基于ZYNQ嵌入式小型化繼電保護平臺設(shè)計實現(xiàn)

作者/ 任華鋒 王晉華 孫振華 許繼電氣股份有限公司(河南 許昌 461000)

摘要：本文介紹了一種應(yīng)用在智能變電站中全新的嵌入式小型化繼電保護平臺的設(shè)計，該設(shè)計選用片內(nèi)集成雙ARM內(nèi)核和FPGA的Xilinx Zynq系列芯片，在成本、數(shù)據(jù)處理速度、功耗及可擴展性方面能夠滿足就地化安裝繼電保護設(shè)備的需求。全文從軟件和硬件方面詳細闡述了嵌入式小型化繼電保護平臺的設(shè)計方法。

引言

　　隨著加強智能電網(wǎng)建設(shè)的深入推進，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、電子傳感技術(shù)、數(shù)字變電技術(shù)、廣域測量技術(shù)、自動化控制技術(shù)等多種先進技術(shù)在智能繼電保護裝置中的應(yīng)用日趨成熟。在此背景下，智能電網(wǎng)建設(shè)對繼電保護裝置的軟硬件設(shè)計也提出了更高的要求。繼電保護裝置的小型化設(shè)計和就地化安裝就是其中的一種發(fā)展趨勢。針對這些要求，本文介紹了一種基于Xilinx Zynq 7000系列片上系統(tǒng)(SoC)的嵌入式小型化繼電保護平臺的設(shè)計方法，就該平臺的整體框架、硬件設(shè)計、平臺搭建等方面進行了詳細的闡述。

1 平臺整體框架

　　按照國家電網(wǎng)的規(guī)劃，小型化繼電保護裝置直接安裝在戶外一次設(shè)備旁，對裝置的電磁干擾、工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)強度等方面提出了更高的要求。本方案采用Xilinx的Zynq 7000系列芯片為主CPU，芯片片內(nèi)集成了主頻800MHz的ARM雙核處理器、FPGA、PCIe、I2C、SD/MMC等常用通信接口，具有強大的數(shù)據(jù)處理和外設(shè)擴展能力，特別是功耗低，抗干擾能力強的特點，非常適合作為就地化安裝繼電保護裝置的硬件平臺。該平臺的整體框架如圖1所示。

2 平臺硬件實現(xiàn)

　　Xilinx Zynq 7000根據(jù)功能劃分為可處理系統(tǒng)(PS)ARM及其外設(shè)，可編程邏輯(PL)FPGA。硬件設(shè)計主要圍繞這兩部分展開。

2.1 PS側(cè)

　　PS側(cè)由ARM核管理、配置I/O外設(shè)、DDR控制等。ARM核的應(yīng)用非常廣泛，可供參考的典型硬件設(shè)計資料非常多，限于篇幅，只對小型化繼電保護平臺應(yīng)用到的部分進行介紹。

2.1.1 DDR內(nèi)存控制器

　　大多數(shù)智能繼電保護設(shè)備運行嵌入式實時操作系統(tǒng)，由實時操作系統(tǒng)完成繼電保護算法、人機交互，以及基于IEC61850的網(wǎng)絡(luò)通信等功能。實時系統(tǒng)對DDR內(nèi)存的容量和處理速度有很高的需求。在設(shè)計中使用了兩片Micron公司的DDR內(nèi)存MT41K256M16HA-125-IT:E ，容量達到1G，與ARM核650MHz時鐘匹配工作在 525MHz時鐘速率。經(jīng)過Nucleus實時操作系統(tǒng)的測試，系統(tǒng)運行正常。為保證繼電保護設(shè)備數(shù)據(jù)的可靠性，DDR內(nèi)存控制器可增加ECC功能，位寬降為16bit，內(nèi)存容量降為512M。

2.1.2 I/O外設(shè)配置

　　Zynq 的I/O引腳采用多路復(fù)用外設(shè)接口方式，PS側(cè)的MIO共有54路I/O，可用Xilinx 提供的硬件設(shè)計工具Vivado把I/O功能靈活定義成MAC、UART、I2C、CAN、SDIO等平臺中需要的外設(shè)接口，同時配置外設(shè)的工作時鐘。圖2為繼電保護平臺在Zynq SoC芯片PS側(cè)的功能模塊示意圖，其描述了外設(shè)和內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)通道和ARM內(nèi)核的基本構(gòu)成。

2.2 PL側(cè)FPGA設(shè)計

　　當前主流繼電保護設(shè)備廠家生產(chǎn)的智能保護設(shè)備硬件平臺基本采用“處理器+FPGA” 模式，由FPGA完成人機交互、網(wǎng)絡(luò)拓展、擴展開入開出、AD采樣等功能。這種模式下FPGA和處理器是兩個獨立運行的系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和協(xié)同工作上處理復(fù)雜，在變電站電磁環(huán)境惡劣的工作地點容易出現(xiàn)問題。

