论文 - 图文(3)

山东科技大学学士学位论文 2 系统设计及原理

电源 模拟量输入 开入量 光电隔离 二次电源 光电隔离 开出量 A/D MCU 双口RAM 以太网 DSP

图1 FTU系统结构框图

FTU从一次侧采集线路电压和电流，分别经电压互感器(PT)和电流互感器(CT)变换为标称值（100V、5A），然后经过调理电路放大、滤波后进入数模转换器(A/D)，在数模转换器中将模拟量转换为数字量；转换值读入DSP，由DSP完成FIR软件滤波，FFT计算，以及电网各个参数计算；数据处理结果经双口RAM传输给MCU；MCU 根据预设的故障判断参数判断线路工作状态，并实时采样开关状态，MCU连接以太网，FTU通过以太网与主站通讯，随时上报异常和故障，并接收主站遥控指令。由于FTU主要安放于室外电线杆上，只要装置硬件牢靠，预先设定好各项参数，一般不再需要人的干预，故本系统不考虑现场调试，不设计键盘和显示器。

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3 硬件设计

3.1 处理器的设计

3.1.1 主处理器

嵌入式技术是当今软硬件发展的潮流。利用该项技术和设计思想，可以采用“积木化”的组织方式来适应各种运行情况。由于现代工艺水平的提高，人们可以在芯片内集成尽量多的满足用户需求的接口或控制器，尽量少的扩展片外资源，一个嵌入式工业芯片组就是一个小规模的系统[14]。

ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器,属于低功耗、高性能的微处理器，其结构见图2。ARM处理器采用RISC（Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机）架构,相对于传统的CISC(Complex Instruction Set Computer)不仅仅是简单地减少了指令，更使计算机的结构更加简单合理而提高了运算速度。ARM具有RISC结构的优点，同时支持Thumb( 16位) /ARM(32位)双指令集,大量使用寄存器, 寻址方式灵活简单，指令执行速效率更快。新一代的ARM9处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。其实，现在比ARM9行能更高的的ARM9E等系列业已问世，ARM9E等系列上还集成了DSP，不过其价格、功耗远高于ARM9，究其性价比，还是选择ARM9更好。并且本设计采用双CPU构架，不必在主处理器上集成DSP[15][16]。

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复位及震荡电路 处理器 ROM RAM 系统专用电路 定时器 串口 中断控制 并口 输入/输出设备接口及驱动电路 图2 ARM内部结构框图

考虑到FTU的工作现场环境可能非常恶劣，FTU应具有防雨、防潮、防防腐蚀的特性，故本系统选用高性能、高稳定性的嵌入式工业芯片组AT91RM9200作为主处理器。该芯片为ARM920T内核，外设功能丰富，可与SDRAM接口，内存可达64MB，内部集成的5个串行口，支持无需CPU参与的DMA读写，大大减轻CPU的负担。AT91RM9200集成了许多标准接口，包括USB 2.0全速主机端口和设备端口、以及与多数外设和在网络层广泛使用的10/100 Base-T以太网媒体访问控制器（MAC）。此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、Flash卡、红外及智能卡中使用。

表1 ARM9系列产品的性能特征

型 号 Cache容量（指令/数据）/KB ARM920T ARM922T ARM940T

16/16 8/8 4/4 无 无 无 MMU MMU MMU 9

有 有 有 有 有 有 无 无 无 紧密耦合存储器（TOM） 存储器管理 AHB总线接口 Thumb DSP 山东科技大学学士学位论文 6 总结与展望

3.1.2 从处理器

DSP是一种运算密集型的微处理器。数字信号处理的任务通常需要完成大量的实时计算,DSP处理器能够满足数字信号处理的实时性要求主要原因是DSP处理器在结构上具有与通用微处理器不同的特点,特别是在寻址和计算能力等方面作了很大的改进和扩充。本系统中从处理器的主要任务是进行大量的实时计算，故应选择DSP作从处理器。

TMS320系列的芯片在目前算较为先进、应用非常广泛的。TMS320系列DSP的采用哈佛结构，流水线操作，专用的硬件乘法器，特殊的DSP指令，快速的指令周期，能够实现快速的DSP运算，并且大部分运算都能在一个指令周期内完成。该芯片具有快速的数字信号处理能力，可以胜任12个模拟量在一个周波内完成128点FFT算。内部128kW的Flash 足够存放模拟量处理程序，外部也无需扩展高速SRAM，且具有加密功能。本系统的从处理器选用32bit定点DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A是目前产量比较大的一款定点DSP控制器，它采用了高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns(40MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；集成了32K字的闪存(可加密)、2.5K的RAM、500ns转换时间的A/D转换器，片上事件管理器提供了可以满足各种电机的PWM接口和I/O功能，此外还提供了适用于工业控制领域的一些特殊功能，如看门狗电路、SPI、SCI和CAN控制器等，从而使它可广泛应用于工业控制领域。 3.1.3 双口RAM

双口RAM完成主从CPU之间的数据传输。双口RAM 是在一个SRAM 存储器上具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的

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系统同时对该存储器进行随机性的访问。即共享式多端口存储器。双口RAM最大的特点是存储数据共享。一个存储器配备两套独立的地址、数据和控制线，允许两个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元。因为数据共享，就必须存在访问仲裁控制。内部仲裁逻辑控制提供以下功能：对同一地址单元访问的时序控制；存储单元数据块的访问权限分配；信令交换逻辑（例如中断信号）等。双口RAM可用于提高RAM的吞吐率，适用于作于实时的数据缓存。本设计使用美国IDT公司开发研制的高速16K×16bit双端口静态，它是真正的双口RAM,允许左右两端口同时读写数据，每个端口都有自己独立的地址线、控制线和数据线。其左右两端的管教功能如下表所示。

左端口 CEL R/WL BUSYL OEL AL0-AL13 I/OL0-I/OL15 SEML UBL LBL 右端口 CER R/WR BUSYR OER AR0-AR13 I/OR0-I/OR15 SEMR UBR LBR 功能 片选信号端 读写信号端 忙信号标志端 输出控制端 地址线 数据线 标志控制端 高8位存储单元选择端 低8位存储单元选择端 表2 IDT7026管教功能表

IDT7026可高速存取数据，能够与本设计所选的高速处理器配合而无需插入等待状态。另外，IDT7026还具有标识功能，传送数据时可灵活组成各种接口形式[17]。本设计中核心处理器的连接电路如图3所示。

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