，并且能夠存儲(chǔ)多次故障數(shù)據(jù)。在掉電后數(shù)據(jù)不

37、能消失，單片機(jī)所支持的不易失存儲(chǔ)器有鐵電、小容量的Flash存儲(chǔ)芯片等。它們由于受到尋址空間的限制，不能滿足海量存儲(chǔ)的要求。而MCU+USB的存儲(chǔ)方案就可以解決這一問(wèn)題。所以最后得到其結(jié)構(gòu)原理圖，如圖2-6所示。FPGA主要完成對(duì)電網(wǎng)電壓電流信號(hào)的采集，三相電壓、電流經(jīng)過(guò)CT、PT后轉(zhuǎn)換成5V的電壓信號(hào)作為MAXl97的輸入信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器形成周期頻率測(cè)量信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換控制模塊定時(shí)不停地采集數(shù)據(jù)并將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)存到雙口RAM上。單片機(jī)通過(guò)雙口洲讀取采樣值，完成參數(shù)的計(jì)算和FFT運(yùn)算并進(jìn)行各種判斷，并將需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM中，如果判斷讀出的數(shù)據(jù)值越限，滿足啟動(dòng)條件則自動(dòng)啟動(dòng)錄

38、波，并置錄波啟動(dòng)標(biāo)志，然后跳到錄波中斷去執(zhí)行程序，按時(shí)段記錄故障波形，通過(guò)USB接口存儲(chǔ)到U盤上。如果不滿足啟動(dòng)條件就在正常的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)循環(huán)存儲(chǔ)，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。人機(jī)接口部分用于查看諧波分析，顯示故障和正常數(shù)據(jù)以及參數(shù)的整定。26本章小結(jié)本章介紹了故障錄波裝置的基本要求和主要技術(shù)指標(biāo)，然后基于此提出了故障錄波裝置的總體方案，F(xiàn)PGA作為從處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，C805lFl20作為主處理器完成數(shù)據(jù)的處理、判斷、存儲(chǔ)和人機(jī)交互。為了解決以往故障錄波裝置容量小的缺點(diǎn)提出了基于USB接口的大容量存儲(chǔ)方案。3 故障錄波裝置硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采集模塊采集電壓電流信號(hào)，按適當(dāng)?shù)谋壤{(diào)節(jié)其大小

39、使之成為裝置能處理的幅值范圍，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為FPGA能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)FPGA采集的信號(hào)進(jìn)行故障判斷，若發(fā)生故障則保存故障信息，由執(zhí)行裝置進(jìn)行故障報(bào)警和顯示。系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)部分包括信號(hào)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CPU模塊、存儲(chǔ)模塊、人機(jī)對(duì)話模塊等。31FPGA數(shù)據(jù)采集單元的硬件設(shè)計(jì)311FPGA器件FPGA是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。（1）Cyclone EPlC6Q240C8的架構(gòu)（2）EPlC6Q240的配置電路312

40、模擬量采集電路故障錄波器的模擬量采樣為交流直接采樣，模擬量由電壓互感器和電流互感器的二次側(cè)直接輸入，經(jīng)隔離、電壓變換后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。在正常情況下，對(duì)電壓電流只進(jìn)行采集，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，如采集到突變量，過(guò)電流、過(guò)電壓信號(hào)時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)故障錄波。（1）信號(hào)調(diào)理電路（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D313實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC模塊由于記錄的數(shù)據(jù)需要帶有時(shí)標(biāo)，所以本系統(tǒng)中采用了高精度時(shí)鐘IMC7170芯片。314開關(guān)量輸入電路本裝置除了輸入模擬量信號(hào)外，還要處理輸入的開關(guān)量信號(hào)。開關(guān)量主要包括：斷路器狀態(tài)的閉合和斷開，繼電器的吸合和釋放。本裝置設(shè)有16路開關(guān)量，對(duì)這些開關(guān)量進(jìn)行監(jiān)視和控制。315頻率測(cè)量電路電力系統(tǒng)頻率并非一

41、直恒定，在運(yùn)行過(guò)程中，基頻可能發(fā)生變化，偏離50Hz。故障時(shí)偏離很大，這樣采樣頻率相對(duì)于基頻而言，不再是整數(shù)倍關(guān)系，這樣會(huì)給算法帶來(lái)誤差。為此設(shè)計(jì)測(cè)頻電路，采用LM339組成一個(gè)過(guò)零比較器，把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)。3.2人機(jī)接口及管理單元的硬件設(shè)計(jì)3.2.1 C8051F120器件C8051F120是 Silabs Laboratories 公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，原理框圖如圖3-12所示。該芯片具有高速（100MIPS）流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容CIP51內(nèi)核，包含64個(gè)數(shù)字I/O引腳(100腳TQFP封裝)，可在工業(yè)溫度范圍(-45到+85)工作。322存儲(chǔ)空間擴(kuò)

42、展電路存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)信息的部件。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要由臨時(shí)數(shù)據(jù)、故障前采樣數(shù)據(jù)、故障后采樣數(shù)據(jù)和整定值等幾部分組成。臨時(shí)數(shù)據(jù)用來(lái)存放各種標(biāo)志字和中間變量。故障前的采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在擴(kuò)展的SRAM中。（1）SRAM擴(kuò)展（2）E2PROM電路（3）USB存儲(chǔ)設(shè)備的擴(kuò)展323人機(jī)接口電路作為故障錄波裝置，鍵盤和LCD是進(jìn)行人機(jī)交互不可缺少的設(shè)備。（1）液晶顯示電路（2）鍵盤電路3.3硬件抗干擾措施一個(gè)裝置除了在硬件設(shè)計(jì)部分滿足設(shè)計(jì)、技術(shù)指標(biāo)外，更重要的是滿足現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境。在現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾較為嚴(yán)重，所以在硬件設(shè)計(jì)方面需要采取抗干擾措施。(1)電源抗干擾(2)接地技術(shù)(3)隔離技術(shù)34本章小結(jié)本章具體介紹了故障錄波裝

43、置的硬件電路圖設(shè)計(jì)。詳細(xì)地介紹了處理器和外圍器件的結(jié)構(gòu)和原理。以FPGA作為從處理器，以MAX197作為A/D采樣轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行高速采集，C8051F120作為主處理器，其一條指令周期僅為20ns，能滿足程序?qū)崟r(shí)計(jì)算的要求，擴(kuò)展的S洲和USB存儲(chǔ)接口極大的擴(kuò)展了單片機(jī)的存儲(chǔ)空間，滿足故障錄波的要求。4故障錄波裝置的軟件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，第一個(gè)部分是FPGA部分，主要完成采集控制；第二個(gè)部分是C805 lFl20部分，主要完成：(1)數(shù)據(jù)處理：從FPGA取出數(shù)據(jù)，將采集的結(jié)果進(jìn)行故障判斷，如果有故障就啟動(dòng)錄波；按要求對(duì)采集到的電壓電流進(jìn)行FFT運(yùn)算，此外還要計(jì)算出各相電壓有效

44、值、相有功功率、相無(wú)功功率、總功率、功率因數(shù)、諧波，這些都可以顯示在液晶顯示屏上。(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：每當(dāng)檢測(cè)到故障的時(shí)候就進(jìn)行故障錄波，通過(guò)USB接口存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)設(shè)備中。41FPGA數(shù)據(jù)采集單元的軟件設(shè)計(jì)411FPGA軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言VHDL簡(jiǎn)介VHDL是美國(guó)國(guó)防部開發(fā)的硬件描述語(yǔ)言，VHDL語(yǔ)言與其它硬件描述語(yǔ)言相比具有以下特點(diǎn)晗別：(1)功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)方式多樣。VHDL具有功能強(qiáng)大的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，用簡(jiǎn)潔明確的源代碼就可以描述十分復(fù)雜的硬件電路。而且VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)靈活多樣，支持多種設(shè)計(jì)方式，例如自頂向下、自底向上，還支持模塊化或?qū)哟位O(shè)計(jì)方法。(2)支持廣泛、易于修改。由于VHDL已經(jīng)成為IEE