　　Zynq將處理器和FPGA集成在芯片內(nèi)部，ARM雙核和FPGA的數(shù)據(jù)交互通過高性能、高帶寬、低延時的AXI總線完成，消除了處理器和FPGA通過擴展總線數(shù)據(jù)傳輸速度低的瓶頸。特別是以ARM為主，F(xiàn)PGA為輔的片內(nèi)協(xié)作工作模式，為平臺提供了豐富的外設(shè)擴展功能。

2.2.1 FPGA網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計

　　為了設(shè)計簡化和施工便捷，智能變電站過程層在IEC61850 標準下，SV和GOOSE網(wǎng)絡(luò)報文由點對點傳輸方式轉(zhuǎn)向共網(wǎng)方式傳輸。在Zynq平臺上由FPGA的MAC IP核通過以太網(wǎng)PHY擴展出的網(wǎng)口接收合并單元或智能終端發(fā)送的SV和GOOSE報文，通過MAC IP核實現(xiàn)報文類型甄別、單播、組播廣播報文的過濾，并對SV和GOOSE報文的屬性進行解析。為了抑制共網(wǎng)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)風暴，可加入風暴抑制判據(jù)，過濾掉異常報文，減輕ARM處理器的工作載荷，提高數(shù)據(jù)處理的實時性。

2.2.2 繼電保護功能模塊設(shè)計

　　Zynq充分考慮到在Xilinx FPGA產(chǎn)品上設(shè)計的移植性，可將原來“處理器+FPGA”模式下FPGA實現(xiàn)的功能模塊方便快捷地移植到Zynq平臺上，節(jié)省開發(fā)時間，保持產(chǎn)品穩(wěn)定性。

2.2.2.1 人機接口功能實現(xiàn)

　　由于小型化保護裝置采用就地化安裝方式，直接暴露在風吹日曬、雨雪環(huán)境中，裝置密閉性要求達到IP67的防護等級，無法安裝液晶、鍵盤等人機交互器件。區(qū)別于通過FPGA擴展液晶和鍵盤外設(shè)的智能保護裝置，就地化保護裝置人機功能是通過安裝在主控室或保護小室的就地化保護智能管理單元來實現(xiàn)裝置的界面集中展示、配置管理、備份管理、在線監(jiān)視和診斷功能，所有數(shù)據(jù)由就地化保護的網(wǎng)口通過光纖網(wǎng)絡(luò)上傳，抗干擾能力強。

2.2.2.2 常規(guī)互感器保護采樣功能實現(xiàn)

　　小型化保護的采樣方式有兩種：常規(guī)互感器采樣通過電纜直接連接到小型化保護裝置;電子式互感器SV和GOOSE共網(wǎng)通過光纖以太網(wǎng)接入小型化保護裝置。在常規(guī)互感器采樣方式中，小型化保護平臺使用兩片AD7606共16路采樣通道，采集電壓、電流等模擬量供保護或測控使用。

　　AD7606芯片通過串行SPI 和FPGA連接，由FPGA保持采樣時序和AD數(shù)據(jù)正確性，ARM核完成對FPGA采樣功能的參數(shù)，如每周波采樣點數(shù)、通道個數(shù)、預(yù)采樣時刻等進行設(shè)置，F(xiàn)PGA通過中斷方式通知ARM核收取采樣數(shù)據(jù)。這部分功能可由在“處理器+FPGA”模式下用Verilog HDL編寫的FPGA代碼稍作改動后移植到Vivado Zynq硬件設(shè)計工程中。

2.2.2.3 繼電保護開入開出回路實現(xiàn)

　　小型化保護裝置由于機箱尺寸受限，不能裝設(shè)太多的開入開出回路?？紤]與非智能的一次開關(guān)設(shè)備接口，保留了8路遙信開入和8路出口回路來采集信息和控制一次開關(guān)設(shè)備。Zynq的PS側(cè)的復(fù)用MIO多用做外設(shè)接口，數(shù)量較少，無法實現(xiàn)16路I/O。開入開出設(shè)計由PL側(cè)的EMIO來實現(xiàn)，外部開入和PL側(cè)開出都經(jīng)過總線收發(fā)器SN74LVC245，由FPGA編寫簡單的I/O硬件驅(qū)動，通過中斷或查詢方式通知ARM。

3 軟件框架和應(yīng)用功能實現(xiàn)

　　嵌入式小型化繼電保護平臺的軟件框架主要包括平臺的底層硬件驅(qū)動、引導程序、嵌入式實時操作系統(tǒng)和應(yīng)用功能模塊。

3.1 底層硬件驅(qū)動

　　Xilinx 的SDK開發(fā)工具提供了針對Zynq的BSP包，BSP包含ARM的外設(shè)接口驅(qū)動，并提供豐富的測試例程供開發(fā)者參考。BSP提供的ARM外設(shè)驅(qū)動代碼用C編寫，移植方便，改動量小。FPGA部分設(shè)計的網(wǎng)口和AD采集等模塊需要在PS側(cè)重新開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動。

3.2 平臺引導

　　Zynq是以ARM為核心的FPGA，平臺引導時，先引導ARM核，由ARM配置引導其他部分。引導的主要內(nèi)容是引導ARM的實時操作系統(tǒng)和FPGA的BIT配置文件。圖3是引導和配置過程的詳細列表。

　　在平臺的引導過程中，F(xiàn)SBL加載Uboot到ARM來運行，Uboot提供了ARM外設(shè)接口的驅(qū)動并完成操作系統(tǒng)啟動前必須的硬件初始化，之后將控制權(quán)移交給操作系統(tǒng)。啟動時燒寫到FLASH中的鏡像文件可由Xilinx SDK生成，鏡像文件包含F(xiàn)SBL的ELF格式可執(zhí)行文件，F(xiàn)PGA代碼編譯生成的BIT文件和交叉編譯生成Uboot的ELF格式可執(zhí)行文件。

3.2 平臺嵌入式實時操作系統(tǒng)

　　嵌入式操作系統(tǒng)采用國外引進的支持Zynq 7000系列芯片的嵌入式實時操作系統(tǒng)Nucleus Plus，Nucleus Plus具有實時的、搶先的、多任務(wù)的內(nèi)核。95%的內(nèi)核代碼由C語言編寫，移植性好，以后可以平滑移植到性能更好的平臺之上。開發(fā)人員可對Nucleus Plus操作系統(tǒng)進行定制修改，以適應(yīng)小型化繼電保護平臺的特殊需求。

　　考慮到Zynq 7000 ARM雙內(nèi)核的工作方式，在操作系統(tǒng)選型時，選擇了支持雙核SMP(對稱式)的Nucleus Plus。目前，Zynq ARM雙核在繼電保護設(shè)備應(yīng)用設(shè)計中，有的采用AMP(非對稱式)方式，即核0搭建 Linux操作系統(tǒng)，處理實時性不高的應(yīng)用，如IEC61850中的協(xié)議解析，設(shè)備屬性數(shù)據(jù)處理等;核1處理高實時性的繼電保護算法等功能，滿足繼電保護設(shè)備的實時性。相對AMP、SMP模式的操作系統(tǒng)具有可共享內(nèi)存、較高的性能和功耗比，以及易實現(xiàn)負載均衡等優(yōu)點，更能發(fā)揮多核處理器的硬件優(yōu)勢，并且在跨處理器硬件平臺的移植開發(fā)上，更容易和快捷。

3.3 應(yīng)用功能模塊

　　小型化繼電保護軟件平臺采用多模塊自動加載管理系統(tǒng)，完全實現(xiàn)通信管理模塊、人機接口、系統(tǒng)平臺、設(shè)備驅(qū)動和應(yīng)用模塊的獨立編譯和下載，并在初始上電過程中，自動識別各軟件模塊，建立各模塊的初始工作環(huán)境，自動執(zhí)行軟件模塊的相關(guān)操作。這樣，調(diào)試升級或系統(tǒng)功能變化時，只要對相關(guān)功能模塊進行升級、編譯和下載，從而將設(shè)計、調(diào)試、測試等縮小到一個有限的范圍，既縮短了開發(fā)周期，又降低了軟件開發(fā)的難度和復(fù)雜度。平臺基本功能模塊組成如圖5所示。

4 結(jié)束語

　　就地安裝的小型化保護裝置已經(jīng)在智能變電站中有了試點應(yīng)用。為了方便安裝，裝置尺寸設(shè)計大約是260mm×180mm×100mm，可以兩臺并排安裝在一次設(shè)備匯控柜側(cè)面，不需要專用屏柜。整裝置實測功耗最大不超過11W，約是常規(guī)智能保護裝置的1/4。全密閉式金屬機殼結(jié)構(gòu)和免維護設(shè)計是智能變電站就地化保護設(shè)備發(fā)展趨勢。

　　Xilinx Zynq系列芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用在嵌入式產(chǎn)品的各個領(lǐng)域，在穩(wěn)定性和可靠性上得到了多種相關(guān)產(chǎn)品的驗證。在此基礎(chǔ)上設(shè)計的小型化繼電保護平臺具有低功耗、低成本、高度集成的優(yōu)點。特別是片內(nèi)ARM+FPGA的架構(gòu)，讓該平臺能夠靈活地拓展外設(shè)功能，使系統(tǒng)速度和系統(tǒng)資源得到充分的利用?；谠撈脚_的繼電保護產(chǎn)品能夠較好地滿足當前智能變電站保護測量設(shè)備就地化安裝的需求，降低智能變電站的建設(shè)成本。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第68頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。