专利名称：智能电器可重构硬件设计平台的制作方法
技术领域：
本发明属于计算机应用领域，涉及用于保护电网及其设备的专用芯片设计，特别一种用可编程ASIC技术设计电力系统自动化智能保护专用芯片以及基于这一芯片的智能电器可重构硬件设计平台。
背景技术：
电力系统微机保护用于保护电网及其设备，对电力系统稳定经济的运行至关重要。微机保护装置集计算机技术、网络技术、微电子技术、传感器技术于一体，不但可使传统电器的计量、保护、测控等功能更准确、更可靠，而且可以实现事故追忆、故障录波、设备工作状况在线监测等功能。早在70年代初期就有人提出利用计算机作为电力系统保护元件的设想并得到了实现，经过了30多年的发展和实践，基于微处理器的电力系统保护装置从简单地代替电磁式继电器到目前具有网络通讯功能、神经网络、模糊控制、小波等新理论新技术逐步完善的智能化电器设备。
我国在80年代中期引入微机继电保护，80年代末国内开发的微机继电保护装置开始推广应用。90年代是微机保护发展最快的时期，不仅产品多，保护功能也逐渐完善，装置制造水平也不断提高。到目前为止，国内有一大批从事微机保护研究、设计、开发、试验、制造的专业技术人员，有几十家专业生产厂，还有一批科研院所、大专院校。微机保护产品已有线路保护、母线保护、发电机保护、变压器保护、故障录波器、安全自动装置等，种类多、型号比较齐全。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。同国外的同类装置相比较，在保护原理方面我们毫不逊色。可以说，从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。
到目前为止，国内微机保护装置基本上都是以单片机为核心(图1)，CPU的性能的好坏直接影响系统的功能，微机保护装置的硬件一直向着高速和高可靠性两个方面发展。一方面是处理器的速度越来越快，系统硬件结构从单一8位处理器到16位和32位处理器一直到当今的多CPU和多DSP的混合结构。另一方面则在提高可靠性方面采取了许多措施，从总线不出插座到总线不出芯片，以及硬件自检和看门狗的应用使得硬件的可靠性确实得到了一定程度的提高。
应该看到微机保护装置本身具有一些与生俱来的缺陷。例如，MCU以及DSP都采用排队式串行指令执行方式，其工作速度和效率的提高也都受限于该工作方式，在处理速度方面DSP及微处理器的速度仍然不能满足不断出现的新算法和理论的要求。此外，MCU在工作初始都必须经历一个复位过程，必须满足一定的电平条件和时间条件。在工作电平有某种干扰性突变时，MCU的复位设置将成为系统不可靠工作的重要因素。PC的“跑飞”是CPU的另一个缺点。事实证明，无论多么优秀的MCU，无论具有多么良好的抗干扰措施，包括设置任何方式的内外硬件看门狗，在受强干扰特别是强电磁干扰情况下，MCU都无法保证其仍能正常工作而不进入不可挽回的“死机”状态。虽然看门狗技术可以可以使多数系统重新复位，但仍然无法做到指令级的恢复。从而引起装置的拒动或误动的可能性是存在的。尤其是当PC跑飞与复位不可靠因素相交错时，情况将变得尤为复杂。
另一方面，目前保护系统中不同型号的产品基本上不兼容，不具备良好的扩展性，缺少标准的接口规范，使得系统集成、升级或新增功能的花费十分高昂。对各种不同型号的产品专门设计接口，采用不同的处理机制，容易造成高维护费用和完全抛弃旧系统重新开发的两难局面。同时由于产品在设计时是单方面的追求功能的完善，设计目标是直接面向某个控制过程的，而没有考虑到系统的协调工作，同外界系统严格耦合，因而产品对现场的依赖性很强，经受不起系统环境的改变。
EDA是近年来迅速发展起来的一项新技术。基于EDA技术的CPLD/FPGA(复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列)器件的开发应用可以克服MCU的根本缺陷。首先CPLD/FPGA产品越来越多地采用了先进的JTAG-ISP和在系统配置编程方式。在+5V工作电平下可随时对正在工作的系统上的CPLD/FPGA进行全部或部分地在系统编程。其次是高速，CPLD/FPGA的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。例如以1024点的16位FFT为例，用目前工业上最快的DSP在800MHz时钟下需要7.7us，而用Xilinx公司Virtex-II系列芯片在140MHz时钟下运算不足1us；高可靠性也是它的优点之一，除了不存在MCU所特有的复位不可靠与PC可能跑飞等固有缺陷外，CPLD/FPGA的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同一芯片中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。另外开发工具和设计语言标准化，开发周期短也是另一个优点。利用它们可实现几乎任何形式的数字电路或数字系统的设计。如何将这一技术应用到微机保护领域，是本课题研究的主要内容。
目前的随着微电子技术的发展，片上系统(System On Chip，SOC)在速度、可靠性和保密性以及价格等方面都具有很明显的优势，是近几年研究的热点。FPGA以其易于开发和无需一次投资等优点，使得越来越多的SOC设计人员转向可编程方式实现，FPGA近几年也以惊人的速度发展，其集成度已从几年前的几万门发展到当今的千万门，片内集成CPU、存储器和通讯接口等，且价格越来越底。使得基于可编程的片上系统真正趋于实用化的程度。该技术已在移动电话、PDAs、电视机顶盒、手持消费品以及因特网、汽车引擎控制器和网络交换机等领域获得了成功的应用。
在继电保护方面，国外也有利用FPGA实现过流继电器算法的报道，但没有实现理想的片上系统的功能。
发明内容
本课题研究的目的在于，利用可编程ASIC技术开发一个片上系统(SOC)，代替以往的单片机用于电力系统微机保护，提出了一种智能电器可重构硬件设计平台。考虑到在电力系统自动化领域，微机保护内容非常复杂，其智能化的理论发展迅速，产品更新换代速度不断加快，若SOC的设计不易更改，或每次更改都需要重新设计PCB和系统抗干扰测试等，那必将影响系列化产品的开发周期以及产品的上市时间。在越来越多的芯片设计人员开始转向基于平台的设计方法的今天，申请人并进一步给出基于SOC的可配置微机保护硬件平台的实施方案，并作为例子，利用该平台设计完成了用于线路保护的产品的样机。
实现上述目的技术方案是该智能电器可重构硬件设计平台包括三部分构成1)一由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片该可编程专用芯片具有系统接口；系统接口上可连接微处理器，存储器，A/D转换器，输出驱动模块，看门狗电路，测频整形电路，开关量输入隔离电路；多路转换器。
2)RISC微处理器该微处理器主要和以下器件相连接连接的有键盘显示接口，LONworks现场总线接口，串行通讯接口，EEPROM，存储器，看门狗电路，日历时钟，JTAG接口。
3)其他外围接口电路外围接口电路主要包括一连接在键盘显示接口上的键盘显示板；该键盘显示板上连接有键盘，钥匙开关，LED指示灯，液晶显示控制器；液晶显示插座；该液晶显示插座上连接有液晶显示器；还有电流互感器、电压互感器经过信号调理调理后，通过模拟量输入接口输入至多路转换器；输出驱动模块通过继电器控制插座连接有一继电器；开关量输入插座；经过开关量输入隔离电路和可编程专用芯片连接；4)所有元件分装在三块印刷电路板上，电路板之间靠扁平电缆连接。
本发明的其他一些特点是所述的由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片采用可编程ASIC技术基于平台的方法进行设计，只要改变其相应IP核的参数或改变或增加保护算法，就可以开发出针对线路、变压器等不同电力设备保护的系列继电保护专用芯片。
所述的由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片可以是不同公司的产品，芯片的编程工艺也既可以是基于RAM也可以是基于FLASH或反熔丝结构，对芯片的编程方式可根据芯片的工艺不同选择JTAG下载或通过编程器对芯片或外部ROM进行烧写。
所述看门狗电路由RISC微处理器产生喂狗信号；看门狗的输出信号直接和专用芯片以及微处理器的复位端连接；所述微处理器和所述专用芯片之间采用并行方式交换信息；所述输出驱动模块直接可以驱动继电器；所述A/D转换器和多路转换器直接由专用芯片输出的时序控制进行数据采集；所述存储器为微处理器和专用芯片所共同使用；所述专用芯片连接的测频整形电路的输入端和电压互感器的输出相连。