45、E標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的硬件描述語(yǔ)言，目前大多EDA工具幾乎都支持VHDL。(3)強(qiáng)大的系統(tǒng)硬件描述語(yǔ)言。VHDL具有多層次的設(shè)計(jì)描述功能，既可以描述系統(tǒng)級(jí)電路又可以描述門級(jí)電路。而描述既可以采用行為描述、寄存器描述或結(jié)構(gòu)描述，也可以采用三者混合的混合級(jí)描述。(4)易于共享和復(fù)用。VHDL采用基于庫(kù)的設(shè)計(jì)方法，如果已經(jīng)設(shè)計(jì)了一些成熟的模塊可以將這些模塊存放到庫(kù)中，就可以在以后的設(shè)計(jì)中復(fù)用這些模塊，這樣就可以使設(shè)計(jì)成果在設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行交流和共享，減少硬件電路設(shè)計(jì)。412數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換芯片使用MAXl97，其主要控制信號(hào)包括片選信號(hào)，高四位和低8位轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。MAXl

46、97的轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖4-1所示：其轉(zhuǎn)換過(guò)程為：每來(lái)一個(gè)采樣脈沖，MAXl97采集6路電壓電流信號(hào)。為了保證A/D采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選擇在內(nèi)部時(shí)鐘下工作。/CS為片選端，低電平有效。側(cè)R在內(nèi)部采集方式，當(dāng)/CS為低電平時(shí)，腳R的上升沿鎖存所接收數(shù)據(jù)并啟動(dòng)采集與變換周期。若/CS為低電平，/RD的下降沿將允許數(shù)據(jù)總線上的讀操作。HBEN：用于轉(zhuǎn)換12位變換結(jié)果，當(dāng)它為高電平時(shí)，4MSB(最高有效位)接至數(shù)據(jù)總線；當(dāng)它為低電平時(shí)，總線上8LSB(最低有效位)可用。/INT為轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位，變換完成時(shí)，/INT變?yōu)榈碗娖剑敵鰯?shù)據(jù)準(zhǔn)備好。采用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換控制。A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程分為7個(gè)狀態(tài)，WR_

47、O：A/D轉(zhuǎn)換初始化；WR_1：寫入控制字：WaitINT：判斷轉(zhuǎn)換是否完成，若完成則進(jìn)入狀態(tài)RD_L0，否則繼續(xù)等待：RD_LO：RD為低開始準(zhǔn)備讀數(shù)據(jù)：RD_L1：讀取低8位數(shù)據(jù)；RD_HO：準(zhǔn)備讀取高4位數(shù)據(jù)；RD_H1：讀取高4位數(shù)據(jù)。其A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖4-2所示。413實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊在故障錄波裝置中需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)加時(shí)標(biāo)，從而在發(fā)生故障的時(shí)候可以得知故障發(fā)生的時(shí)間。每采集半周波數(shù)據(jù)就讀取時(shí)鐘時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)加時(shí)標(biāo)。為了使時(shí)鐘電路能夠正常工作，必須對(duì)時(shí)鐘芯片進(jìn)行設(shè)置，其中包括時(shí)鐘命令寄存器、中斷屏蔽寄存器的設(shè)置。IMC7170命令寄存器的格式如表4-1所示。表4-1命令寄存器格式命令寄存器

48、地址（10011B，1H）只寫D7D6D5D4D3D2D1D0未用未用模式選擇中斷允許運(yùn)行/停止時(shí)制選擇晶體頻率晶體頻率ICM7170產(chǎn)生兩種類型的中斷：周期性中斷和實(shí)時(shí)中斷。周期性中斷由內(nèi)部中斷寄存器編程后可提供6種不同的輸出脈沖信號(hào)：實(shí)時(shí)中斷則是通過(guò)寫片內(nèi)實(shí)時(shí)時(shí)鐘比較洲后由一個(gè)比較器產(chǎn)生中斷輸出。故障錄波裝置對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片進(jìn)行讀取的流程圖如4-3所示，設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間流程圖如圖4-4所示。414雙口RAM在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA作為從機(jī)主要完成電壓電流信號(hào)的采集、濾波處理以及與C8051F120的通信，而C805lFl20作為主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理、人機(jī)接口等功能。因此，兩CPU之間有大量的數(shù)據(jù)

