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第８卷第１９期２００８年ｌ０月 科学技术与工程 Ｖ０１．８ Ｎｏ．１９ Ｏｃｔ．２０ｏ８ １６７１—１８１９（２００８）１９—５４０３—０５ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ⑥２００８ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ． 计算机技术 基于ＤＳＰ的实验装置的实时监控系统设计 顾玉军 （东南大学电工电子实验中心，南京２１１１８９） 摘要结合开发模拟实验装置的实际需要，设计了一套基于微处理器的实验装置的监控系统：它利用ＤＳＰ、Ａ／Ｄ转换器和 相关外围接口电路实现模拟实验装置的控制与保护的功能；利用ＡＲＭ微处理器实现主要的控制通信功能和对采集数据的实 时监视显示，文中给出了详细的实现方法。 关键词ＤＳＰ 监控系统 实验装置 中图法分类号ＴＰ１３； 文献标志码Ａ 随着电力系统的不断发展，运行方式的复杂多 入式实时监控系统。 变，新的大容量机组和自动调节的控制装置的投 入，各种控制系统和机械．电气系统间的相互作用， １系统硬件结构概述 以及对电力系统供电安全性的要求１３益提高，本文 提出了采用ＴＩ公司ＴＭＳ３２０Ｃ２０００系列ＤＳＰ和Ｉｎｔｅｌ 模拟实验装置监控系统硬件的设计包括ＤＳＰ Ｓｔｒｏｎｇ ＡＲＭ为主体的硬件系统架构，设计出一种基 控制和保护子系统和ＡＲＭ实时监视子系统两个部 于ＤＳＰ＋ＡＲＭ的统一潮流控制器模拟实验装置嵌 分，相关原理图见图１。 录波单元 控制与保护单元 图１模拟实验装置监控系统硬件结构图 ２０ｏ８年６月１０日收到 作者简介：顾玉军（１９７５一），男，汉族，江苏省如皋市人，东南大学 电工电子实验中心助理工程师，研究方向：实验室管理与教学。 维普资讯 http://www.cqvip.com 科学技术与工程 ８卷 ２ ＤＳＰ控制和保护子系统主要功能和电路 设计 ＤＳＰ控制和保护子系统的主要功能为： １）实现数据的实时运算和保护策略； ２）实现与ＡＲＭ板块的数据交互和中断接口； ３）实现数据录波功能。 由于需要检测处理的数据量极大，相应的计算 工作量繁重，为了保证控制算法对运算能力的要求 以及满足系统控制和保护速度的需要，模拟实验装 置的控制与保护子系统的硬件系统采用了基于ＤＳＰ 的多ＣＰＵ设计方案。模拟实验装置的控制与保护 子系统的硬件平台由两部分组成：录波单元和控制 保护单元：这两个部分和ＡＲＭ监视子系统通过 ＲＳ４２２组成一个网络系统，控制保护单元的输出信 号通过ＲＳ４８５送到底层控制器。 录波单元和控制单元的硬件系统分别由一台 工控机以及基于ＩＳＡ总线扩展功能板模块构成， 为了提高系统的可靠性、实时性及开放性，录波单 元和控制保护单元采用了基于ＤＳＰ的多ＣＰＵ的设 计方案，即每块扩展板都是一个包含了ＣＰＵ （ＤＳＰ）的功能单元，执行单一的任务。扩展板按 照功能可分为：录波模块、同步信号发生模块、开 关量输入输出模块、多通道数据采集模块、通讯模 块、控制保护模块和总线驱动控制模块等。为实 现本地高速数据交换，各功能单元均由双口ＲＡＭ 交换接口进行数据交换，通过ＩＳＡ总线将各功能 模块连接成一个整体。下面介绍几种主要功能模 块的实现方法。 ２．１ 总线驱动控制模块的设计 对于多ＣＰＵ系统，为了避免各个ＣＰＵ功能模 块交换数据时产生混乱，不能使每个功能模块都具 用总线驱动能力，因此除了同步信号发生模块，还 需要一个单独的总线驱动控制模块，在整个控制单 元中只有它具有总线驱动能力。总线驱动控制模 块是整个控制单元实现数据交换的枢纽，起着关键 性的作用。其硬件结构如图２所示，ＣＰＵ采用的也 是ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２４０。 ＮｈⅡ ＡＯ．Ａ１５ ７４ＨＣ２４５ ＤＯ．Ｄｌ５ ＤＩＲ 微处理器１０ ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ ：——！—！！ —————竺ｌ————Ｊ………Ｔ 装置轮询选 信号 图２总线驱动控制模块硬件结构图 同步信号发生装置的５０Ｈｚ同步信号通过ＩＳＡ 接到Ｆ２４０的非可屏蔽中断（ＮＭＩ）上，一旦产生中 断，就开始对各个其它的各个功能模块的双口ＲＡＭ 进行轮询，并将各双口ＲＡＭ的数据搬到自己的数 据ＲＡＭ内，重新组合后分配给各个功能模块。数 据交换时，总线驱动控制模块和其他功能模块的数 据流向总是相反的。 ２．２同步信号发生模块的设计 因为采用的是多ＣＰＵ模式，所以各个功能模块 之间的同步协调显得尤为重要，而同步信号发生模 块产生的同步脉冲就可以使得各个模块工作都达 到时间上的同步，避免数据混乱及误差。同步信号 发生模块的ＣＰＵ采用ＴＩ的１６位定点ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２４０。电压互感器（ＰＴ）送出的发电机三相 机端电压Ｕ 、Ｕ Ｕ 经正序滤波器滤成机端正序电 压ｕ＋，经电压比较器整形成ｕ＋方波信号输入 ＴＭＳ３２０Ｆ２４Ｏ的外部中断引脚（ＸＩＮＴ）。 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０通过其内部的定时器，计算得到精确 的系统频率值，写入双口ＲＡＭ中并置相应的新数 据标志，等待总线驱动控制模块通过ＩＳＡ总线来读 走双口ＲＡＭ中的新数据；同时通过ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的 Ｉ／Ｏ口输出５Ｏ Ｈｚ的同步脉冲信号。为了提高晶体 频率的测量精度，使用了延长测量时间，增加测量 次数，并采用算术平均值的方法，可以得到准确的 电网频率，同时输出稳定的５０ Ｈｚ的同步脉冲信号 作为工作节拍。通过实际试验中验证可知：该同步 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ９期 顾玉军：基于ＤＳＰ的实验装置的实时监控系统设计 信号发生装置可以在缺相下很好的运行，并且在Ｐｒ 相同，ＣＰＵ采用ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２０６，其硬件结构如图 ４所示。 原方输入电压低至ｌ０ Ｖ的情况下也能很好运行。 工作节拍设计为２０ ｍｓ，即电网的稳定工作频率，既 可以满足控制单元各个功能模块工作要求一保证所 有模块在一个工作节拍内完成所有的任务，也方便 ｌ模拟量调ｌＩ理电路 Ｉ 了测量电力系统的频率。 双口ＲＡＭ的一端与处理器相连，另一端与ＩＳＡ 总线相连，其片选信号ＣＥ 由ＩＳＡ总线经逻辑电路 控制，以确保当轮询到某个状态量时，只有相应的 模块向总线输出数据。其它功能模块的双口ＲＡＭ 的工作原理都与此相似。 ２．３ 多通道数据采集模块与控制保护模块的设计 多通道数据采集模块的硬件结构如图３所示。 其ＣＰＵ也是ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２４０，数据采集所需的ＡＤ 为Ｆ２４０自带的两路１Ｏ位Ａ／Ｄ转换器，定时中断采 样频率为８００ Ｈｚ，转换时间为５．５ ｓ。当同步信号 发生模块的５０ Ｈｚ脉冲信号到来时，进入外部中断， 进行电压、电流的幅值计算以及有功无功的计算， 计算完成后将计算所得的数据存储到双口ＲＡＭ 中，并置新数据的标志位，等待总线驱动控制器将 数据搬走。 图３多通道数据采集模块硬件结构图 包括串联和并联两个变换器，因此设计了两个 控制保护模块分别对两个变流器进行控制。控制 保护模块的ＣＰＵ采用ＤＳＰ ＴＭＳ３２０Ｆ２０６，其指令周 期为５０ｎｓ，带４ｋＢｙｔｅ的静态ＲＡＭ，完全可以满足控 制保护算法的要求。 ２．４录波模块的设计 录波单元的各个录波模块相对，功能基本 ’ ｌｕ’ ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ 睬样芯片 存储器 Ｍａｘ１２５ Ａ０一Ａｌ６ ＤＯ．ＤＩ５ Ａ０．．Ａ１４ ＴＸ 微处理器ＯＤ．Ｄ１５ ＲＸ ＴＭ￥３２０Ｆ２０６ 十 Ｉ电平转Ｉｆ换芯片Ｉ ２ 机 图４录波模块硬件结构图 录波模块采用的Ａ／Ｄ转换芯片是１４位双极性 的ＭＡＸ １２５芯片，因为录波装置一般在故障情况下 启动，为了便于分析故障信息中的高次谐波分量 等，采样频率选为１．２ ｋＨｚ，录波时间选择２０ Ｓ，这样 录波的存储数据就很大，因此采用２５６ ＭＢ大容量 的Ｃｏｍｐａｃｔ Ｆｌａｓｈ片作为数据存储载体。 ３ ＡＲＭ监视子系统设计 在整个系统的设计中，ＡＲＭ监视子系统主要实 现以下几个方面的功能： （１）实现支持Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ平台的硬件架构； （２）实现网络和串口的硬件驱动，用于数据的 交互； （３）实现采集数据的实时显示和状态检测； （４）实现对下位机的监视功能； （５）实现与外部控制器的接口。 ＡＲＭ监视子系统实际上实现的是建立在操作 维普资讯 http://www.cqvip.com 科学技术与工程 ８卷 系统上的一个人机交互界面，它本身不参与数据处 ３．１存储器的设计 理和相关的算法实现，而只是配合ＤＳＰ将数据处理 的结果显示出来和整理显示故障录波数据，以及完 成人机交互，并在恰当的时机触发外部控制器实现 一这里讲述的主要针对Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ电路部分的设 计，Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ具有掉电不丢失数据，存储密度高等 优点，在嵌入式系统和移动设备中得到了广泛应 用。设计中选用两片Ｉｎｔｅｌ Ｅ２８Ｆ１２８来提供３２位的 数据总线。Ｉｎｔｅｌ Ｅ２８Ｆ１２８是８Ｍ／１６Ｂｉｔ的Ｓｔｒａｔａ 定的对外控制功能。它可以通过串口，ＵＳＢ或者 网络等接口将重要数据接收和传输出去。图５为其 实现的基本框架。 Ｆｌ●ａ ｓｈ ｌ Ｆｌ●ａ ｓｈ ｌ －４审口ｌ ● 总线驱动 Ｉ — 串口２ ｉ Ｉ ‘ ＳＡ—ｌＩ１０ —一ｕｃＢ３ｏ０触摸屏 ＵＳＥ ＣＳＡ ＣＯＬＤ ８９００ －４功能键Ｉ ｊ １妾 口扩展 ｌ 电源时钟电路Ｉ 图５ ＳＡ一１１１０硬件系统结构图 Ｓｔｒｏｎｇ ＡＲＭ ＳＡ １１１０是基于ＡＲＭ Ｖ 内核但又 包含了Ｉｎｔｅｌ的设计和处理技术的３２位ＲＩＳＣ微处 理器，主要包括四个功能模块：处理器内核模块；存 储器和ＰＣＭＣＩＡ控制ＭＰＣＭ模块；外围设备控制 ＰＣＭ模块和系统控制ＳＣＭ模块。 一般嵌入式设备的硬件架构都是以嵌入式微 处理器为核心，通遗处理器接口扩展以及平台硬件 的支持，把众多的外设单元集成进整个系统中，并 通过ＣＰＬＤ等逻辑转换器件和其它硬件电路完成对 外设模块进行读写和控制操作的支持。在设计Ｉｎ— ｔｅｌＳＡ—ｌ １ １０处理器电路的时候一般也要遵循这个 原则。Ｉｎｔｅｌ ｓＡ—ｌ１１０处理器电路中的系统模块都 是通过地址和内存映射的方式组织起来的。所有 的内部寄存器和外部设备都在系统的地址映像中 占有一定的空间，对内部和外部寄存器以及硬件设 备的访问都是通过对相应地址的读写操作来完成 的。在设计过程中，为满足系统的高性能和扩展性 强的要求，采用ＣＰＬＤ来实现对系统外设的连接和 控制。下面给出典型外设——存储器和串口的设 计方法。 Ｆｌａｓｈ芯片，内部以Ｂｌｏｃｋ（块）形式存放数据。软件 对Ｆｌａｓｈ的擦除和重新编程的操作都是以Ｂｌｏｃｋ为 基本单位完成的。Ｉｎｔｅｌ Ｅ２８Ｆ１２８一共有１２８个 Ｂｌｏｃｋ，每个Ｂｌｃｏｋ为１２８Ｋｂｙｔｅ，在系统中Ｆｌａｓｈ的地 址空间为Ｏｘ００００，００００一Ｏｘ００００，７ＦＦＦ，这是系统通 过ｃＳ０分配给Ｆｌａｓｈ的。Ｆｌａｓｈ用来存放系统启动 代码和应用程序的代码。相关原理图见图６。 图６ ＳＡ－１１１０与Ｆｌａｓｈ连接图 两片Ｆｌａｓｈ与ｓＡ一１１１０的接口除数据线外完 全一样：数据总线的高ｌ６位和低１６位分别与两片 ｌＦａｓｈ相连。