可编程逻辑阵列（通用6篇）
可编程逻辑阵列 篇1
单粒子效应是空间单个高能粒子、质子、重离子或中子轰击微电子器件, 导致微电子器件逻辑功能翻转或器件损坏的事件[1], 空间辐射环境中的高能质子、重离子等都能导致航天器电子系统中的半导体器件发生单粒子效应, 严重影响航天器的可靠性和寿命[2,3]。在FPGA器件用于空间领域时, 如何抵抗单粒子翻转效应, 成为FPGA芯片在太空应用中的关键[4,5]。为了评估FPGA芯片的抗单粒子翻转性能, 提出了一种用于FPGA的单粒子翻转试验系统, 并对其系统架构和评估效果进行了设计和研究。
1 试验系统架构
设计的单粒子翻转试验系统主要包括高能辐照离子源、信号传输线缆、电源、PC上位机、远程控制笔记本电脑和辐照试验板等, 整个测试系统示意图如图1所示。高能辐照离子源用于模拟空间环境中的高能粒子对被测芯片的攻击过程;信号传输线缆用于实现上位机和辐照试验板之间的通信;电源用于给整个试验系统供电;PC上位机用于控制辐照试验板, 并显示和保存实验数据;远程控制笔记本电脑用于远程操控PC上位机, 便于在单粒子靶室外对PC上位机进行控制。
辐照试验板主要包括电源模块、通信接口电路、主控FPGA芯片及其FLASH配置片、待测FPGA芯片若干片等。单粒子翻转测试现场所使用的辐照试验板实物图如图2所示。其中电源模块为主控FP-GA芯片及其FLASH配置片、待测芯片、通信接口电路供电;主控FPGA用于对被测芯片进行控制, 发送测试激励并比对输出结果;FLASH配置片用于存储主控FPGA的配置信息;通信接口电路用于实现与上位机通信, 通常采用RS442标准, 以提高传输可靠性;待测芯片包括多个某款反熔丝型抗辐照FP-GA原型验证芯片, 这些被测芯片在进行单粒子翻转试验前已经被编程配置成不同长度的移位寄存器的电路功能。根据高能辐照离子源覆盖面积的大小, 主控FPGA芯片与被测芯片之间应相隔一定距离 (例如5 cm) , 避免主控FPGA受到单粒子攻击。
2 试验系统原理与过程
2.1 试验原理
本文所提出的单粒子翻转试验系统的SEU测试原理图如图3所示, 其中辐照试验板 (DUT board) 包括主控FPGA (control chip) 和被测芯片 (DUT chip) , 以及其他通信和控制电路。主控FPGA用于向被测芯片发送测试数据序列 (data_in) , 并将该测试数据序列在主控FPGA内部进行自动移位存储, 移位存储的数据链长度与被测芯片中的移位寄存器链长度相等。
在单粒子攻击条件下, 主控FPGA将本身内部自动移位存储的正确的测试数据系列 (data_bypass) 与被测芯片相应移位寄存器输出端的数据 (data_out) 进行比对, 如果相同则判定没有发生SEU事件, 如果不同则判断发生SEU事件一次, 并统计翻转性质, 即判定1到0的翻转还是0到1的翻转。如此循环测试, 直到数据比对次数达到主控FPGA数据保存极限时, 则将测试计数结果通过串口发送到PC上位机, 并打印显示保存起来。发送完毕后重新开始上述比对过程, 如此循环。PC上位机通过片选指令控制辐照试验板对不同的被测芯片进行测试。
整个测试过程的波形示意图如图4所示。主控FPGA与被测芯片使用相同的时钟CLK, 时钟频率可以通过PC上位机进行调节。主控FPGA向被测芯片发送的测试数据序列为伪随机序列。根据被测芯片中移位寄存器链的长度, 主控FPGA内部自动生成与其等长的移位寄存器链, 用于保存正确的测试数据序列, 以实现正确数据与被测芯片输出数据的比对。
2.2 试验过程
试验流程图如图5所示。
首先, 连接好整个试验系统, 辐照试验板上电, PC上位机向主控FPGA下达开始测试和片选信号, 主控FPGA向被选中进行测试的被测芯片发送测试数据激励, 并检测记录测试数据输出状态。
其次, 开启高能辐照离子源, 对准被选中进行测试的被测芯片进行单粒子攻击, 主控FPGA芯片对被测芯片中移位寄存器输出的数据与正确数据进行比对校验, 判定是否发生数据翻转错误, 并进行记录。达到主控FPGA数据保存极限时, 则主控FPGA向PC上位机发送发生翻转错误的相关信息;每一轮校验和通信结束后, 则循环进行相同测试过程, 直到上位机发送测试结束指令或者新的片选指令为止。
3 试验结果分析
运用本文所提出的试验系统, 对某款FPGA芯片进行了单粒子翻转试验, 其中的高能辐照离子源使用的是中国原子能科学研究院的HI-13串列静电加速器的加速后的Br离子 (LET值为37 Me V-cm2/mg, 硅中射程为30.4μm) , 试验统计得出的数据见表1。
根据试验数据得出的统计结果如图6和图7所示。由图6所示的试验结果可知, 被测芯片在配置功能相同的条件下, 高能Br离子注量率越低, 翻转概率越低;由图7所示的试验结果可知, 在总注量相同的条件下, 移位寄存器链长不同的待测芯片, 其触发器资源占用越少, 即移位寄存器长度越短, 则翻转概率越低。
试验结果表明, 本文所提出的用于FPGA的单粒子翻转试验系统可以通过改变离子注入量以及芯片功能, 有效检测不同辐照条件下被测FPGA芯片的抗SEU性能。本试验系统可用于抗辐照FPGA器件的研制和选型, 试验过程简便, 测试结果可靠。
4 结束语
通过上述实验研究, 提出了一种用于FPGA的单粒子翻转试验系统。利用该试验系统, 对某款FPGA芯片进行了单粒子翻转试验, 有效评估了该款FPGA芯片的抗单粒子翻转性能。该试验系统对正确选用和研制FPGA器件具有重要参考价值。
