DSP處理器在電力二次設備中的開(kāi)發(fā)

　　電力二次設備主要是指對一次設備進(jìn)行控制、監控和保護的設備，包括電站自動(dòng)化、變電站自動(dòng)化、調度自動(dòng)化、配電自動(dòng)化、線(xiàn)路保護、主設備保護和電能計費自動(dòng)化產(chