智能电器可重构硬件设计平台制造技术

本发明专利技术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。发明专利技术人提出了四种典型的重构应用例子。采用本发明专利技术的平台，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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。本专利技术的其他一些特点是本文档来自技高网...

【技术保护点】
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】，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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王建华，张桂青，冯涛，张杭，耿英三，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]