摘要：单粒子翻转 (SEU) 试验是测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的重要方法。提出了一种用于测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的试验系统;该系统通过比对待测FPGA芯片输出数据序列和正确数据来判断是否发生数据翻转。如果发生数据翻转, 则进一步统计翻转次数和翻转性质, 从而能够较全面的测试FPGA芯片的抗单粒子翻转性能。运用该试验系统对某款FPGA芯片进行了单粒子翻转试验, 测试结果显示该试验系统能够正确评估被测芯片的抗单粒子翻转性能。
关键词：单粒子翻转,可编程逻辑的阵列,试验系统
参考文献
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可编程逻辑阵列 篇2
基于上述考虑,设计了一款基于可编程计数阵列和最小二乘法的八位模数转换器。该模数转换器充分利用了微控制器内部的软硬件资源,外部只使用一个普通运算放大器和一个RC低通滤波网络,并使用最小二乘法建立了量化数学模型。
1 系统工作原理脉宽调制分析
把脉宽调制(PWM)波形看作周期为T1、脉冲宽度为t0、幅值为E的周期性因果矩形脉冲序列,其傅里叶级数展开式和傅里叶变换见下式[4]:
undefined
undefined
由式(1)可知,PWM包括直流成分、基波和各次谐波。由式(2)、(3)可知,各次谐波以2π/T1为间隔,按Sa()函数呈衰减状态变化。如果滤掉式(1)中的基波和各次谐波,只保留直流成分,可以将式(1)简化为式(4)。在E和T1一定的情况下,式(4)中f(t)的大小与脉冲宽度t0成正比,通过改变t0的大小,可以控制PWM直流成分的大小。由式(3)可知,PWM的频率越高,各次谐波的间隔越大,越有利于滤波。
1.2 系统工作原理
图1是系统工作原理图。一定脉冲宽度的
PWM波通过低通滤波器后得到V1,由式(4)知,V1≈E(t0/T1)。将V1信号加到运算放大器的反相输入端。Vin为待测模拟信号,加到运算放大器的正相输入端。随之PWM脉冲宽度t0由小到大不断变化,V1的值也不断增加。在V1=Vin时刻,运算放大器的输出端Uo由高电平跳变为低电平,将此时t0的值带入式(4),可以得到Vin=V1≈E(t0/T1)。通过这种方法,可以将测量Vin大小的问题,转化为求解PWM脉冲宽度t0的问题。由式(4)可知,E、T1和t0的精度直接关系到Vin的测量精度,测量最小分辨度ΔV=E/T1。
2 系统电路设计
2.1 可编程计数阵列
SST系列微控制器集成了可编程计数阵列(PCA),PCA是由5个十六位捕获/比较模块组成的特殊定时器,每个模块都可编程实现捕获、软件定时、高速输出及PWM调制等工作模式。PCA的5个模块共用一个十六位定时/计数器作为定时基准,采用可编程时钟源,具有精确定时/计数优势。
图2是PCA的PWM模式工作原理。在八位定时/计数器CL计数过程中,八位比较器不断比较CL与CCAPnL寄存器的值:当CL
2.2 低通滤波器设计
由R、C构成的低通滤波器,其电路简单、抗干扰性强、有较好的低频性能,易于选用标准的阻容元件实现,被广泛应用到各种滤波电路中。一阶RC低通滤波器的系统传递函数如下:
H(jω)=1/(1+jωRC) (5)
其截止频率位于1/2πRC处。当PWM频率为10.8kHz时,选取C1=0.1μF,R1分别取2.5、5、10kΩ进行实验,图3是R1取不同阻值的滤波效果图。图3中B线为输入一阶RC滤波器的PWM方波波形,A线为一阶RC滤波器输出波形。对比图3a、b和c可以看出:R1的阻值越大,滤波波纹越小、滤波效果越好。实验表明,当R1取值过大,会使得电容充放电时间常数过大,降低了系统的动态响应特性。实验表明,选取R1=10kΩ、C1=0.1μF,一阶RC低通滤波器的性能表现较好,能满足系统要求。
2.3 系统电路设计
系统电路如图4所示,微控制器选用SST89E516RD2,运算放大器选用LM358,R1=10kΩ、C1=0.1μF。SST89E516RD2的PCA模块1工作在PWM模式,由P1.4引脚输出PWM波,PWM脉冲幅值为+5V。PWM经一阶RC滤波器后得到Vc,Vc输入到运算放大器的反相输入端。待测电压Vin输入到运算放大器的正相输入端。运算放大器的输出端接SST89E516RD2的P1.0引脚,用于捕获LM358的输出变化。
3 数据测试与分析
根据上述分析,将式(4)中E、T1和t0分别用+5V、N=256和n=(256-CCAPnH)替代,得到Vin的计算公式(其分辨率为8位,最小分辨电压ΔV=0.003 906 25V):
Vin=Vc≈5(256-CCAPnH)/256 (6)
由于滤波器的非线性特性,使用式(6)计算的Vin只能是近似值。为了提高系统测量精度,得到能反映系统实际工况的数学模型,使用图4电路进行了抽样测试。表1是抽样测试结果和理论计算值对比,图5是系统实测与理论计算对比曲线。其中,Vin为测试输入电压,n为对应的PWM脉冲宽度,Vc测试值为PWM实际滤波后的电压,Vc为式(6)的计算值。