Ｆｌａｓｈ的地址线是直接与ＳＡ一１１１０相 连的。ｓＡ—ｌ１１０提供的数据总线是３２位宽度，每４ 个字节作为一个存储单元被访问，所以未使用ｓＡ一 １１１０的ＡＯ和Ａ１地址线。而Ｅ２８Ｆ１２８ Ｆｌａｓｈ是１６ 位宽，在Ｆｌａｓｈ内部每２个字节作为一个存储单元 被访问，所以Ｆｌａｓｈ地址线Ａ０始终被接地。由于设 计中使用了总共大小为３２Ｍｂｙｔｅ的Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ，所 以要以３２位数据方式访问所有的Ｆｌａｓｈ存储空间 需要２３根地址线，因此Ｆｌａｓｈ的地址线Ａ１～Ａ２３与 ＳＡ一１１１０的Ａ２一Ａ２４相连可以正确的实现Ｆｌａｓｈ 空间的访问。 维普资讯 http://www.cqvip.com
１９期 顾玉军：基于ＤＳＰ的实验装置的实时监控系统设计 ３．２串口的设计 ＴＸＤ ４小结 ＲＸＤ ｒ ＦｏＲＣＥＯＦＦ 本文设计出一种基于ＤＳＰ＋ＡＲＭ的嵌入式实 Ｓ￣ＩｍｅｌｎｇＡ ＳＡ—ｌ１１０ ＲＭ ］：：： 一 ＭＡＸ３２４４ ＲＳ－２３２ 时数据处理系统，该系统将高速的ＤＳＰ与在通讯和 网络、实时控制方面具有独特优势的Ｓｔｒｏｎｇ ＡＲＭ结 ＿厂］’ＲＳ２３２ Ｉ ＣＴＳ＿ 合起来，为嵌入式实时环境下一些复杂算法的实现 ＴＸＤ ３ １＿７ＢＣＲ￣￥２３２＿Ｉ ＩＮＶＡＬ］ Ⅱ ＶＡＬＩＤ 问题开辟了新途径。给出了两个子系统具体硬件 ＲＸＤ ３ 设计方案。 图７ ＳＡ．１１１０串口连接示意图 参考文献 ＡＲＭ板块提供了一个Ｒｓ ３２转接口连接到 １谢维成，杨加国．单片机原理与应用及Ｃ５１程序设计．北京：清 华大学出版社，２ＯＯ６ ＳＡ一１１１０的串口上，ＲＳ—２３２和ｓＡ一１１１０之间使 ２胡汉才．单片机原理及其接口技术（第２版）．北京：清华大学出 用ＢＣＲ（ＡＲＭ板块控制寄存器）和ＢＳＲ（ＡＲＭ板块 版社，２００４ 状态寄存器）传递控制信号。Ｒｓ—２３２信号转换通 ３朱宏超，于向军，吕震中．Ｍｏｄｂｕｓ协议在智能数据采集系统中的 过ＭＡＸ３２４４芯片来实现的，其中ＴＸＤ．Ｘ和ＲＸＤ—Ｘ 应用．测控技术，２００５；２５（２）：６５—６７ 之间是连到ＭＡＸ３２４４芯片，其余信号连到ＢＣＲ或 ４梁伟．一种智能温度信号采集模块的设计．仪表技术与传感 者ＢＳＲ上。如图７所示。 器，２００３；（１２）：３７—３９ ５李建波，蒋念平，赵庆孝．基于现场总线的空调测控系统设计和 研究．微计算机信息，２００７；６—１：３９—４ｏ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＧＵ Ｙｕ－ｊｕｎ （Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１８９，Ｐ Ｒ Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａ ｍｕｌｔｉ—ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ＤＳＰ，Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ｅｘｔｅｒｎａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｈａｒｄｗａｒｅ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓ— ｔｅｍ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ａｎ ＡＲＭ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄａｔａ ｓｈｏｗ．Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ＤＳＰ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ
