基于pci總線的電力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、<p>　　基于PCI總線的電力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　摘要：電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制、繼電保護(hù)動(dòng)作、事故分析等控制措施的基本環(huán)節(jié)。本文主要介紹了一套基于PCI總線的電力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，著重在基于PCI總線的通信接口方面做了細(xì)致的描述。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，作者給出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程圖，在文章的最后，作者總結(jié)了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能以及優(yōu)缺點(diǎn)。 </p><p&

2、gt;　　關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集；PCI接口；混合編程 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)： F407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p><b>　　1引言 </b></p><p>　　在日益龐大、自動(dòng)化程度越來(lái)越來(lái)高的電力系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)故障也呈現(xiàn)出多樣化和復(fù)雜化的特點(diǎn)。對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、快速識(shí)別故障、實(shí)時(shí)處理和錄波已成為保證電力

3、系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。這就對(duì)電力系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在精度、實(shí)時(shí)性和可靠性等方面提出了嚴(yán)格的要求?；诖艘螅P者設(shè)計(jì)了一套基于PCI總線、16位分辨率的高速、高精度電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 </p><p>　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件方面，筆者選用具有16位精度的AD976作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其最大轉(zhuǎn)換速率為100kb/s。緩存器選用雙口RAM IDT7133。采集系統(tǒng)的邏輯控制和計(jì)算由DSP TMS320VC33-120完成

4、。PCI接口功能由Altera公司提供的PCITARGET接口宏核邏輯pci_t32實(shí)現(xiàn)。在軟件設(shè)計(jì)方面，上位機(jī)采用的是C語(yǔ)言；下位機(jī)采用了C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的方式；PCI接口的驅(qū)動(dòng)程序由WinDriver實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　針對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作要求，作者對(duì)系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。 </p><p>　　電力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)： </p><p

5、>　　2.1 硬件部分——數(shù)據(jù)采集 </p><p>　　采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含三個(gè)部分，分別是：模擬輸入、數(shù)據(jù)采集、以及基于PCI接口的數(shù)據(jù)傳輸。 </p><p><b>　　模擬輸入 </b></p><p>　　模擬輸入部分由模擬開(kāi)關(guān)、低通濾波器、采樣保持器、多路開(kāi)關(guān)和運(yùn)算放大器組成。在模擬信號(hào)進(jìn)入AD轉(zhuǎn)

6、換通道前對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，確保輸入信號(hào)不超過(guò)AD轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。 </p><p>　　圖1.采集系統(tǒng)原理圖 </p><p>　　（2）數(shù)據(jù)采集部分 </p><p>　　數(shù)據(jù)采集部分由AD轉(zhuǎn)換器、微處理器、雙口RAM和狀態(tài)寄存器構(gòu)成。來(lái)自電力系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣保持器、多路開(kāi)關(guān)和程控運(yùn)算放大器后成為符合AD轉(zhuǎn)換芯片AD976動(dòng)態(tài)變化范圍的模擬信號(hào)，并輸

7、入AD976。AD976的輸入范圍為-5~+5V。 </p><p>　　AD轉(zhuǎn)換部分的邏輯控制和故障判斷由高速微處理器TMS320VC33完成。選用高速DSP作為下位機(jī)的微處理器是充分考慮如到故障判斷時(shí)，對(duì)一些暫態(tài)分量和高頻分量計(jì)算的需要，如傅立葉變換、數(shù)字濾波等等。DSP具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，提高了故障判斷的快速性和準(zhǔn)確性，而且16位的DSP與16位的AD、16位的雙口RAM配合，可以對(duì)采樣集數(shù)據(jù)進(jìn)行整

8、體的搬移，也提高了系統(tǒng)的工作效率。 </p><p>　　用雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩存器，可以實(shí)現(xiàn)DSP和上位機(jī)同時(shí)對(duì)緩存器的讀寫(xiě)操作，提高通信速率。本系統(tǒng)選用容量大小為4k×16bit的雙口RAM IDT7133作為數(shù)據(jù)緩存器。采樣的數(shù)據(jù)放入雙口RAM，由DSP計(jì)數(shù)，雙口RAM半滿后DSP向上位機(jī)發(fā)送中斷信號(hào)。 </p><p>　　狀態(tài)寄存器存放的是DSP的工作方式控制字，由上位