分析表1可知,当Vin从3.90V增加到3.95V时,对应的n从209突变到240,Vc测试也从3.87V突变到4.60V,系统线性变差。当Vin从0.10～0.39V变化时,系统波动较小,具有较好的线性表现。分析图5可知,Vin与Vc测试的两条曲线重合度较高,变化趋势一致,说明运算放大器工作在线性范围内。当Vin按0.10V增加时,n和Vc理论值也同向增加,但Vin曲线与n呈非线性关系,这是由于滤波器的非线性引起的。
4 建立数学模型
由表1知,式(6)计算的结果与实际测试数据吻合度较低,为得到可靠测试结果,提高系统测量精度,不能直接使用式(6)作为数学模型来处理测量数据,必须以表1中实测数据为依据,建立符合系统实际的数学模型。工程上对实验数据的处理方法一般采用数值插值法和数据拟合法。为提高微控制器的运算速度,降低软件的空间复杂度和时间复杂度,减少测量带来的误差,系统采用数据拟合法建立数学模型。最小二乘法是数据拟合中最常用的方法[5],其中以最小二乘多项式拟合最为适合微控制器编程实现。
4.1 最小二乘多项式拟合
已知函数f(x)有n+1个样本点(xi,fi)(i=0,1,2,…,n)。设y(x)∈Φm=span{1,x,x2,…,xm},m
y(x)=a0+a1x+…+amxm (7)
y(x)的系数a0,a1,…,am可由方程
undefined
求出。
4.2 数据拟合与分析
根据式(7),将表1中的数据进行最小二乘法拟合,得到如下的一次和二次拟合多项式:
f(x)=0.01826x-0.04188 (8)
f(x)=0.00001783x2+0.01444x+0.09576 (9)
表2是拟合误差分析表,图6是拟合多项式曲线。分析表2和图6可知,二次拟合的和方差0.001 486比一次拟合的和方差0.144 200小两个数量级,二次拟合的标准差0.006 425比一次拟合的标准差0.062 440小一个数量级,二次拟合的确定系数为1,说明二次拟合对表1中数据拟合度高,二次多项式拟合优于一次多项式拟合。故选用式(9)作为系统数学模型,分别以PWM脉冲宽度n(自然数)和待测信号Vin代替x和f(x)得到下式:
Vin=0.00001783n2+0.01444n+0.09576,1≤n≤209 (10)
5 系统软件设计
根据系统工作原理,在Keilv4平台上使用C语言编写了模数转换的软件系统,并在SST89E516RD2微控制器上进行调试和运行。实际运行表明,使用PCA的PWM模式编写的程序,比使用对软件延时方法产生PWM波形要更加简单,定时精度更高。图7是数据采集的程序流程:首先对PCA进行初始化,配置PCA相关功能寄存器,使PCA的模块1运行在PWM模式下,并启动PCA定时/计数器;然后开始检测Vin输入信号,CCAP1H从255～47不断减小(即PWM脉冲宽度n从1～209不断增加),使Vc的值从0.1V开始不断增加,直到P1.0从高电平跳变为低电平为止。如果CCAP1H<47时,还未检测到P1.0电平跳变,说明Vin超出检测范围,应停止检测,进行错误处理并结束程序。最后,计算Vin。当检测到P1.0电平跳变时,计算出PWM脉冲宽度n=256-CCAP1H,使用式(10)计算Vin的值并结束程序。在检测过程中,脉冲宽度n每增加1,程序应延时数个计数周期,以便获得稳定的滤波电压Vc。
6 结束语
笔者设计的模数转换器,使用PCA的PWM实现高精度定时。使用最小二乘法建立了系统数学模型,系统测量精确度高。在Keilv4平台上,使用C语言实现了软件部分,可移植性强。经过理论分析、仿真和实际测试,系统可完成0.10～3.89V之间的模拟信号转换,对转换信号的最小分辨度ΔV=0.018 66V,系统较好地反映了物理量的实际变化情况。设计的模数转换器在某钢化玻璃加热炉的温度采集系统上得到应用,系统工作稳定可靠。如果在图4的Vin前增加多路模拟开关即可实现多路模数转换。该设计方案电路简单、易于实现、系统稳定可靠且参数调校方便,具有较强的实用价值和推广价值。
摘要：设计了一款软硬件结合的八位模数转换器。分析了脉宽调制波形的特性,研究了可编程计数阵列的工作原理,建立了系统实现的理论模型。经过理论分析和实际测试,设计了系统硬件电路。对硬件系统进行了抽样测试,并将抽样数据与理论值进行对比研究。采用最小二乘法对抽样数据进行拟合,对拟合结果进行对比分析研究,建立了优化的模数转换数学模型。在Keilv4平台上,设计了模数转换的软件系统。在某钢化玻璃加热炉上得到应用,系统工作稳定可靠。
关键词：模数转换,脉宽调制,可编程计数阵列,最小二乘法,数学模型
参考文献
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可编程逻辑阵列 篇3
关键词：教学实践,课程建设,可编程逻辑器件,Verilog HDL语言
1 课程背景
CPLD/FPGA的应用开发是电子类和计算机工程类专业的一门重要的工具类专业课程。通过本课程的学习, 使学生在了解CPLD/FPGA内部结构原理的基础上, 掌握利用硬件描述语言Verilog HDL进行数字系统设计的方法, 掌握使用常用开发工具进行硬件电子电路系统的设计开发过程, 以适应现代电子技术发展需求, 提高学生对数字系统的研发能力。
通过该课程建设, 旨在研究并建立适应计算机工程专业方向这门课程的软硬件教学环境, 使学生在掌握Verilog硬件描述语言理论知识的同时, 更注重在实践中的应用。同时将业界最新的知识和技巧融入到教学过程中, 侧重知识的先进性和实用性, 使学生掌握当前嵌入式软件开发的精髓和开发调试技巧, 提高学生对数字系统的研发能力, 达到我校应用型人才培养的办学目标。
