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
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
Abstract:This paper introduces the functional characteristics and hardware configuration of data acquisition system for online monitoring of electrical equipment, and takes an example of data acquisition system for breaker online 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).
Keywords:great capacity data memory;NVRAM;data acquisition system; electrical equipment;online monitoring
Keywords:great capacity data memory;NVRAM;data acquisition system; electrical equipment;online monitoring
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）DS1270YA/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。
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AT25640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IDT7202A芯片，其容量为1024×9 bit；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。
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）DS1270YA/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。
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AT25640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IDT7202A芯片，其容量为1024×9 bit；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＝48 KW，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64 KW局部存储器和32 KW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。
2.1NVRAM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、2 M×8 bit的NVRAM（Nonvolatile SRAM），21根地址线，8根数据线，读写速度可达70 ns。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，一片用于高位数据存储。
2.2DSP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64 k字，数据存储空间范围为0000h-FFFFh，其中高32 k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32 k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32 k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32 k字，每2片DS1270Y/AB芯片构成一组2 M字空间，每组可划分为64个32 k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32 k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32 k字存储块的块选。这样就实现了大容量存储器每32 k字寻址，分块访问2 M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＝48 KW，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64 KW局部存储器和32 KW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。
2.1NVRAM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、2 M×8 bit的NVRAM（Nonvolatile SRAM），21根地址线，8根数据线，读写速度可达70 ns。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，一片用于高位数据存储。
2.2DSP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64 k字，数据存储空间范围为0000h-FFFFh，其中高32 k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32 k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32 k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32 k字，每2片DS1270Y/AB芯片构成一组2 M字空间，每组可划分为64个32 k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32 k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32 k字存储块的块选。这样就实现了大容量存储器每32 k字寻址，分块访问2 M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