所述的RISC微处理器采用FLASH工艺，可直接通过JTAG接口对其进行编程，通过和专用芯片的编程配合，可以使平台满足从低压到超高压各电压等级不同设备的保护需求。
所述的RISC微处理器和以下器件相连接，所述LONworks现场总线接口是一个独立的插件，可以作为系统的选件；所述串行通讯接口可以是通用的RS232/RS422/RS485；所述日历时钟是I2C接口器件并带有后备电池；所述EEPROM是I2C串行接口器件；所述RISC微处理器通过JTAG接口可直接连接计算机进行编程；所述键盘显示接口通过键盘显示插座和键盘显示板用扁平电缆连接。
所述的其他外围接口电路中的模拟量输入不局限是电流互感器、电压互感器等电量信号，也可以是温度、湿度等其他非电量传感器信号。
所述底板、主板、键盘显示板互相独立，它们之间通过扁平电缆连接，主板和底板之间设有金属板屏蔽，键盘显示板安装在装置外壳上。
所述键盘显示板上设置有进行手动控制的定值设定、就地/遥控选择的钥匙开关。
四
图1是背景技术中的微机保护的典型硬件结构框图；图2是采用本发明设计的可重构硬件设计平台结构框图；图3是构成平台的印刷电路板之间连接关系图；图4键盘显示部分的原理图；图5是主板原理图之一专用芯片和A/D以及多路转换器接口；图6是主板原理图之二微处理器连接电路；图7是主板原理图之三专用芯片外部接口定义；图8是主板原理图之四LonWorks现场总线接口；图9是主板原理图之五串行通讯以及日历时钟和复位；图10是主板原理图之六主板与其它板连接关系；图11是底板原理图之一开关量输入部分；图12是底板原理图之二继电器输出部分；图13是底板原理图之三模拟量输入部分；图14是基于平台设计的线路保护样机照片。
五具体实施例方式
为了更清楚的理解本发明，以下结合附图和发明人依本发明的技术方案完成的实施例，对本发明作进一步的详细说明。5.1技术方案参见附图2～3，图2是可重构硬件设计平台结构框图。依本发明的技术方案，该智能电器可重构硬件设计平台包括三部分构成1)一由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片1该可编程专用芯片1具有系统接口；系统接口上可连接微处理器2，存储器3，A/D转换器4，输出驱动模块5，看门狗电路6，测频整形电路7，开关量输入隔离电路8，多路转换器9；2)RISC微处理器2该微处理器主要和以下器件相连接连接的有键盘显示接口10，LONworks现场总线接口11，串行通讯接口12，EEPROM 13，存储器3，看门狗电路6，日历时钟14，JTAG接口15；3)其他外围接口电路一连接在键盘显示接口10上的键盘显示板31；该键盘显示板31上连接有键盘20，钥匙开关28，LED指示灯22，液晶显示控制器27；液晶显示插座26；该液晶显示插座26上连接有液晶显示器21；还有电流互感器16、电压互感器17经过信号调理34调理后，通过模拟量输入接口22输入至多路转换器9；输出驱动模块5通过继电器控制插座25连接有一继电器19；开关量输入插座23；经过开关量输入隔离电路8和可编程专用芯片1连接；4)所有元件分装在底板29、主板30、键盘显示板31三块印刷电路板上，电路板之间靠扁平电缆连接。
由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片1采用可编程ASIC技术基于平台的方法进行设计，只要改变其相应IP核的参数或改变或增加保护算法，就可以开发出针对线路、变压器等不同电力设备保护的系列继电保护专用芯片。
由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片1可以是不同公司的产品，芯片的编程工艺也既可以是基于RAM也可以是基于FLASH或反熔丝结构，对芯片的编程方式可根据芯片的工艺不同选择JTAG下载或通过编程器对芯片或外部ROM进行烧写。
看门狗电路6由RISC微处理器2产生喂狗信号；看门狗6的输出信号直接和专用芯片1以及微处理器2的复位端连接；微处理器2和所述专用芯片1之间采用并行方式交换信息；输出驱动模块5直接可以驱动继电器19；所述A/D转换器4和多路转换器9直接由专用芯片1输出的时序控制进行数据采集；存储器3为微处理器2和专用芯片1所共同使用；专用芯片1连接的测频整形电路7的输入端和电压互感器17的输出相连。
RISC微处理器2采用FLASH工艺，可直接通过JTAG接口对其进行编程，通过和专用芯片1的编程配合，可以使平台满足从低压到超高压各电压等级不同设备的保护需求。
RISC微处理器2和以下器件相连接，LONworks现场总线接口11是一个独立的插件，可以作为系统的选件；串行通讯接口12可以是通用的RS232/RS422/RS485；日历时钟14是I2C接口器件并带有后备电池；EEPROM 13是I2C串行接口器件；RISC微处理器2通过JTAG接口15可直接连接计算机进行编程；所述键盘显示接口10通过键盘显示插座24和键盘显示板31用扁平电缆连接。
其他外围接口电路中的模拟量输入不局限是电流互感器、电压互感器等电量信号，也可以是温度、湿度等其他非电量传感器信号。
底板29、主板30、键盘显示板31互相独立，它们之间通过扁平电缆连接，主板30和底板29之间设有金属板屏蔽，键盘显示板31安装在装置外壳上。
键盘显示板31上设置有进行手动控制的定值设定、就地/遥控选择的钥匙开关28。
本发明之所以说它是一个平台，是因为可以在不改变其他外围硬件电路的情况下，仅通过对可编程ASIC和微处理器的编程就可以实现不同的保护功能。该平台的核心是可编程专用芯片。与传统ASIC相比，要实现可重构的硬件平台关键在于可配置IP核的设计。该结构中，尤其对于应用IP核，应方便地增加和删除实现虚拟元件的即插即用，这就要求设计的IP核的接口必须满足一定的标准一方面是保证虚拟元件之间的互联，另一方面是虚拟元件与系统的连接。系统的可重构在很大程度上取决于同一类功能虚拟元件的多少以及同一虚拟元件的可选参数情况。专用芯片由FPGA以独立模块的形式出现，不受FPGA厂商不同以及工艺不同的影响。专用芯片模块上引出了两排插针，在芯片调试时作为测试点用，在调试完成后可以定义为其他外部输入输出引脚。Lonwork现场总线接口也是以模块形式，作为选件可以选择。
申请人在该平台中采用的是低功耗的MSP430系列处理器，其FLASH工艺的编程使得在线修改程序变得非常容易，无需增加和修改任何硬件，只需将新的程序下载一次即可。因此极大地提高了应用的灵活性。
图3是构成平台的三块印刷电路板之间的连接关系。底板上的模拟信号、开关量输入信号以及继电器控制信号分别通过三条扁平电缆和主板相连，主板和底板之间有金属板隔离。键盘显示板和主板之间也有一条扁平电缆连接，通常将键盘显示板安装在装置的面板上。
图4是键盘显示板的原理图，J2连接液晶显示器21，J4连接主板。
图5是主板中专用芯片和A/D以及多路转换器接口，图中U11、U12是八选四多路转换器，通过专用芯片控制，同时提供八路模拟信号到A/D转换器U13进行转换，得到14位转换结果。
图6中U2是微处理器2，这里选用的是TI公司的MSP430F149，内有48K FLASH-ROM，工作时钟为12M。
图7是专用芯片1对外的接口信号，包括数据采集控制、和CPU接口、开关量输入、继电器和LED指示控制输出、通讯等。
图8是现场总线LonWorks和微处理器2的接口原理，其核心是神经元芯片U19，内有三个处理器分别用于网络处理、网络接口和用户应用程序。这里采用的是双绞线收发器，通讯速率可达78K。
图9中包括了两个串行通讯接口一个是标准的U21对应RS232，一个是U6对应RS485。U8、U9是两个I2C器件，分别用于EEPROM和日历时钟。U3是一个看门狗电路芯片，同时也是测频信号的整形电路。U22-U24完成工作在不同电平芯片的信号转换。
图10中的CON5是控制继电器的连接插头，CON6是开关量输入的连接插头，CON3是模拟量输入的连接插头。
图11是和开关量输入相关的原理，为了提高抗干扰能力，除了采用光电隔离以外，还在每个开关量输入通道上增加了磁珠L1A-L16A；在开关量输入的电源上接了全波整流模块CON13，为的是开入信号交直流通用，接入的厄流圈T1是为了提高抗干扰性能。
在图12中，继电器输出驱动采用的是光继电器元件，直接驱动继电器。在继电器的触点处加有电弧吸收电路。