课程建设前的教学情况, 教学大纲比较陈旧, 不符合业界新的知识和技巧, 不能授于学生先进和实用的知识;缺乏合适实践环节的训练, 使学生难以将理论知识和实践相结合, 动手能力得不到锻炼;课件比较死板沉闷, 难以调动学生上课积极性和学知识的兴趣性。
2 教学内容设计
2.1 开发平台选择
Quartus II是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件, 它支持原理图、VHDL、Verilog HDL等多种设计输入形式, 软件还内嵌有综合器以及仿真器, 这些都可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
Verilog HDL (HDL:Hardware Description Language) 语言是一种以文本形式来描述数字电路和系统硬件结构和功能行为的高级编程语言, 用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式, 还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能行为。使用Verilog HDL描述硬件的基本设计单元是模块 (module) 。一个模块相当于一个实际的电路元件。Verilog HDL和VHDL是世界上最流行的两种硬件描述语言, 都是在20世纪80年代中期开发出来的。两种HDL均为IEEE标准。其中Verilog起源于C语言, 易学易用, 编程风格灵活、简洁, 易掌握, 而VHDL起源于ADA语言, 格式严谨, 不易学习。
如图1所示为课程实验和课程设计所用到的FPGA实验箱。
FPGA教学实验箱把分离的模块全部整合到一块FPGA教学实验箱底板上, 以该底板为基础, 充分采用模块化设计思想。该实验箱箱底板采用标准的IDC插针, 它可以可将FPGA核心模块、I/O模块、A/D模块、D/A模块通过插针连接到实验箱底板上。实验箱底板上专门开辟了一块用户自定义区域, 包括了三相D/A模块、单片机&外设接口模块、多路线性电源模块等, 极大的方便了设计者的使用。
结合本校学生特点, 本门课程实验装置采用FPGA教学实验箱, 编程语言采用类似于C语言的Verilog HDL, Quartus II软件作为开发工具软件。
2.2 教学内容规划
可编程逻辑器件应用课程教材采用北京航空航天大学出版社的《Verilog数字系统设计教程》, 要求学生在了解CPLD/FPGA内部结构原理的基础上, 掌握利用硬件描述语言Verilog HDL进行数字系统设计的方法, 掌握使用常用开发工具Quartus II软件进行电子系统的设计开发过程, 以适应现代电子技术发展需求, 提高学生对数字系统的研发能力。总学时为48学时, 其中理论课32学时, 实验16学时。理论课学时分配如下:
1) Verilog的基本知识2学时, 讲述硬件描述语言HDL概念及其分类;Verilog HDL语言的历史, 应用情况和设计方法;FPGA芯片内部结构基本原理。
2) Verilog语法的基本概念讲述2学时, 先举几个简单的例子, 引申出Verilog模块的基本概念和编程方法要求;再讲述验证Verilog模块功能正确与否的测试模块的编写。
3) Verilog语法基础知识4学时, 对Verilog语言的模块结构、数据类型、各类运算符及表达式等方面做讲解。
4) 各类语句知识8学时, 主要对条件语句、case语句、循环语句、顺序块语句、并行块语句、生成语句、结构说明语句及常用系统任务等做了讲解, 并在最后举例解释说明。
5) Verilog HDL模型的不同抽象级别2学时, 分别从门级结构和行为描述级进行举例说明, 给Verilog HDL模型的不同抽象级别建模的过程和方法,
6) 编写和验证简单的纯组合逻辑模块2学时, 主要对加法器、乘法器、比较器、多路器等几个常见的纯组合逻辑模块进行建模和验证。
7) 同步状态机的原理、结构和设计6学时, 主要讲述状态的概念和结构;Mealy状态机和Moore状态机的不同点;重点举例讲述如何用Verilog来描述可综合的状态机, 该部分是本课程的重点知识, 通过举例同学生息息相关的现实问题引申出如何描述可综合的状态机。
8) 深入理解阻塞和非阻塞赋值的不同4学时, 主要讲授阻塞和非阻塞赋值的异同、Verilog模块编程要点、Verilog层次化事件队列、阻塞赋值及一些简单的例子。
课程实验设计与学时分配如表1所示:
3 课程教学具体实施方案
1) 教学内容建设
在理论教学方面, 本课程紧密跟踪学科前沿, 及时充实教学内容, 形成教学科研互促互动。依据本课程在教学计划中的地位和课程的特点, 形成一套以应用能力培养为主的教学素材库, 主要有:
教学指导文件包括:理论课教学大纲、课程设计教学大纲、教学计划。
教材包括:理论教材和实训教材。
教与学的媒体包括:教学教案、教学课件、课程作业、教学案例、实验内容。
并建立课程重要内容的习题库和试题库, 以及进行实际应用系统的毕业设计。
2) 教学方法的改革
以现代化教学手段为依托, 以充分利用多功能教室、多媒体教室、校园网等综合应用的现代化教学手段, 实行启发式、项目式、研讨式等多种教学方法灵活应用的教学方法, 形成一套能够使抽象的内容形象化、深奥的内容通俗化的课程教学模式。
