邵德军，尹项根，李彦武，胡文平，王志华
(华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉,430074)
摘要：介绍了电气设备在线监测数据采集系统的功能特点以及基于DSP+CPLD模式的硬件系统结构和外围器件扩展，以断路器在线监测数据采集系统的数据采集量为例分析了系统扩展大容量数据存储器的必要性，并介绍了NVRAM(Nonvolatile SRAM)芯片DS1270Y/AB的性能指标，在此基础上详细地讨论了DSP (TMS320F206)系统中，在大规模可编程逻辑器件(CPLD)的控制下，扩展具有掉电保持功能的NVRAM实现大容量数据存储的方法。 关键词：大容量数据存储; NVRAM; 数据采集系统; 电气设备; 在线监测
中图分类号:TM762 文献标识码:A 文章编号:100324897(2004)1220068203
0 引言
变电站中的变压器、电容性设备、避雷器、断路器等高压电气设备长期运行中受到电场、导体发热、机械力、化学腐蚀和环境因素的影响，不可避免地将逐渐劣化、老化，并导致设备运行性能变坏，出现缺
陷。如果任其继续发展，不采取适当的修复措施，可能引发电力设备的故障，造成巨大损失[1]。电气设备在线监测系统在设备运行情况下连续提取设备的各种状态信息参数，根据各种故障征兆，运用智能技术对其健康情况进行实时评判，依据诊断结果制定检修方案和策略，从而既减少了停电试验和维修的盲目性，又能持续真实地反映设备在运行电压下的性能和健康水平，能够及时发现设备运行中的缺陷，降低设备事故率[3]。
本文介绍的电气设备在线监测数据采集系统是基于DSP+CPLD(可编程逻辑器件)所构成的硬件系统，这样的硬件结构简化了系统的硬件设计和逻辑控制，提高了系统的稳定性，并使系统维护方便，有效实现数据采集、存储、上传的并行进行，具有功能集成度高、编程方便的优点。
由于在线监测系统本身需要采集的量很大，采样率要求比较高(特别是在故障情况下)，而且系统兼有故障录波的要求，所以系统采集的数据量很大，系统需要具有大容量数据存储的功能。本文讨论了在DSP系统中扩展具有掉电保持功能的NVRAM (Nonvolatile SRAM)来实现大容量存储的方法。
1 电气设备在线监测数据采集系统的功能及硬件结构1.1 数据采集系统功能
该采集系统实现的功能包括：数据采集和基本处理，故障报告和自检报告的形成、存储、上传，开出告警功能，网络通讯功能。
1.2 硬件系统结构
数据采集系统结构框图如图1所示。
该系统基于TI公司的DSP芯片TMS320F206进行设计。该芯片采用改进的哈佛结构，四级流水线操作，具有6条总线，极大地提高了数据处理能力；通过程序、数据空间分离，可同时进行程序指令的存取，提供高度并行性[4];DSP采用外部10M晶振(内部倍频)。系统以可编程逻辑器件CPLD作为DSP的协处理器，完成DSP外围器件的扩展和逻辑控制操作。
1.3 外围器件扩展
1)存储器扩展
扩展外部全局数据存储器(CY7C1021)64K(实际上只用到32K)，占用数据空间8000h-FFFFh；局部数据存储器(CY7C1021)64K，数据存储空间为0000h -FFFFh，通过DSP的控制线/DS和/BR经CPLD编程输出，确定访问外部全局或局部数据存储器；扩展程序存储器64K用于程序存储；扩展非易失性存储器(NVRAM)DS1270Y A/B为大容量存储器。
2)A/D转换芯片
A/D转换芯片MAX125是内部带同步采样保持器的高速多通道14位数据采集芯片，芯片内部包含一个14位、转换时间为3μs的逐次逼近型A/D 转换器，一组可以同时对4路输入信号进行同步采样的采样/保
持电路。系统采用4片MAX125，可以16个通道同时采样。
86第32卷 第12期
2004年6月16日
继电器
RELA Y
Vol.32 No.12
J une16,2004
图1 采集系统硬件结构图
Fig.1 Hardware configuration diagram of data acquisition system
3)时钟芯片
扩展时钟芯片DS1286，记录系统工作时间，并定时和主处理板时钟校准。
4)watchdog电路
扩展看门狗芯片MAX705完成系统故障的复位功能。
5)串行E2PROM芯片
扩展E2PROM芯片A T25640存储定值，并可进行定值在线调整。
6)先入先出FIFO芯片(First In First Out)
采集系统向主处理系统上传数据采用并行的高速通讯方式，选用ID T7202A芯片，其容量为1024×9bit；它基于先进先出，内部带双口SRAM，并带有内部读写计数器；它利用空和满标志位来防止数据的下溢和溢出。
7)外部通讯
通讯接口部分包括CAN网与主处理板的通讯,RS485和RS232复用通讯口作为智能调试口。
2 NVRAM在数据采集系统中的应用在线监测数据采集系统对电气设备的大量状态参量进行高速数据采集，采集的数据通过高速数据通讯FIFO上传到主处理板进行分析处理，然后由主处理板即时可靠地
发出开关量输出。由于采集的数据量很大，高速数据通讯FIFO不可能及时地上传所有数据，此时采集的数据就需要用大容量数据存储器来暂存；另外为了确保数据安全，还需要大容量数据存储器来保存历史数据。
以断路器在线监测系统为例，每个数据采集系统对应16路交流模拟量、32路直流模拟量、64路开关量输入的数据采集处理，同时带有16路开关量输出。当系统正常工作时，模拟量采用每周波36点采样，故障状态下采用128点采样(满足录波的要求)。按故障状态下每8个周波的数据来考虑故障记录报告，数据存储量为128点×16通道交流×8周波+ 128×32直流通道×8周波=48KW，系统需要存储至少三份故障记录报告，另外数据存储器中还需要设置历史数据存放区、通讯缓冲区、计算缓冲区、自检报告区。所以仅靠DSP外部扩展的64KW局部存储器和32KW全局存储器是远远不够的，系统还需要扩展大容量数据存储器。