图13是模拟信号的调理部分，电压互感器前端增加厄流圈的目的是提高高干扰能力，放大器的反馈电阻也都选用精密电阻代替了常规的电位器，由此造成的各通道的之间的固有差异由软件通过设置各通道不同系数的办法进行修正。5.2平台的硬件设计概述基于平台的硬件设计是当今产品开发的理想途径。个人计算机的硬件结构树立了基于平台硬件设计的典范。它的快速发展和普及很大程度上取决于其平台的开放性和灵活性。在智能化电器的硬件设计领域大家也在追求一种高性能价格比的开放式硬件设计平台。十几年来国内外在这一领域都做了大量的研究。但这些平台都是基于微处理器实现的，即使DSP也无法克服MCU本身所固有的一些缺点。其硬件结构是固定的，功能的改变需要通过修改和更换软件程序才能够完成。当硬件结构需要调整时，哪怕是局部的修改也要从重新设计印刷电路版(PCB)开始，这是非常费时费力的，影响了新产品的上市时间。因此，一种开放式的，在线可重构的硬件设计平台就非常有意义。多年来，一般认为软件在执行算法，特别是复杂算法时，有最好的灵活性和最低的成本，而硬件提供快的速度和较高的成本，软件设计要花费较多的设计时间和实现时间。可配置逻辑改变了这些观点，虽然可配置逻辑器件要比掩膜编程的门阵列贵，但是它允许设计者实时地动态变更硬件，重复利用逻辑门而改变对成本的考虑，使硬件以软件的灵活性进行加速，因此硬件和软件之间的界限似乎也变得模糊了。它不仅可以在无需重新设计印刷电路板的情况下实现实时修改电路功能的目的，而且这一修改可以在不影响系统工作的情况下完成。不仅其功能可以修改，整个硬件的结构在一定程度上也可以在线重构。作为更进一步，甚至可以实现远程重构和故障的远程诊断与修复。从速度来说，它通过并行硬件处理，可以实现当今单片机难以实现的复杂保护算法。例如，作为当今研究热点的行波保护，其频谱主要分布在10KHz到100KHz之间，其保护算法要求数据采样速率达到每周300点以上。
由上可见，在智能电器的设计中引入平台化的设计思想顺应了实际应用场合的需要，满足了用户和生产厂家长远的经济利益和技术要求。5.3平台的构成在已经设计完成智能化电器专用芯片的设计基础上，充分利用FPGA的可再编程度特性，配以相应的外围接口电路就可以构成结构和功能均可重构的硬件设计平台。本发明的平台结构如图1所示，它主要由三部分构成第一部分是可编程专用芯片(ASIC)，它由FPGA构成，以独立元件的形式和系统接口；第二部分是FLASH工艺的RISC微处理器；第三部分是相应的外围接口电路(电流、电压互感器及其信号调理；继电器控制及输出；开关量输入；键盘显示；日历时钟等)。之所以称其为平台，是因为在这样一个构架下，只要对有关器件合理编程，就可以满足电力系统自动化对智能单元的一系列要求，开发出系列产品。
该平台的核心是可编程专用芯片。与传统ASIC相比，要实现可重构的硬件平台关键在于可配置IP核的设计。该结构中，尤其对于应用IP核，应方便地增加和删除实现虚拟元件的即插即用，这就要求设计的IP核的接口必须满足一定的标准一方面是保证虚拟元件之间的互联，另一方面是虚拟元件与系统的连接。系统的可重构在很大程度上取决于同一类功能虚拟元件的多少以及同一虚拟元件的可选参数情况。例如，数字滤波模块应该可以选择FFT、卡尔曼滤波器、小波变换等。FFT算法本身可以选择输入数据的点数例如从8点到1024点以及每一个点的长度等；每个保护模块允许选择输入数据来自哪个通道、是取基波数据还是取高次谐波数据、给定的定值是第几个定值、保护使能信号来自哪里等；实时多任务(real time operating system，RTOS)调度模块则要通过设置控制给每一个保护算法提供相应的数据，一旦增加或删除一个保护算法模块，除了要对相应的保护模块进行设置以外，还要设置任务调度模块，确定各任务的优先级和保证相应任务与该任务需要的数据信息协调一致。其他模块如通讯模块中不但要实现物理协议还要实现相应的用户层的通讯规约。这样一来，以往组态软件的概念在硬件设计中得到了应用，我们不妨就叫做“组态硬件”。
从实现的芯片来说，考虑到是通用平台就不能仅限于使用同一家公司的产品，应该支持不同公司不同系列甚至不同工艺的可编程芯片产品。因此，为该平台制定一个外部接口标准是很有必要的，使得改变FPGA芯片的规模和更换不同厂家的产品等都不影响和系统的接口。届时只需修改新的芯片的设计部分，硬件平台电路不变。一个典型的芯片外部接口定义，其中包括16路模拟量A/D接口部分、24路开关量输入、16路继电器输出、16个指示灯或其他开关量的输出，测频输入以及芯片和外部处理器的接口等。
在该平台中第二部分是低功耗的MSP430系列微处理器，其FLASH工艺的编程使得在线修改程序变得非常容易，无需增加和修改任何硬件，只需将新的程序下载一次即可。因此极大地提高了应用的灵活性。