3) 加强实践环节
在课程建设中注重学生实践能力的培养。教学团队在理论课开设的同时, 利用现有实验环境, 调研行业嵌入式硬件开发要求和最新技术, 建立紧密配合理论教学内容的硬件实验环境, 并编写配套实验指导书和课程设计指导书;使学生的理论和实践相结合, 激发学生学习兴趣和实践能力的培养。
4 课程教学效果
1) 课程教学对教学质量的促进
通过该课教学, 特别利用生动的课件, 贴近实际应用的案例分析, 及灵活多变的实验教学, 使学生提高了学习《可编程逻辑器件应用》课程的兴趣, 充分了解该课在嵌入式系统设计的重要性。另一方面, 通过课程的教学使学生拓宽了视野, 学到一种全新的基于硬件电路的设计方法。大大增强了学生独立学习的能力, 学生不再满足于老师的被动教学方式, 开始主动学习, 学习效果大大提高, 学习成绩逐年提高。
2) 综合实践能力提高
课程教学打破传统的教学方式, 先举简单例子, 引申出需讲解知识点, 再综合实际应用实例讲解。整个教学过程采用实例贯穿式教学, 由浅入深, 逐步引出知识点的运用与实现。学生在学习知识点过程中这种跟实际应用实例相结合的方式, 能更好理解理论知识。另课程采用多媒体教室授课、实验室验证实验与课后习题复习相结合, 使学生的理论知识进一步与实践实验相结合, 激发学生学习兴趣和实践能力的培养。最后利用一周时间, 让每个学生在FPGA实验箱上设计一个较大型、综合性的可编程逻辑控制器, 加深学生对本课程专业知识和理论知识的认识和理解, 提升学生应用本课程知识体系, 进行应用系统硬件、软件开发的能力, 培养了学生的综合实践开发能力。
5 结语
本课程是计算机工程方向专业学生的重要的专业必修课。通过本课程的学习, 使学生在了解CPLD/FPGA内部结构原理的基础上, 掌握利用硬件描述语言Verilog HDL进行数字系统设计的方法, 掌握使用常用开发工具Quartus II软件进行电子系统的设计开发过程, 以适应现代电子技术发展需求, 提高学生对数字系统的研发能力。本课程教学主要内容涵盖Verilog HDL语言的编程规则和方法, 对硬件电路中的组合逻辑模块和时序逻辑模块从不同抽象级别进行建模和验证, 及利用Verilog HDL语言描述可综合的状态机。教学方式采用多媒体教室授课、实验室验证实验与课后习题复习相结合, 由浅入深, 使学生的理论知识与实践实验相结合, 激发学生学习兴趣和实践能力的培养, 达到良好的教学效果。
参考文献
[1]王金明.数字系统设计与Verilog HDL (第4版) .北京:电子工业出版社, 2011
[2]周润景.基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计实例 (第2版) .北京:电子工业出版社, 2013
可编程逻辑阵列 篇4
关键词：保护,继电器,可编程,逻辑
1 前言
在电气系统中, 保护继电器装置从电磁型继电器装置发展到目前的微机型数字化保护继电器装置经历了一系列过程。目前, 微机保护继电器在实际工程中得以广泛的、成功的应用。同时, 随着硬件水平的提高、制作工艺的完善, 其可靠性也不断提高, 处理速度更快, 提供的功能更多[1]。本文主要就部分新型微机保护继电器提供的可编程逻辑功能的实际应用进行初步探讨。
2 微机保护继电器可编程逻辑功能介绍
目前新的微机保护继电器通过可编程逻辑功能[2] (又称可编程方案逻辑, 简称PSL) 来满足这一应用需求。这些继电器通过可编程的各种与、或门以及时间延时器将各种输入信号组合起来, 实现各种用户需要的功能, 并输出到继电器的开出接点、指示灯等, 以满足他们的特殊应用需求。其具体结构如图2.1所示:
PSL的输入是以下信号的任意组合:来自输入板上的光电隔离器的数字输入信号, 保护元件的输出 (例如保护元件的启动和跳闸) 以及固定保护方案逻辑的输出。PSL本身由软件逻辑门和软件定时器组成, 可编程软件逻辑门来执行不同的逻辑功能, 并且能够接受任意数量的输入。可编程方案逻辑的输出是继电器面板上的发光二极管和后部的输出接点。当前, ARAVA公司的Mi COM P24X系列电动机保护继电器、施耐德的Sepam40系列保护继电器以及南瑞继保的部分PCS系列保护继电器均提供灵活的PSL功能。
3 微机保护继电器PSL应用实例
笔者所在热电厂厂用6k V系统采用的是AREVA公司的P24X保护装置和施耐德公司的M41保护, 这两种系列保护均具备灵活的PSL功能, 在实际使用, 其得以充分利用。目前厂用电源备自投逻辑、PT断线闭锁逻辑、低电压保护、电动机启动时闭锁过流保护、两段式负序保护、外部跳闸记录等功能都利用这一功能实现。下面以两个典型事例具体说明。
3.1 利用PSL实现高压电动机两段式负序保护
近年来由于高压电动机负序过流保护整定值不合理, 当高压厂用系统某一设备短路故障或高压线路非全相运行或不对称短路引起其他非故障电动机负序过流保护误动, 以致多次造成停机事件[3]。根据运行经验:
1) 电动机在70%额定有功负荷运行时, 出现两相运行则电动机二次线电流约为1.3倍额定电流, 其负序过流保护定值按1.25倍灵敏度整定则为0.6倍;
2) 电动机在58%额定有功负荷运行时, 出现两相运行则电动机二次线电流约为1.0倍额定电流, 其负序过流保护定值按1.25倍灵敏度整定则为0.46倍;