2.1 NVRAM芯片DS1270Y/AB的主要性能指
标、技术特点
DSP扩展的大容量数据存储器芯片选用DALLAS公司的DS1270Y/AB，是具有掉电保持、2M×8bit的NVRAM(Nonvolatile SRAM),21根地址线,8根数据线，读写速度可达70ns。DS1270Y/AB 内部有一个自保持锂电池和相关的控制电路；在失电的情况下，锂电池自动切换供电,NVRAM被写保护以防止数
据被改写，失电情况下数据至少可以保存5年。通过并联两片DS1270Y/AB可以得到2M 字数据空间，其中一片用于低位数据存储，一片用于
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邵德军，等 电气设备在线监测数据采集系统中大容量数据存储的实现
高位数据存储。
2.2 DSP系统中大容量数据存储器扩展的实现
DSP芯片TMS320F206可扩展的局部数据存储空间为64k字，数据存储空间范围为0000h-FFFFh，其中高32k字(8000h-FFFFh)可用于全局数据存储器，全局存储器分配寄存器(GREG)决定了全局数据存储空间的大小在256字和32k字之间,8000h-FFFFh内任何剩下的地址都可用于局部数据存储器。所以局部和全局数据存储器共享数据存储空间的高32k字，由信号线/BR确定访问全局或局部数据存储器,/BR=1时只可访问局部数据存储空间0000h-FFFFh,/BR=0时可访问局部数据存储空间0000h-7FFFh和全局数据存储空间8000h-FFFFh[4]。
以芯片DS1270Y/AB为例。由DSP可寻址外部全局数据存储空间为32k字，每2片DS1270Y/ AB芯片构成一组2M字空间，每组可划分为64个32k字的空间来分别访问。DS1270Y/AB芯片的地址线为21根，低15位地址线(A0%A14)与系统地址线相连用于位选，可以访问每个小块32k字的数据空间；高6位地址线(A15-A20)与CPLD的I/ O口相连，由CPLD控制可以实现64个32k字存储块的块选。这样就实现了大容量存储器每32k 字寻址，分块访问2M字的存储器空间。如需扩展n M字(n为偶数)的数据空间，则增加CPLD用于存储器扩展的I/O的数量用于存储器芯片的片选，所以n M字的存储器扩展需要n/2个CPLD的I/O 口用于DS1270Y/AB芯片的片选和6个I/O口连接地址高位来实现块选。
其他类型的大容量存储器芯片在DSP系统中的扩展机制与此类似。
2.3 数据采集系统中分块访问NVRAM的具体实
现
本数据采集系统扩展了4片DS1270Y/AB芯片，共有两组2M字的存储空间，扩展示意图如图2所示。
通过对CPLD的编程控制，可以通过写数据到I/O端口8004H来完成对两组存储器的片选信号和地址线高位A15-A20的锁存，片选信号实现对两组存储器的分别访问(/CE1,/CE0不能同时置零),A15-A20实现对每组存储器中每个32k字存储块的选择,I/O端口8004H中相关位的定义如表1所示。
表1 I/O端口8004H定义
Tab.1
Bit definition of8004H
BIT15BIT14BIT13BIT12
A20A19A18A17
BIT11BIT10BIT9BIT8
A16A15/CE1/CE0
图2 数据采集系统大容量存储扩展示意图
Fig.2 Diagram to extend great capacity data
memory of data acquisition system
3 结束语
本文设计的基于DSP+CPLD的电气设备在线监测数据采集系统既简化了系统软硬件设计，提高了电路的稳定性和可靠性，又可保证数据采集的快速实时，提高了采集系统的性能。数据采集系统利用DSP可扩展的32k全局数据存储空间，在CPLD 的控制下扩展了大容量数据存储器，解决了电气设备大量
状态采集量的数据存储问题。
参考文献:
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67.
(下转第81页 continued on page81)
07继电器
不影响系统运行的可靠性原则。同时应该选择大厂
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Processor )[M ].北京：电子工业出版社(Beijing :Pub 2
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收稿日期: 2003207214
作者简介:
陈忠革(1968-)，男，工程师，研究方向为铁道电气化自动化;
王 (1967-)，男，博士研究生，副教授，研究方向为继电保护与综合自动化;
胡汉梅(1965-)，女，高级工程师，从事电力系统及自动化专业的教学及科研工作。
Selection method of integrated automation system in rail w ay traction substation
CHEN Zhong 2ge 1,WAN G Ren 2,HU Han 2mei 3,REN Xue 2tao 4