第三部分的电流、电压互感器及其信号调理；继电器；以及开关量输入等集成在同一块印刷电路板上作为底板，外部接线端子直接固定在底板上。LONworks现场总线接口和专用芯片都以独立小板以插针硬连接的方式和主板连接，主板是四层印刷电路板设计，除此以外还包括微处理器、通讯接口、键盘显示接口、A/D接口芯片、日历时钟、看门狗等。键盘和显示均安装在面板上。主板和面板以及底板之间通过扁平电缆连接。
根据不同的需要可以对该平台中的专用芯片和FLASH微处理器进行不同的编程。5.4硬件设计平台重构的方法该平台中可以编程的元件有两个，一个是基于FPGA的专用芯片另一个是FLASH工艺的CPU。以往编程只能改变软件部分，在该平台通过对专用芯片编程可以改变硬件电路的结构和引脚的功能。就可以很方便地扩充开关量的数量等。
根据FPGA芯片工艺的不同，芯片重构(编程)的方法也相应地不同基于RAM的FPGA的重构可以选择外部ROM也可以直接连接计算机使用JTEG接口，其最大特点是即使系统工作时可以在线修改芯片的布局，这尤其适合自适应继电保护的场合；基于FLASH工艺的芯片，可以通过相应的编程器在线修改也可以离线编程；基于反熔丝结构的芯片的编程则只能通过编程器离线编程。
FLASH工艺的CPU则可以直接通过JTEG接口在线修改。
这样，可以根据设计目的不同分别对专用芯片和CPU分别进行编程。只要设计上使得二者协调一致、分工明确，不同的重构组合可以满足多种设计需要。5.5平台的典型应用本发明的智能电器可重构硬件设计平台，通过对专用芯片1和微处理器2的不同编程，分别可以有以下几种典型应用a.专用芯片1用于低压保护的片上系统；b.用于中、低压系统的保护方案；c.专用芯片1用作协处理器；d.实现智能电器软装配。
该平台的最大特点是其配置的灵活性，和数据处理的快速性。有数据表明，用FPGA实现FFT是当今技术中最快的，在100M时钟下实现一个1024点的FFT算法需要的时间少于50μs。因此，在智能化电器领域通过重构可以分别实现下列不同功能。
a).用于低压保护的黑匣子片上系统装置以黑匣子方式工作。专用芯片完成系统的所有功能，无需微处理器芯片，可配备反时限保护和速断、限时等定时限保护功能。芯片设置串行口和外部通讯，由芯片完成通讯规约。通过和上位机软件通讯，完成定值的设定，和遥测遥信遥控等功能。该方案的最大特点是简单、成本底、可靠性高。
b).用于中、低压系统的保护方案ASIC芯片完成数据采集、数据处理(FFT)、任务调度、和保护算法以及故障录波等主要任务；微处理器只完成和人机界面相关的工作，通过和微处理器并行接口，完成内部数据的交换。该方案由于CPU承担了人机界面和部分自检工作，SOC更侧重于保护功能的实现，尤其适合35KV及其以下电压等级的各种设备保护的实现。是目前基于微机保护产品的替代方案。由于微处理器的灵活性，对外通讯的接口可以灵活配置，可以选择流行的现场总线接口或以太网接口等构成变电站自动化系统。
c).专用芯片用作协处理器复杂的保护算法通常是数据采集频率高、数据处理量大，因此，可以利用ASIC具有高速数据处理能力的特点，将处理结果以并行的方式和CPU通讯，由CPU完成保护判据和控制跳闸等操作。例如，有人提出了小波算法在变压器保护中的应用，该方案是这一需求的理想解决办法。另外，最近对电网电能的供电质量检监测也越来越受到人们的关注，通常的做法是基于DSP单独开发一个供电质量检测仪，也有人试图开发供电质量监测与保护一体化的装置，但由于受到微处理器速度的影响，仅能实现32点的数据采样，这和完美的供电质量检测的要求还有差距。本方案则可以很好的满足这一要求，因此，这也是实现保护和供电质量检测一体化的理想方案。
d).实现智能电器软装配所谓软装配，就是智能化电器产品的硬件是通用的，根据构成变电站自动化系统的不同现场进行功能的配置，使得装置执行不同的功能。这事实上也是人们常说的在系统可编程技术ISP(In System Programming)在变电站系统中的应用。作为更进一步，可以实现远程装配和故障的远程诊断和远程修复。5.6具体实施例一个基于平台设计的线路保护单元根据前述的应用思路，采用本发明的基于智能电器专用芯片的硬件平台设计了JSY2000-ASIC线路保护单元，并给出了具体电路结构。