9、機(jī)寫(xiě)入。通過(guò)狀態(tài)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)DSP工作方式的控制。 </p><p>　　（3）PCI接口部分 </p><p>　　PCI總線是高速同步總線，具有32bit的總線寬度，最大的傳輸速率為132Mbit/s。PCI總線接口相對(duì)其它總線接口來(lái)說(shuō)是比較復(fù)雜的，它不僅有著嚴(yán)格的同步時(shí)序要求，而且為了實(shí)現(xiàn)即插即用和自動(dòng)配置，PCI接口還必須有許多配置寄存器。目前市場(chǎng)上有一些專用的PCI接

10、口芯片，如S5933、PLX9054等等，但使用S5933需要外部擴(kuò)展FPGA來(lái)進(jìn)行IO接口處理，占用面積較大。而使用含有PCI MegaCore的FPGA芯片可以根據(jù)設(shè)計(jì)的要求自行設(shè)計(jì)接口功能，不僅降低了成本、提高了電路板的集成度，而且，通過(guò)在頂層的測(cè)試口，可以大幅度提高接口邏輯的調(diào)試速度。 </p><p>　　pci_t32是Altera公司提供的最簡(jiǎn)單的32位PCITARGET接口宏核邏輯，支持33MHz

11、和66MHz的PCI時(shí)鐘，其外圍接線簡(jiǎn)單實(shí)用，在PCI總線一側(cè)，各信號(hào)線符合PCI規(guī)范2.2版，系統(tǒng)上電后，通過(guò)PCI配置寄存器，雙口RAM被映射到上位機(jī)的寄存器空間或I/O空間，上位機(jī)通過(guò)寄存器操作或I/O操作可以對(duì)雙口RAM進(jìn)行訪問(wèn)；在擴(kuò)展總線一側(cè)：l_adi[31:0]為地址、數(shù)據(jù)的輸入端；l_dato[31:0]、l_adro[31:0]分別為數(shù)據(jù)和地址的輸出端；l_beno[3:0] 為字節(jié)使能端；l_cmdo[3:0]為命令

12、輸出端；lt_rdyn為目標(biāo)設(shè)備準(zhǔn)備好信號(hào)線，與 雙口RAM的BUSY相連，避免上位機(jī)與下位機(jī)對(duì)雙口RAM的同一地址單元進(jìn)行操作；lt_irqn為目標(biāo)設(shè)備的中斷請(qǐng)求線，由DSP控制，lt_irqn有效時(shí)，上位機(jī)執(zhí)行雙口RAM的猝發(fā)讀操作；lt_tsr[11:0]與目標(biāo)設(shè)備的狀態(tài)寄存器相連由上位機(jī)控制，通過(guò)lt_tsr[11:0]上位機(jī)將控制字寫(xiě)入狀態(tài)寄存器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP工作模式的定義。PCI接口的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 </p>

13、;<p>　　圖2.PCI接口結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　PCI規(guī)范中定義了Memory和I/O兩種讀寫(xiě)操作模式，而Memory讀寫(xiě)又分單周期讀寫(xiě)模式和猝發(fā)讀寫(xiě)模式。在作者設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用的是Memory的猝發(fā)讀模式，所謂猝發(fā)讀模式，即在給出首地址后，主設(shè)備連續(xù)讀取多個(gè)數(shù)據(jù)，而從設(shè)備能對(duì)自動(dòng)地址加1。pci_t32的猝發(fā)Memory讀操作時(shí)序如圖3所示。 </p><p

14、>　　圖3. 猝發(fā)讀操作時(shí)序圖 </p><p>　　PCI主設(shè)備在第3個(gè)clk給出讀目標(biāo)地址ad[31:0]和Memory讀命令cben[3:0]=0x0110，在pci_t32的第4個(gè)clk向用戶給出讀目標(biāo)地址l_adro[31:0] 和Memory讀命令l_cmdo[3:0]=0x0110。用戶設(shè)備要對(duì)1_cmdo[3:0]譯碼，來(lái)判斷是何種操作，對(duì)l_adro[31:0]譯碼來(lái)選擇目標(biāo)地址。lt_i

15、rqn由DSP控制，可以作為目標(biāo)設(shè)備的輸出使能端，lt_irqn第4個(gè)clk為低電平時(shí)，pci目標(biāo)設(shè)備必須將目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)D0放到1_adi[31:0]，這樣在第5個(gè)clk的上升沿pci_t 32可以采樣到數(shù)據(jù)D0，在第6個(gè)clk的上升沿pci主設(shè)備可以得到數(shù)據(jù)D0。由于是猝發(fā)傳輸，加法器將控制地址單元加1，依次傳輸完其他數(shù)據(jù)，在第14個(gè)clk的上升沿，上位機(jī)通過(guò)lt_tsr[11:0]將控制字寫(xiě)入目標(biāo)狀態(tài)寄存器。 </p>

16、<p>　　軟件部分——開(kāi)發(fā)平臺(tái) </p><p>　　軟件設(shè)計(jì)主要包含三部分，DSP的軟件設(shè)計(jì)，PC機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和PCI接口的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。 </p><p>　　在DSP的軟件設(shè)計(jì)中，若用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，程序的可讀性較強(qiáng)，但是由C編譯器形成的匯編語(yǔ)言不一定能合理利用DSP的片內(nèi)資源；若用匯編語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，片內(nèi)資源的利用率較高，但程序的可讀性較差。為了充分利用DSP芯片的內(nèi)

17、部資源，更好的發(fā)揮C語(yǔ)言的可讀性，作者采用混合編程的方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。 </p><p>　　在PC機(jī)側(cè)，由于涉及到對(duì)硬件的操作，故而選用對(duì)硬件有較強(qiáng)控制能力的C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 </p><p>　　驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是針對(duì)PCI接口的，配置空間包含了初始化PCI設(shè)備所必需的信息，首先要需要遍歷整個(gè)硬件樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)尋找指定的PCI設(shè)備。對(duì)于每一個(gè)設(shè)備，比較其廠商號(hào)(Vendor ID)和設(shè)備編號(hào)(

18、Device ID)，如果與設(shè)計(jì)的PCI卡的信息匹配，則讀取它的配置空間信息。驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備初始化完成后，通過(guò)資源管理器就可以查詢PCI板卡在PC機(jī)中所分配的地址，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)寄存器和雙口RAM的讀寫(xiě)操作。 </p><p><b>　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程 </b></p><p>　　采集系統(tǒng)的采樣頻率、采樣通道數(shù)均由狀態(tài)寄存器中工作方式字控制。這里不妨設(shè)一個(gè)周期內(nèi)

19、的采樣點(diǎn)數(shù)為N。 </p><p>　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。在圖中，BLOCK0為一個(gè)桶形存儲(chǔ)單元，循環(huán)存故障前的數(shù)據(jù)。BLOCK0的容量為N，偏移地址為0~N-1，每采樣一個(gè)新點(diǎn)，地址指針自動(dòng)加1，當(dāng)指針為N時(shí)，指針歸0。 </p><p>　　BLOCK1的容量也為N，存放故障后一個(gè)周期的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　上位機(jī)在收到DSP的中斷命令后，讀

20、取雙口RAM中的數(shù)據(jù)。根據(jù)故障信息，上位機(jī)作出相應(yīng)的控制決策。 </p><p>　　圖4.系統(tǒng)工作流程圖 </p><p><b>　　4結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　用DSP實(shí)現(xiàn)的多路高速電力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是有多方面優(yōu)越性的，其高速數(shù)據(jù)采集完全可以響應(yīng)瞬態(tài)或暫態(tài)發(fā)生事件。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳輸總線采用PCI總線，提高了系統(tǒng)的通用性及可擴(kuò)展性，

21、而且使整個(gè)系統(tǒng)具有高速、高可靠性等特點(diǎn)，能很好的滿足電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)方面的需要。但在系統(tǒng)的工作流程方面仍然存在一些缺陷。例如，如果系統(tǒng)處于錄波狀態(tài)時(shí)發(fā)生了電力系統(tǒng)故障，則此故障無(wú)法被識(shí)別，故而，對(duì)于發(fā)生時(shí)間相隔很短的兩次故障，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能會(huì)丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)。在今后的研究中，可以考慮在DSP中嵌入多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)解決此類(lèi)問(wèn)題。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p&g

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