因此, 在厂用系统中如出现多台轻载电动机时, 负序过流保护定值整定存在上述易误动的情况。2005年1月3日在某石化企业热电厂发生类似事故引起两台锅炉停车事故。
通过对高压电动机负序保护动作原理和故障现象分析, 认为电动机发生负序类别的故障多出现在启动过程中, 利用保护继电器PSL功能实现两段式负序过电流保护则能够实现在电动机启动期间按照快速负序保护设置, 而正常运行时, 负序经长延时后动作, 可有效躲过系统故障引起的误动。具体逻辑如下:
图3.1中, 利用AREVA公司的P241保护继电器的PSL功能来实现两段式负序保护。其中根据电动机合闸信号经延时25s来保证在电动机启动时间内负序保护只需0.1s延时即出口跳闸。而其他运行时间内负序过流保护则需延时3s出口跳闸, 从而躲过了系统故障时间, 有效的避免了负序保护的误动。
同样的逻辑方案也可以用施耐德公司的M41保护继电器实现。其逻辑实现过程如下:
执行上述逻辑后, 将变量V3作为保护输出, 从而也实现了两段式负序过流保护功能。因此, 尽管厂家不同、逻辑功能实现方式不同, 但其实用性、灵活性、可靠性依然一样。也说明保护继电器的PSL功能是今后发展的趋势之一。
3.2 利用PSL功能完善整套的保护整定方案
在实际应用中, 笔者从保护整定的总体方案出发, 充分利用保护继电器的逻辑编程功能从多个层面、多个角度来完善电气设备继电保护整定方案, 弥补了多个原保护整定方案中的漏洞问题:
⑴完善了电动机启动过程中过流保护易误动问题;
⑵完善了电压回路断线闭锁低电压保护逻辑, 防止运行人员出现误操作;
⑶修正了电动机负序过流保护整定值易误动问题;
⑷增加了多个事件记录, 完善了事件监控, 方便事故分析;
⑸实现可靠的电源备自投功能, 充分利用PSL功能实现了全功能的电源备自投逻辑。
4 微机保护继电器可编程逻辑功能应用主要特点
自2004年开始, 笔者在某单位的6k V厂用电系统中广泛使用可编程逻辑方案来实现电源备自投、电压回路断线闭锁逻辑、电动机启动时闭锁过流保护、两段式负序保护等特殊应用。在实际应用中, 继电保护装置可编程逻辑方案存在诸多优点, 主要体现如下特点:
●有效减少二次回路数量, 降低现场二次接线复杂度;
●使用数字化编程, 避免时间继电器等电磁设备校验工作;
●界面清晰、整定、修改方便;
●灵活多变, 可实现多种功能。
5 微机保护继电器可编程逻辑功能应用注意事项
尽管, 继电保护装置可编程逻辑功能有诸多优点, 但在应用中也要制定一些管理制度, 并将其纳入定值管理范畴, 防止出现混乱情况, 引发一些因逻辑漏洞导致的事故。在应用中重点要注意一下几点:
●可编程逻辑必须经过严格审核
●可编程逻辑必须经试验验证
●可编程逻辑的复杂程度应受控
●可编程逻辑应纳入定值管理
可编程逻辑方案是一个等同于继电保护定值整定的管理模式, 应按照定值管理模式实现其自身的滚动式管理, 即使确认无误的逻辑方案也要定期对其进行验证, 同时在每次动作后进行逻辑分析, 及早发现其中的漏洞。同时逻辑方案比较灵活, 也需要按照定值管理模式, 保证期逻辑功能的严肃性。
6 结论与展望
继电保护继电器可编程逻辑功能应用, 自2004年在某石化公司热电厂厂用系统中陆续应用, 可以说, 近7年的应用实践表明, 继电保护继电器可编程逻辑功能是可靠的、有效的, 也是对保护装置的功能扩展和有效补充, 并能很好的解决现场的一些特殊问题。
继电保护继电器可编程逻辑功能应用是一个新生事务, 随着企业发展, 继电保护功能的增强和网络保护管理的现场需求, 继电保护继电器可编程逻辑功能也必将在网络保护中发挥更大的作用。
参考文献
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[2]ALSTOM公司.MiCOM P241电动机保护技术指南, 第5章102页.[2]ALSTOM公司.MiCOM P241电动机保护技术指南, 第5章102页.
强大的紧凑型可编程逻辑控制器 篇5
三菱电机的紧凑型可编程逻辑控制器及人机界面产品经理Hugh·Tasker说:“在过去的30年里, 我们不断探索, 研发各种紧凑型可编程逻辑控制器。如今, 我们已经完成了整个研发计划的第三阶段, 在此期间全球的销售量达到了1200万个可编程逻辑控制器单元。一直以来我们从未妥协, 这也正是为什么全新的FX3S能够集合那么多来自FX3系列其他体积更大的可编程逻辑控制器的优点于一身的原因。”
譬如, FX3系列最受欢迎的一个功能就是其内置的“Freqrol”驱动程序, 它使用户可以简便地建立起一个低成本的可编程逻辑控制器网络, 而多达8台的三菱逆变器也使FX3S能够处理各类任务, 如对不同的材料进行加工处理 (加热冷却) 等。
当然, 公司还认真地继承了其已有可编程逻辑控制器的各种传统。如FX3S和FX1S一样, 拥有10个、14个、20个和30个输入/输出端口的多种机器版本, 这几种版本占地完全相同, 因此如果用户想要升级到更新的可编程逻辑控制器, 操作极其简单, 无需额外的重新设计和工程费用。30个输入/输出端口的FX3S可编程逻辑控制器的中央处理器还有一个最新版本, 内置了模拟器, 无疑是简单的温度控制和流量控制系统的理想选择。
除了不断提升的存储能力和处理速度, 新款的FX3S可编程逻辑控制器还采用了已有的纤薄型FX3系列高速脉冲输出适配器 (ADP) , 提供了不同模拟器和传输选项 (包括以太网和RS422/485串口) 。在此基础上连接以太网, 意味着FX3S不再仅仅只是一台可编程逻辑控制器, 它将可以被看作是一台智能的数据记录仪甚至是分布式输入/输出端口。
如果将FX3S可编程逻辑控制器与三菱的MAPS SCADA和MX4 Energy管理软件共同使用形成解决方案, 并将FX3S可编程逻辑控制器放置在其需要的地方, 那么整个工厂的数据收集工作都可以即省钱又省力地完成了。
可编程逻辑阵列 篇6
常见的微机保护通常是将所需的保护功能集成在一个保护装置中来实现,一旦保护程序编制完成,各种保护功能之间的相互配合和保护的算法就固定不变了。如果需要实现新的保护功能时就必须更改源程序,这种做法不仅无法满足软件工程化的需求,而且需要专门的开发人员对程序进行修改和维护。上述现象会带来诸如下列的问题:(1)新增保护功能的开发需要占用大量的时间和人力资源;(2)同一型号保护装置程序版本繁多,容易混乱;(3)由于编程时间比较紧张,可能会因为测试不周详而将有缺陷的软件用到现场而产生意外的问题;(4)当用户的要求没有及时得到满足时,就会导致用户的满意度下降,等等。
传统的继电器保护,主要是由各种具有独立功能的继电器通过给定的保护逻辑连接而构成的(如图1所示的普通过流保护),从而可以满足相应的保护功能,这给实际的应用带来了非常大的灵活性、直观性和开放性,但是继电器保护的缺点就是,随着时间、环境的变化,这种方式使得调试和维护的工作量变得很大。遗憾的是当人们采用了微机保护装置后,原来保护方式模块化的优点并没有被继承下来,也就造成了微机保护灵活性的下降。为此,人们提出了基于可编程逻辑的微机保护概念[1,2]。
1 可编程逻辑保护的可行性
微机保护大致可以被分为两大组成部分:硬件部分和软件部分。基于可编程逻辑的微机保护的出发点就是:在相同硬件平台的基础上实现各种保护功能,如:普通的线路保护、变压器保护、电动机保护,等等。工程调试人员所要做的就是在可视化的界面上将选择合适的保护功能块,然后按照正确的保护逻辑连接好,再将它下装到微机保护装置的硬件中来实现保护功能。
随着微电子技术的飞速发展,微处理器的性能有了很大的提高,作为微机保护系统硬件核心的CPU变得更加廉价和快速,存储器的容量也越来越大,各种元器件的性能也更加稳定了,从而使微机保护的硬件平台性能更高,可以实现更多的功能和更好的算法,而不再受限于硬件的速度,我们在开发微机保护的程序时,就可以考虑如何使程序更好地适用于多种情况,如何在不改动原有程序的情况下使保护装置能够适应新的情况;可以采用较为复杂的编程方法,使用对硬件要求较高的算法,以实现程序的灵活性。也就是说,现在硬件的发展已经为我们提供了一个足够强大的平台,使微机保护软件实现可编程逻辑功能成为可能。并且,经过很多年的发展,原有经典的继电器保护原理用于微机保护上已积累了很多成功的经验。
2 可编程逻辑的发展[1]
在早期的微机保护中,人们就希望能够通过就地的小键盘或通信协议对保护逻辑进行编程,由于受当时条件的局限,如果将这种原理应用于可编程逻辑,可编程语言供选择的种类就会变得非常有限,最后形成的解决方案是非常不友好的用户界面。于是有人提出了将经典保护原理作为一个个的标准元件,然后根据需要选用已有标准元件来实现微机保护动作逻辑,这种做法必将有利于产品开发和各种功能的分配组合。可编程逻辑因其很强的灵活性而著称,可以将其用于工程现场,进行各种功能重组,从而可以灵活地满足工程化的需求。到目前为止,可编程逻辑的发展大致分了三个阶段:基于DOS系统的驱动命令界面的平台、基于Windows的文本菜单界面的平台、可视化的图形操作界面平台。
3 常见的可编程逻辑微机保护
由于可编程逻辑在微机保护领域中有着广泛的应用前景,能够极大地提高保护装置的灵活度,因此,无论是国内还是国外的微机保护领域,都加大了对这种新概念微机保护的研究力度。各家产品的主要区别在于可编程逻辑实现的方法上,如:许继的可编程逻辑微机保护的实现方式,在微软的VISIO软件平台上绘制各种需要的保护图元来组成逻辑框图,然后调用专业的应用软件来自动生成源程序,再用计算机进行编译,生成可执行程序[3];国电南自的可视化编程实现是先通过可视化软件将逻辑图输入,然后根据图论学的原理来解析逻辑图,形成编译文件下传到保护装置,最后在保护装置中实现程序运算[4]。还有一些相关应用比较多的是备自投装置[5,7],不少厂家都开发了可视化的动作逻辑可编程的装置,实现这种逻辑一般比较简单。国电自动化研究院/南瑞集团已经开发了专门的装置,电源备自投的动作逻辑在该备自投保护装置中是通过在LCD上来编辑备自投的动作方程来实现[5];目前常见的可编程逻辑保护比较多的是采用IEC61131-3标准来规范化微机保护的可编程序功能[6,7]。
4 用Matlab/Simulink实现可编程逻辑保护的可行性
由于可视化界面的软件平台与保护程序所采用的编程语言不同,可视化界面通常用VC++或VB来设计,而保护程序则是用C语言或汇编语言实现,因此保存的逻辑关系文件被下载到保护装置上之后,不能直接与保护装置的底层程序对接,因此需要在下位机上开发解析程序,来翻译该逻辑关系,实现保护功能;或者就是在下载到装置中之前对逻辑图文件进行翻译,再编译下载到装置中,这一步是不能避免的;微机保护中的算法起着至关重要的作用,好的算法不仅能提高精度,而且可以提高装置的速度,在保护软件中开发相关算法的代码量也比较大。相对上面提出的这些不足之处,本文提出了一种基于Matlab/Simulink与DSP相结合的可编程逻辑微机保护软件开发的新方法。
Matlab与其它计算机语言相比,有着很多的优点:Matlab的编程语言具有语句简洁,编程效率高的优点;Matlab内部集成了很多算法(如微机保护中广泛应用的FFT)和工具箱,而且随着软件版本的提高,集成的算法和工具箱会越来越多,当然也可以自己很方便地开发实现它还没有的一些算法,这让其在许多应用领域有着天然的优势;强大而简易的绘图功能,有效方便快捷的矩阵和数组运算,直观便捷的动态仿真,扩充能力强,还有很重要的一点就是Matlab还提供了应用程序接口函数[8],允许用户使用C/C++或FORTRAN语言编写的程序与Matlab连接。如今,DSP大都是用C语言进行程序设计,而在Matlab的实时环境中,可以将(.mdl)格式的功能模块转换成高效的C语言文件然后移植到DSP芯片中,在下文有比较详细的叙述。为此,这为用Matlab来实现可编程逻辑微机保护开发的设想提供了理论和实际上的可行性。
5 保护的实现步骤
5.1 构建保护功能块
利用Matlab/Simulink[9]构建保护功能块非常方便,Matlab/Simulink中提供了各种逻辑、时间、控制和算法元件等等,包含了所有实现微机保护所需要的图元,如图2就是利用Matlab中已有的图元实现PT断线报警的原理框图。对外而言,从这个原理图上看到的仅仅是实现功能所需的输入量(3相电压、3个线电压、3相保护电流和计算零序电压),时间继电器,以及告警信号的输出端。然而,内部却集成了PT断线的判断条件:a)三相电压均小于8 V,某相(a或c相)电流大于0.25 A,判为三相断线;b)三相电压和大于8 V(计算3U0),最小线电压小于16 V判为两相PT断线;c)三相电压和大于8 V(计算3U0),最大线电压与最小线电压差大于16 V,判为单相PT断线;然后延时5 s再将信号输出。将图2展开后就得到图3所示的三个判断条件,而图4则是图3中3相PT断线判据的实现。
本文中PT断线的判断逻辑功能块已经通过了Matlab的仿真,并且结果准确可靠。文中所举的示例实现的功能比较简单,目的只是为了体现利用Matlab构建保护功能块的便捷之处。当然,在Matlab/Simulink中构建一些功能比较复杂的继电器(如:差动继电器、距离继电器、阻抗继电器)也是比较容易实现,如文献[10]中所构建距离保护中的比相式阻抗继电器。
5.2 功能块的翻译、移植和实验结果
功能块的翻译和移植是这种微机保护中非常关键的一步,而且由于这方面的应用相对较少,实现起来有一定的难度。
目前,Math Works公司和TI公司联合开发了Matlab Link for CCS Development Tools,提供了Matlab和CCS的接口,也就是说把Matlab和TI CCS以及目标DSP连接起来了。Matlab Link for CCS Development Tools作为一个新的工具箱被集成在Matlab中,这给实际应用开发的调试和测试阶段提供了强大的支持,利用此工具可以像操作Matlab变量一样来操作TI DSP的存储器或寄存器;Embedded Target for TI C2000/C6000 DSP Platform也是Matlab中面向TI DSP的一个非常有意义的产品,它为TI DSP实时应用开发的概念设计、算法仿真、源代码编写、目标代码生成、调试和测试都提供了强有力的支持。最关键的是,这些功能都是可视化的,也就是说可以在Matlab/Simulink环境中用图形化的方式进行DSP的设计、仿真验证和移植,而移植的关键就是能将设计的图形文件直接翻译成C语言。上面所提Matlab的功能就为功能块的翻译和移植提供了先决条件,且这种方法在滤波器的设计上已经得到比较多的应用(文献[11]就是应用之一)。
针对本文中所用的PT断线的例子,已经在Matlab7.1中生成了完整的C语言代码,通过了TI开发工具CCS3.1的编译,并且在合众达的SEED_DPS2812M V2.1的开发板上进行了相关实验,得到的结果和Matlab的仿真结果一致。
在实验过程中关键的是原始数据的获取,目前的做法是:电压电流的采集是用DSP外部的AD完成,而文献[11]中是用TI公司的320F2812DSP芯片自带的AD采样,这种做法对于要求采样精度比较高的场合就不合理了。然后在DSP芯片中对采样的数据进行处理和相关计算得到有效值、复数形式、有功无功、功率因素、频率、负序电压、负序电流、零序电流、计算零序电流,等等;将它们存放到指定的存储地址中,在进行逻辑判别过程中就是根据变量名自动从指定的地址中将数据取出关联到逻辑框图的各个输入量,以进行保护功能的逻辑判断,如图2中的各个量分别为计算出来的电压和电流的有效值,这些有效值均是存放在固定地址,只要从这个地址取这些值,然后就可以参加逻辑判断,从而得到相关结果。
6 结论和展望
本文提出的方法不仅继承了传统继电器保护的灵活性,并且与目前常见的可编程逻辑微机保护相比,有如下几个优点:(1)逻辑图绘制软件和解析工具(Matlab),以及编译软件(CCS)都是已有的成熟的软件;(2)构建逻辑图简捷方便;(3)算法更容易实现;(4)Matlab强大的仿真功能给验证逻辑的正确性带来很大的方便。这种方法的不足之处就是:自动生成的代码比较大,需要对自动生成的代码进行优化,以节约程序的存储空间。
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