49、需要交換，而雙CPU之間進(jìn)行交互有串口、并口和DMA方式，本裝置通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)了并口數(shù)據(jù)高速傳輸和共享。FPGA選用的是Altera的EPlC6Q240C8，F(xiàn)PGA內(nèi)置雙口RAM通過(guò)調(diào)用QuanusII中的宏單元模塊就可以實(shí)現(xiàn)，點(diǎn)擊工具欄TOOLS的下MegaWizardPlug_In Manager菜單，按所需雙口RAM的要求逐步生成其雙口RAM的VHDL程序，然后選擇create symbol file生成其模塊圖，如圖4-5所示。MAXl97將采集到的帶有時(shí)標(biāo)的數(shù)據(jù)傳送給雙口RAM。在本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)輸入和讀取速度不同，所以需要具有緩存功能的模塊。因此采用雙口RAM來(lái)完成這一功能。將采

50、集到的數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)存入雙口RAM中，其數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)包括RAM的地址、模擬量數(shù)據(jù)、開關(guān)量數(shù)據(jù)、時(shí)間標(biāo)簽。其數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如表4-2所示。表4-2數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)地址模擬量開關(guān)量時(shí)間標(biāo)簽1個(gè)字6個(gè)字1個(gè)字2個(gè)字42管理模塊軟件設(shè)計(jì)C8051F120采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，分為數(shù)據(jù)處理、讀取A/D采樣值、中斷處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。各個(gè)模塊通過(guò)共同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。C805lFl20定時(shí)從FPGA中讀取采集的數(shù)字量，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判斷，如果有故障就啟動(dòng)錄波；另外還可以按要求對(duì)采集到的電壓電流進(jìn)行FFT運(yùn)算，此外還要計(jì)算出各相電壓有效值、相有功功率、相無(wú)功功率、總功率、功率因數(shù)、諧

51、波分析，這些數(shù)據(jù)都顯示在液晶顯示屏上。每當(dāng)檢測(cè)到故障的時(shí)候就在定時(shí)中斷處理程序中進(jìn)行故障錄波，通過(guò)USB接口存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)設(shè)備中。其單片機(jī)處理流程圖如圖4-6所示。421人機(jī)接口程序設(shè)計(jì)(一)鍵盤輸入ZLG7290將鍵盤掃描的結(jié)果放在寄存器Key中，當(dāng)ZLG7290掃描到有按鍵觸發(fā)時(shí)就會(huì)將掃描得到的鍵值存入寄存器Key中，同時(shí)置INT為低，C8051F120在程序中不停地對(duì)INT引腳進(jìn)行掃描，如果檢測(cè)到低電平就通過(guò)，2C總線讀取寄存器Key中值。如果有按鍵按下，再根據(jù)鍵值進(jìn)入相應(yīng)的處理程序(查看實(shí)數(shù)據(jù)、諧波分析、參數(shù)設(shè)置等)。其流程圖如圖4-7所示。(二)LCD顯示在故障錄波裝置中LCD上顯

52、示的主要是漢字、字符，LCD根據(jù)鍵值進(jìn)入各個(gè)子菜單，根據(jù)鍵面分布進(jìn)入相應(yīng)的顯示程序。圖4-8為L(zhǎng)CD底層軟件流程圖。422數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的軟件設(shè)計(jì)(一)設(shè)置參數(shù)的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)在裝置中需要通過(guò)鍵盤對(duì)其整定值、每周波采樣點(diǎn)數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，而這些數(shù)據(jù)需要保存到EEPROM中以防掉電丟失。本裝置中選用的EEPROM芯片AT24C0l通過(guò)，2C總線與C8051F120相連，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)如圖49所示。當(dāng)重啟或斷電等情況下需要讀取設(shè)置的整定值和采樣點(diǎn)數(shù)等，這時(shí)需要對(duì)AT24COl進(jìn)行讀取操作，其流程圖如圖4-10所示。 圖4-9 AT24C01 寫操作流程圖 圖4-10 AT24C10讀操作流程圖(二)故障數(shù)據(jù)的存