(1.Machinery Department ,Shenyang Minstry of Railway ,Shenyang 110000,China ; 2.School of Electrical Engineering ,S outhwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,China ;
3.Three G orges University ,Y ichang 443002,China ;
4.X J Electric Co.,Ltd ,S outhwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,China )
Abstract : The application and research of integrated automation system in railway traction subtation has developed very fast in re 2
cent years.Now ,more than ten research de partments have been absorbed in this field ,the products of two departments have been put into running ,the products of four departments have been appraised.In the meantime ,the foreign products have been introduced in China.Because the integrated automation system adopting new and advanced technology ,it is very important for railway customers to select a set of suitable system.Through researching and understanding of engineering application of foreign and domestic integrated automation systems ,this paper provides some selection methods for participants of electic railway.K ey w ords : traction substation ; integrated automation system ; bus ; optical fiber network
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DSP )[M ].北京：电子工业出版社(Beijing :Publishing
House of Electronics Industry ),2003.
收稿日期: 2003209202; 修回日期: 2004204220作者简介:
邵德军(1981-)，男，硕士研究生，从事电力系统微机继电保护、电力设备状态监测及诊断研究;
尹项根(1954-)，男，博士生导师，从事电力系统继电保护、电力设备状态监测及诊断研究。
R ealization of great capacity data memory in data acquisition system
for electrical equipment on 2line monitoring
SHAO De 2jun ,YIN Xiang 2gen ,L I Y an 2wu ,HU Wen 2ping ,WAN G Zhi 2hua (Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China )
Abstract : This paper introduces the functional characteristics and hardware configuration of data acquisition system for on 2line moni 2
toring of electrical equipment ,and takes an exam ple of data acquisition system for breaker on 2line monitoring system to analyze the necessity of extending great capacity data memory ,and presents the performance and function of DS1270Y /AB ,which is a kind of nonvolatile SRAM (NVRAM ).Based on that ,the paper details how to use NVRAM in DSP (TMS320F206)system to realize great capacity data memory under controlling of Complex Programmable Logic Device (CPLD ).K ey w ords : great capacity data memory ; NVRAM ; data acquisition system ; electrical equipment ; on 2line monitoring
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8陈忠革，等 牵引变电所综合自动化系统的选择原则和方法
