原创双处理器在变电站监控中的应用研究

 2007-10-12 12:39  2652 6 6 分类: 处理器与DSP

0 引言

随着变电站自动化程度的不断提高，对作为现场监测、控制为目的的监控单元的设计也提出了更高的要求：除了在监测、控制的量上有较大增加外，对数据采集的实时性、控制操作的快速性、分析手段的多样性、分析算法的复杂性、通信方式的灵活性等都提出了更苛刻的要求。在大数据处理容量、复杂分析算法、先进的通信方式面前，采用单一的DSP或MCU处理器构筑的硬件平台明显力不从心。采用DSP+MCU双处理器模式，利用DSP芯片较强的数据处理能力实现数据的实时采集、分析、计算，外加一款具有较强通信处理能力的MCU以迎合现场对通信技术的要求，不失为一种两全其美的解决办法。

1 技术背景

1.1 变电站监控

变电站监控的主要任务就是采集所在发电厂或变电站表征电力系统运行状态的模拟量和状态量，并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心下发的控制和调节命令。监控单元是整个监控系统的前置I/O模块，直接和现场一次设备相连，是数据采集、处理、控制操作的核心，因此其性能的高低直接决定了整个系统的性能指标。早期的监控单元是由一些分立元件构成，它所能处理的信息量很少，功能极为简单。随着微处理器技术的运用，监控单元也发展到了以单片机为核心的嵌入式系统，但在数据采集、处理量较少、精度要求不高，对通信的实时性、先进性也没有太严格要求的情况下，采用单片低价位8位或16位MCU就可以实现。

随着变电站自动化技术的发展以及分析算法、分析手段的提高，越来越多的用户特别是一些特殊用户（如高压、超高压变电站、电气化铁路牵引变电所、大型企业变电所等）对变电站监控的设计需求也越来越高，如：能够实时分析高次谐波、能够计算序分量从而分析电能质量、能够进行控制操作的逻辑闭锁等，从而涉及到高速数据采样及处理；在通信上，对通信的实时性、可靠性、先进性要求也越来越高，嵌入式以太网技术、双现场总线技术也相继在变电站监控单元中采用。在此背景下，采用DSP+MCU双处理器模式可以较好的解决复杂数据处理与先进的通信技术之间的矛盾。

1.2 DSP芯片的特点

DSP，又称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号算法处理，其主要技术特征：

a. 硬件上采用多总线哈佛（Harvard）结构，提高了数据的处理能力和速度。
b. 指令执行采用流水作业，具有较高的指令执行速度。
c. DSP内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元、辅助寄存器运算单元、累加器以及硬件乘法器等，它们可以在一个指令周期内同时进行计算。
d. 内部具有独立的DMA总线控制器，可以实现程序执行与数据传输并行工作。
e. 具有多处理器接口，为使用嵌入式子系统实现大型和复杂嵌入式系统提供了技术基础。

因此DSP特别适合于大容量、高复杂数据处理的场合，在变电站监控中DSP芯片作为监控单元的数据采集、计算和处理的核心。

1.3 MCU的功能定位与选型

MCU即嵌入式微处理器。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，MCU不断产生新的变化和进步，与微机之间的性能差距越来越小，并且集成度越来越高，功耗越来越低。

在百花齐放的MCU家族中，要做出最优的选择确实是件令设计师头疼的事。根据前述DSP和MCU在变电站监控单元中扮演的角色，MCU侧重于处理通信任务。对于采用了双处理器模式且DSP芯片已经承担了大部分数据计算、处理的场合， MCU的选型应从以下几个方面考虑：

a. 系统拟采用的通信方式

MCU的选型一定程度上取决于监控单元所采用的通信方式。如果系统采用CAN总线互连，则可选择一款具有CAN总线接口的MCU芯片；如果采用嵌入式以太网技术，则可选择具有以太网接口的MCU芯片。虽然可以通过外扩协议芯片的方式来实现所需的通信方式，但这样做会较大地增加系统的软硬件开销。

b. MCU的资源能否满足要求、外围接口是否方便

根据监控单元的功能定位，对MCU的资源进行审查：包括总线位数（8位、16位、32位）、主频、指令周期、寻址空间、中断系统、定时器、外围接口等，由此判断能否满足设计需要，并留有适当的裕量以备系统升级。

c. 开发工具是否完备、编程是否方便

开发环境的好坏直接影响到产品的开发周期。是否有嵌入式实时多任务操作系统的支持，是否支持高级语言编程，是否可以在线对目标板进行实时仿真调试等都是需要重点考虑的因素。

d. 价格是否合理

最后要看MCU芯片的价位是否在容许的范围内，短期内货源是否正常，价位是否会出现大的波动等。

2 DSP与MCU间的数据交互

在以DSP＋MCU双处理器为核心的智能单元中，二者之间的数据通信是系统设计的重要环节，直接影响到数据传输的效率和可靠性，常见的数据交互方式有以下三种：

2.1 采用双端口RAM

采用双端口RAM解决双处理器间的数据通信问题是最常用的方式，其实现框图如图一所示：

双端口RAM具有两套独立的数据、地址、控制总线，可以分别与DSP和MCU两个处理器接口，通过这一片外公共的存取空间，MCU和DSP就可以方便的进行数据交互了。

优点：实现起来较为方便；实时性较好。

缺点：增加了硬件成本；占用了有限的印制板空间；如果对控制信号（尤其是两测的BUSY信号）处理不好容易降低数据传输的可靠性。

2.2 采用串行通信

目前，大多数MCU和DSP芯片都具有较强的串行通信能力，且可以工作在较高的通信速率，采用串行接口也是一种较好的选择。串行通信可采用同步、异步、SPI等方式。图二所示为MCU、DSP间通过SPI[1]通信的示意图：

MCU为SPI的主设备，掌握通信的主动权，产生片选、时钟信号；DSP为SPI的从设备，被动的接收主机命令，并将主机所需信息放在主机的SIN引脚上；在这种主从式的结构中，从机没有主动发言权。

优点：接口简单，只需四根信号线。

缺点：实时性不好；占用处理器资源，如两边的处理器没有专用通信协处理器或足够的FIFO，在通信过程中将频繁地产生收、发中断；需要加载一定的通信协议，因此软件实现起来较复杂。

2.3 采用HPI[2]

TI公司的TMS320C5000和TMS320C6000系列较多款DSP中含有HPI（即主机接口），用来与主设备或主处理器接口。外部主机是HPI的主控者，它可以通过HPI直接访问DSP的存储空间，包括存储器映像寄存器。

HPI主要由以下5个部分组成：HPI存储器（DARAM），主要用作与主机传送数据；HPI地址寄存器，存放主机当前寻址HPI存储单元的地址；HPI数据锁存器，用于存放主机正要读写的数据；HPI控制寄存器，用于DSP或主机间的控制操作；HPI控制逻辑，用于处理HPI与主机之间的接口信号。

当DSP与主机交换信息时，HPI是主机的一个外围设备。DSP和主机可以在共用寻址方式下对HPI进行操作，主机和DSP都能寻址HPI存储器，异步工作的主机的寻址可以在HPI内部重新得到同步。如果DSP与主机的周期发生冲突，则主机具有寻址优先权，DSP等待一个周期。

图三所示为MCU与DSP间通过HPI接口的框图：MCU充当HPI的主机，值得注意的是，DSP可以通过对控制寄存器的操作以硬中断的方式将MCU打断，来实现MCU对DSP的快速响应，同样MCU也可以通过对控制寄存器的操作以内部中断的方式申请DSP的快速响应。

HPI接口的应用极大地方便了MCU与DSP间的数据交换，同时使零硬件、软件开销成为可能。该方案灵活、简单，同时又能满足实时性的需要，为开发人员提供了一种全新的数据共享、传输方案。

3 基于DSP+MCU的监控单元硬件平台的实现

鉴于部分用户对高性能监控单元的需要，以下给出基于TI公司高性能DSP芯片TMS320VC5402和MOTOROLA高性能MCU芯片MCF5272[3]的双处理器监控单元硬件平台设计框图，如图四所示：

3.1 主要芯片介绍：

在本例中，模数转换器采用TI公司最新推出的ADS8364芯片：16位精度，6通道同步采样，采样速率250KHz，并行接口。此AD芯片与处理器接口简单，控制方便，且可以同时将一条线路的所有电压、电流量采出，为后续的高级分析、计算提供了条件。

数字信号处理器选择了美国TI公司的TMS320C5000系列中的一款16位定点DSP芯片 TMS320VC5402，其在通信与信息系统、信号与信号处理和自动化控制领域都有了广泛的应用，除具有其它DSP芯片的特点外，还具有一个8位的HPI接口，指令执行速度达100MIPS。其与MCU接口方便，且适于大容量数据处理和较复杂算法的实现。

微处理器选用了MOTOROLA公司Coldfire系列中的高性价比微处理器芯片MCF5272。32位数据、地址总线，SDRAM接口，四个16位定时器，三通道PWM输出，主频达66MHz。MCF5272具有很强的通信能力，含有一个10M全双工或100M半双工以太网接口、一个USB1.1接口、两个URAT，此外还有QSPI接口，特别适合于通信处理。

3.2 DSP与MCU的分工协作

由图四可见，系统主要由两部分组成，以DSP为核心的交流采样部分和以MCU为核心的数据通信部分，二者互相独立而又相互协作。DSP主要负责监控单元中的交流采样任务，采集系统频率，定时控制AD转换，读取AD转换结果，进行复杂的数据处理，并将处理结果放在HPI存储器中。对重要数据以硬中断的方式通知MCU快速提取，一般数据则由MCU根据需要主动读取。MCU负责系统的通信任务，以总线或网络的方式上传给上级设备，并执行上级设备下发的命令，同时承担一些信号输入、输出等耗时较少的工作。

为防止MCU和DSP间的相互影响，HPI总线通过245进行了隔离。

3.3 系统主要性能

交流采样方面：基于上述TI的6通道快速采样AD和高性能DSP芯片，测控单元每周波可采样128点，除了计算一些常规的电压、电流、有功、无功、功率因素外，采用快速傅立叶变换进行高次谐波分析，计算谐波含量，计算正序、负序、零序分量，分析电网的不平衡度，分析输入量的相位关系等等一些高级分析功能。

通信方面：（1）嵌入式以太网的应用[4]。随着变电站自动化程度的提高以及高压、超高压大型变电站自动化系统的发展，RS485总线、现场总线（如CAN、LonWorks等）通信方式已经满足不了要求，嵌入式以太网的出现为变电站自动化系统的设计者提供了实现站内通信网络的新途径，是技术发展的必然趋势。MCF5272对10M、100M以太网的支持正是为了实现对嵌入式以太网的需要。（2）除了提供嵌入式以太网外，MCF5272在不需要扩展通信芯片的情况下，还可使监控单元以485总线的方式接入其它装置，并可加载数据链路层协议（如HDLC协议）；可以将智能装置通过RS232或RS485就近接入监控单元随网络上传；可以采用USB接口方便地进行维护。

其它方面：可以实现软PLC功能，用于设备级的操作闭锁。

3.4 系统软件实现

TMS320VC5402提供JTAG标准测试接口，可通过PC机对目标板进行在线仿真、跟踪调试，可采用高级语言、汇编语言交叉编程，极大地缩短了开发周期。

MCF5272的软件部分，采用VxWorks [5]实时多任务操作系统来实现。VxWorks作为性能优秀的嵌入式操作系统，不论是在可靠性、实时性、可裁减性方面，还是在开放性、易用性等方面都是相当不错的。它十分灵活，具有多达1800个功能强大的应用程序接口，适用于从最简单到最复杂的产品设计，可靠性极高。VxWorks的应用将使监控单元如虎添翼，使系统的灵活性、可靠性、实时性都达到很高的水平。

结合具体的工程需要，适当调整输入、输出量，可将以上的软、硬件平台广泛应用到变电站自动装置（同期、备自投、故障录波）、继电保护以及其它行业的控制系统中。

4 结语

随着电子技术的发展，DSP和MCU正在走向融合。目前，很多厂商推出了MCU+DSP的双芯核芯片，但这样的多芯核处理环境势必增加系统软件开发和片上调试装置的复杂性。嵌入式芯片设计正朝着把单MCU-DSP芯核结构与存储器和外设逻辑集成在一起的方向发展。但无论如何，单片解决复杂的数据处理与通信问题将是今后发展的趋势。

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