该设计按照以上提到的方案b进行，专用芯片利用Altera公司出品的FPGA来完成实现，完成数据采集、数据处理、保护控制，任务调度等。对外人机界面等由TI公司出品的FLASH型超低功耗单片机MSP430F149完成。包括9键标准键盘，320×240点阵的液晶显示屏，Lonworks、RS485和RS232通讯接口等。整机性能测试达到了GB/T7261-2000规定的各项指标要求。
主要功能与特点JSY2000-ASIC线路保护单元的功能包括a.计量功能精确计量三相电流、三相电压(0.2级)、电源频率(±0.02Hz)等参数。可以计量指定通道的16次以内谐波值(1级)。
b.保护功能保护功能有速断、限时速断、过电流、过负荷、低周减载、重合闸(带后加速跳)、零序电流、零序电压等。
c.通讯功能可以以标准232/485或Lonworks现场总线和上位机通讯，完成遥信、遥测、遥控、遥调的“四遥”功能。
d.控制功能通过面板可以完成断路器的分、合操作以及系统参数的设置功能。
另外可以通过硬件锁开启或关闭遥控开关分合操作，或进行保护定值设定，模拟量通道系数整定，保护功能投退以及系统设置的设定。该保护单元可以储存并显示20条SOE事件记录，实时显示线路模拟量值，电流电压谐波柱状图以及线路定义开关量的实时状态。
本保护单元的主要特点在于a.采用微机保护专用芯片用硬件实现了以往软件实现的功能。芯片集成了保护、控制、计量、监视、通信组网等多种功能。采用了模块化的设计思想，功能配置，扩展方便。
b.通过硬件锁进行切换就地、远方和设置的三种工作状态。有效地保证了对系统各项参数修改的权限。
c.强大的通讯功能。具有RS232、RS485标准接口。另外还配有Lonworks现场总线接口，必要时还可以扩充以太网接口。
d.自诊断和监测功能。为了提高系统的可靠性，提供对各种状态的监视功能，包括模拟量，谐波分量，开关状态，系统开关量的实时显示。另外，除了系统硬件自检外还设计了保护定值，通道系数等关键参数的定时自检。
e.人机界面友好。使用320×240图形LCD显示屏，菜单方式提示操作。
通用功能键与特殊功能键结合，可以快捷的在各个功能画面之间切换。另外，系统对用户的部分操作具有记忆功能，根据系统记忆提供多种简化操作步骤的方式。
系统提供的人机界面功能分为10个部分1)显示一次系统图显示内容包括单元站号，开关状态，系统时间，测量值Uab，Ucb，UO，Ima，Imb，Imc，IO，f和脉冲电度计数值，当前保护功能速断，限时，过流，低周，重合闸的投退状态。一次系统图可以全面反映保护单元控制的线路的总体状态。所有的显示量都随时间刷新或随用户设置相应改变，保证显示的为实时信息。界面如图4.1。
2)示事件记录表本单元可保存显示最近记录的20条SOE事件，每条事件记录包括事件类型，时间以及动作值。每屏显示10个记录，通过上下键切换新旧记录。
3)柱状图和数值方式共同显示高次谐波单元可显示10个通道的16次以内谐波柱状图。谐波柱状图随时间刷新，每秒刷新一次。
4)显示开关量列表本单元可以监视32路开关量的状态。
5)定值设置可以对21个保护定值进行设置。通过方向键选择要修改的定值以及修改数字值，通过确认键切换。系统对各保护定值的设定结果进行自动复核，避免用户错误输入非法定值。开启硬件锁才能进入定值设置的功能。而且，设定完毕需要再次确认才能生效。这样充分的保证了修改定值的可靠性。
6)通道系数整定整定系数功能可以调节系统互感器以及各模拟量通道系数。
7)功能投退可以设置单元的11种保护功能的投入与否。
8)系统设置内容包括对站号，时间，通讯口，通讯速率的选择设置。修改权限也和保护定值的要求相同。
9)分合闸操作分合闸操作，需要开启硬件锁，进入本地控制功能。然后，通过专门的分，合键操作。而且系统要求操作人员对分，合命令进行确认，避免不必要的误操作。另外，系统还根据操作的不同，显示相应的提示信息。
10)通讯本单元提供两种通讯方式，分别是标准RS232/RS485和Lonworks现场总线接口。用户可以根据实际情况选择不同的通讯口组网与上位机通讯。
权利要求