53、儲(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的采樣存儲(chǔ)分為故障數(shù)據(jù)和正常數(shù)據(jù)的采樣存儲(chǔ)。在沒(méi)有故障的時(shí)候，采樣數(shù)據(jù)存入一個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)，為了正常數(shù)據(jù)讀取方便，設(shè)置了一個(gè)雙存儲(chǔ)區(qū)大小為12KB，這樣做是為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：(1)完整保存故障前數(shù)據(jù)。(2)以第一區(qū)為基準(zhǔn)地址進(jìn)行計(jì)算時(shí)可以保證數(shù)據(jù)存取不會(huì)越界，提高程序的執(zhí)行效率。當(dāng)發(fā)生故障的時(shí)候，故障標(biāo)志位置為1，數(shù)據(jù)將通過(guò)USB接口存入到存儲(chǔ)設(shè)備中。故障錄波器會(huì)將記錄的故障信息形成故障文件。IEEE電力工程學(xué)會(huì)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)委員會(huì)就故障文件的數(shù)據(jù)記錄格式做了相應(yīng)的規(guī)定，即COMTRADE故障錄波標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)存儲(chǔ)暫態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)的通用格式。它對(duì)描述電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程十分有價(jià)

54、值。有了通用的記錄格式，用計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)中有用信息就方便得多。作為故障錄波器信息標(biāo)準(zhǔn)的COMTRADE有1991和1999兩種版本，在實(shí)際的應(yīng)用中故障錄波器有采用1991版的也有采用1999版的。本文就1991版的做一介紹。該版規(guī)定一個(gè)完整的數(shù)據(jù)記錄通常由三個(gè)文件構(gòu)成，即頭文件(HDR)、配置文件(.CFG)和數(shù)據(jù)文件(.DAT)。(1)頭文件：頭文件是由COMTRADE數(shù)據(jù)的原創(chuàng)者建立的一種可選的ASCII文本文件，頭文件的創(chuàng)建者可以以任何的順序創(chuàng)建任何信息。(2)配置文件：為計(jì)算機(jī)讀出和表達(dá)數(shù)據(jù)文件的數(shù)值提供必要的信息。它的文件格式固定不變。配置文件中包含的信息有：通道號(hào)、數(shù)據(jù)單位、采樣頻

55、率、記錄觸發(fā)點(diǎn)的日期和時(shí)間。(3)數(shù)據(jù)文件：其中存放的是暫態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)際數(shù)據(jù)。系統(tǒng)發(fā)生故障后，錄波器將寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的采樣值通過(guò)USB接口CH375以文件的形式存儲(chǔ)到U盤中。其讀寫U盤文件的示意圖如圖4-1l所示。由于CH375內(nèi)部不僅是一個(gè)通用的USBHOST硬件接口芯片，還內(nèi)置了相關(guān)的固件程序。所以單片機(jī)程序只需要處理FAT文件系統(tǒng)層。1、USB底層數(shù)據(jù)包的發(fā)送CH375占用兩個(gè)地址位，當(dāng)A0為高電平選擇命令端口，寫入命令：當(dāng)AO為低電平選擇數(shù)據(jù)端口，寫入讀寫數(shù)據(jù)(發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、發(fā)送數(shù)據(jù)的地址指針)。這部分程序包括向CH375寫數(shù)據(jù)、從CH375讀數(shù)據(jù)、向CH375寫命令。向CH375中寫

56、數(shù)據(jù)是這樣實(shí)現(xiàn)的。void WriteCH375Data(UINT8 mData)USB_CS=0;P70UT=mData： /向CH375的并口輸出數(shù)據(jù)USB_A0=0;USB_WR=0; /輸出有效寫控制信號(hào)，寫CH375芯片的數(shù)據(jù)端口，NOP()； /該操作無(wú)意義僅作延時(shí)，CH375要求讀寫脈沖寬度為100nSUSB_WR=;： /輸出無(wú)效的控制信號(hào)，完成操作CH375芯片，USB_CS=1;2、上層文件操作(1)打開文件CH375FileOpen打開文件或目錄，輸入?yún)?shù)在mCmdParam.0penmPathName中提供文件名，包括完整的路徑名。打開成功后，可以通過(guò)命令CMD_QueryStatus查詢當(dāng)前文件的長(zhǎng)度，如果文件長(zhǎng)度為0FFFFFFFFH，那么說(shuō)明打開的是子目錄，否則說(shuō)明打