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毕业论文:基于FPGA和SoC的继电保护开发方法研究

发表时间:2014/3/11 13:39:52

毕业论文:基于FPGA和SoC的继电保护开发方法研究

目 录 I
摘 要 II
ABSTRACT III
前 言 1
第一章Zynq概述 3
1.1 Zynq体系概述及优势 3
1.1.1 Zynq体系概述 3
1.1.2 Zynq的四大优势 4
1.2处理器系统PS 5
1.2.1应用处理单元 5
1.2.2通用外设 6
1.3 可编程逻辑PL 6
第二章 开发平台创建 9
2.1 Zynq开发软件工具简介 9
2.2 硬件平台搭建 11
2.2.1 在PlanAhead中创建工程 11
2.2.2 在Zynq PS上添加PL部分的IP核 12
2.2.3 *ilin* Zynq交叉编译环境的安装 15
第三章 保护功能开发 18
3.1 过电流保护框架设计 18
3.1.1硬件平台简介 19
3.1.2软件体系简介 20
3.2模块初始化程序的编写 20
3.2.1 PS GPIO跳闸出口初始化 21
3.2.2 GPIO和EMIO端口的方向配置 21
3.3过电流保护程序的编写 22
3.3.1过电流继电器 22
3.3.2 I段过流保护程序 22
3.3.3 信号的读取与处理 23
3.4 结果展示 23
第四章 探索基于Zynq的智能电子设备框架设计 25
结语 28
致谢 29
参考文献 30
附录 31

摘 要
电力系统经过数百年的发展后,现代电力系统具有紧密的联系,稳定的安全控制,高度现代化的通信系统等技术特点,因此对继电保护设备的要求逐步提高,高可靠性和高灵敏性的继电保护设备需求很大。随着智能电网的蓬勃发展,数字化变电站的也逐渐兴起,数字化变电站的特点在于实现了过程层设备的数字化,整个站内信息的网络化,以及开关设备实现智能化。传统嵌入式工具MCU,DSP,FPGA各有优劣,不能完全满足数字化变电站的对高速通信,快速处理等方面需求。新型的嵌入式工具Zynq则集成了上述三种工具的优势,较好的满足了数字化变电站的需求。Zynq在结构上是由ARM和FPGA构成,并且外加丰富的外设。ARM模块可实现高速的数据处理,
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cessor system (PS) , achieving filtering and the ethernet communication function in the programmable logic (PL). So ,the overcurrent protection development based on Zynq is realized. On this basis, A more in-depth e*ploration and research studying the construction of intelligent electronic devices (IED) which is based the Zynq and applicable to digital substation.will be set up.

Keywords: Zynq; Digital Substation; IED
前 言
随着现代电力系统的发展,为了保证电网运行的安全、稳定、经济,智能电网的研究成为重要课题。数字化变电站作为智能电网的重要组成部分之一,也得到广泛的重视。数字化变电站是由智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建,建立在IEC61850通信规范基础上,能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。
数字化变电站的主要特点有六个方面:一是变电站传输和处理的信息全数字化。二是过程层设备智能化。三是统一的信息模型:数据模型、功能模型。四是统一的通信协议:数据无缝交换。五是高质量信息:可靠性、完整性、实时性。六是各种设备和功能共享统一的信息平台。
基于数字化变电站的智能电子设备的开发平台主要有MCU,DSP和FPGA等。MCU又叫微控制单元,低成本,低功耗,易于编程,可靠安全,但性能有待提高;DSP称为数字信号处理,易集成,受环境影响比较小,支持多处理器,性能强大。但不提供数模转换器,可处理的频率范围也有限;FPGA称为现场可编程逻辑门阵列,FPGA具有强大的数据并行处理能力,处理器可以使用硬核或软核实现,但其性能不高,无法满足大系统的要求。
Zynq的出现则集成以上几种平台的优势,克服了其弱点。双核的ARM Corte*-A9处理器比市场上传统的A9处理器性能十分强大,开发工程师可以利用可编程逻辑(FPGA)实现强大的数据并行处理功能,高速A*I-4总线则可轻松实现外设的扩展与系统和可编程逻辑之间高速互访。并且内嵌了DSP没有的数模转换器。Zynq的出现是个伟大的进步,在世界范围内的嵌入式市场引起震撼。
Zynq作为一个可定制的硬件平台,有两种设计方法,第一种是完全不用FPGA,只是依靠单纯的ARM内核实现设计功能。但此种设计无法体现出FPGA在并行处理方面的优势,浪费了Zynq的一大优势。还有一种为软硬件结合的设计方法,设计出的智能电子设备能够集成Zynq的所有优势。
在*PS中配置硬件平台时,可根据设计需求配置不同的硬件参数和结构,硬件的定义十分简单,而且只是简单的操作。硬件配置完成后,PlanAhead会自动生成板级支持包BSP。将硬件导入到SDK软件后,可以有两种设计选择,第一种是基于嵌入式Linu*的程序编制,另一种基于裸机的程序编制。由于Zynq具有双ARM内核的结构,可以对两个内核进行分工,分别完成不同的功能,双内核的配合工作将在一定程度上提高设备的处理能力。
基于Zynq的智能电子设备能在很大程度上满足数字化变电站的需求,本次毕业设计研究基于Zynq的保护程序的设计,进而探索适用于未来数字化变电站的基于Zynq的智能电子设备的框架设计方法。
本次毕业设计在充分认知Zynq体系结构的前提下,了解其开发流程,熟悉开发软件ISE Design Suite的使用,并结合过电流保护的原理,在Zedboard开发板上实现最简单的过电流保护程序设计,并以此为基础,探索基于Zynq的智能电子设备框架的设计。
基于Zynq的智能电子设备比之任何智能设备具有极大的优势,必将在未来的数字化变电站中得到广泛的应用。

第一章Zynq概述
1.1 Zynq体系概述及优势
1.1.1 Zynq体系概述
当前嵌入式设计发展迅猛,有很多需求无法被现在的产品满足。现在的产品包括单个处理器,单个ASIC,ASSP或者单纯的FPGA方案,甚至这些方案的组合也无法满足需求。根据市场调查显示,全新的嵌入式设计产品(比如汽车驾驶员辅助系统,智能视频监视,先进的工业控制,先进的工业遥测,先进的工业制导,企业级的工作站,广播级的摄像机,多功能打印机,航空航天电子等应用)设计到2014年预计市场总价值达到127亿美元。
深入了解下一代嵌入式处理器的需要,会发现提高性能,减少成本,降低功耗,缩小外形,增加灵活性是主要需要。现有方案的局限性也是相当明显的,例如现有的微处理器缺乏足够的信号处理能力,需要多芯片方案搭建下一代的处理器系统。多芯片方案成本较高,功耗大,占用更多的空间,不利于缩小外形,同时如果采用现有的ASIC和ASSP方案,更新换代的速度或者说差异花的能力都会受限,不能适应快速变化的需求,也很难提供差异化的竞争优势,这些局限性使我们看到了下一代处理器所需要解决和应对的问题。在市场的推动下,为了满足下一代应用处理的需求,*ilin* 定义了Zynq-7000系列产品,他们都是高性能低功耗的处理器平台,是灵活和可扩展的解决方案。
如图1-1所示上面的部分便是ARM部分,我们称之为Processing System, 简称PS。下面的便是FPGA部分,我们称之为Programmable Logic,简称PL。
Zynq-7000系列的亮点在于它包含了完整的ARM处理子程序,每一颗Zynq-7000系列的处理器都包含了双核的ARM Corte* A9处理器,整个处理器的搭建都以处理器为_,而且处理子系统中集成了内存控制器和大量的外设,使得ARM Corte* A9处理器在Zynq-7000中完全独立于可编程逻辑单元,也就是暂时没有用到FPGA部分,ARM处理器的子系统也可以独立工作,这与之前的FPGA处理器有本质区别,其实以处理器为_的。另外在可编程逻辑部分是紧密的与ARM的处理单元相结合。FPGA的部分用于扩展子系统,其有丰富的扩展能力,有超过3000个内部互联,连接资源非常丰富,可提供的10Gb/s以上的带宽。另外在I/O接口方面,FPGA的优点是I/O接口可充分定义,并在FPGA部分集成高速串行口。同时也集成了数模转换器(*ADC)。




A*I 总线


图1-1 Zynq 简易结构框图
Zynq的开发板Zedboard的简易结构框图如图1-1所示。
1.1.2 Zynq的四大优势
一是成本和功耗上的优势:虽然Zynq中集成了完整的带有NEON及双精度浮点引擎的双核 ARM Corte*-A9 MPCore 处理系统,但是为了控制功耗,*ilin*选择了将单核的工作频率定在800Mhz的水平。“配合单/双精度浮点运算,可实现比市场上传统的A9处理器更高的性能。同时功耗和价格也具有极强的竞争力。比如最低款的Zynq-7010,功耗仅为2W,价格约为15美元。除了有双核的A9外,外围还有30K的LC,峰值DSP可达50GMACS,“该系统通过硬连线完成了包括L1,L2 缓存、存储器控制器以及常用外设在内的全面集成。不仅能在开机时启动并运 ……(未完,全文共22590字,当前仅显示4063字,请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文:基于FPGA和SoC的继电保护开发方法研究》