1.智能电器可重构硬件设计平台，其特征在于，该智能电器可重构硬件设计平台包括三部分构成1)一由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片1该可编程专用芯片1具有系统接口；系统接口上可连接微处理器2，存储器3，A/D转换器4，输出驱动模块5，看门狗电路6，测频整形电路7，开关量输入隔离电路8，多路转换器9；2)RISC微处理器2该微处理器主要和以下器件相连接连接的有键盘显示接口10，LONworks现场总线接口11，串行通讯接口12，EEPROM13，存储器3，看门狗电路6，日历时钟14，JTAG接口15；3)其他外围接口电路一连接在键盘显示接口10上的键盘显示板31；该键盘显示板31上连接有键盘20，钥匙开关28，LED指示灯22，液晶显示控制器27；液晶显示插座26；该液晶显示插座26上连接有液晶显示器21；还有电流互感器16、电压互感器17经过信号调理34调理后，通过模拟量输入接口22输入至多路转换器9；输出驱动模块5通过继电器控制插座25连接有一继电器19；开关量输入插座23；经过开关量输入隔离电路8和可编程专用芯片1连接；4)所有元件分装在底板29、主板30、键盘显示板31三块印刷电路板上，电路板之间靠扁平电缆连接。
2.如权利要求1所述的智能电器可重构硬件设计平台，其特征在于，由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片1采用可编程ASIC技术基于平台的方法进行设计，只要改变其相应IP核的参数或改变或增加保护算法，就可以开发出针对线路、变压器等不同电力设备保护的系列继电保护专用芯片。
3.如权利要求1所述的智能电器可重构硬件设计平台，其特征在于，由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片1可以是不同公司的产品，芯片的编程工艺也既可以是基于RAM也可以是基于FLASH或反熔丝结构，对芯片的编程方式可根据芯片的工艺不同选择JTAG下载或通过编程器对芯片或外部ROM进行烧写。
4.如权利要求1所述的智能电器可重构硬件设计平台，其特征在于，看门狗电路6由RISC微处理器2产生喂狗信号；看门狗6的输出信号直接和专用芯片1以及微处理器2的复位端连接；微处理器2和所述专用芯片1之间采用并行方式交换信息；输出驱动模块5直接可以驱动继电器19；所述A/D转换器4和多路转换器9直接由专用芯片1输出的时序控制进行数据采集；存储器3为微处理器2和专用芯片1所共同使用；专用芯片1连接的测频整形电路7的输入端和电压互感器17的输出相连。
5.如权利要求1所述的智能电器可重构硬件设计平台，其特征在于，RISC微处理器2采用FLASH工艺，可直接通过JTAG接口对其进行编程，通过和专用芯片1的编程配合，可以使平台满足从低压到超高压各电压等级不同设备的保护需求。
6.如权利要求1所述的智能电器可重构硬件设计平台，其特征在于，RISC微处理器2和以下器件相连接，LONworks现场总线接口11是一个独立的插件，可以作为系统的选件；串行通讯接口12可以是通用的RS232/RS422/RS485；日历时钟14是I2C接口器件并带有后备电池；EEPROM13是I2C串行接口器件；RISC微处理器2通过JTAG接口15可直接连接计算机进行编程；所述键盘显示接口10通过键盘显示插座24和键盘显示板31用扁平电缆连接。
7.如权利要求1所述的智能电器可重构硬件设计平台，其特征在于，其他外围接口电路中的模拟量输入不局限是电流互感器、电压互感器等电量信号，也可以是温度、湿度等其他非电量传感器信号。
8.如权利要求1所述的智能电器可重构硬件设计平台，其特征在于，底板29、主板30、键盘显示板31互相独立，它们之间通过扁平电缆连接，主板30和底板29之间设有金属板屏蔽，键盘显示板31安装在装置外壳上。
9.如权利要求8所述的智能电器可重构硬件设计平台，其特征在于，键盘显示板31上设置有进行手动控制的定值设定、就地/遥控选择的钥匙开关28。
全文摘要
本发明公开了一种智能电器可重构硬件设计平台，该智能电器可重构硬件设计平台包括三部分。包括1)由FPGA构成的作为独立元件的可编程专用芯片；2)FLASH工艺的RISC微处理器；3)其他外围接口电路。发明人提出了四种典型的重构应用例子。采用本发明的平台，申请人已完成了用于线路保护的智能电器专用芯片并设计完成了线路保护装置。最终基于该芯片设计的线路保护装置的各项性能指标通过了国家继电器质量检验监督监测中心的相关测试。
文档编号G06F13/00GK1460950SQ03114429
公开日2003年12月10日 申请日期2003年1月15日 优先权日2003年1月15日
发明者王建华, 张桂青, 冯涛, 张杭, 耿英三 申请人:西安交通大学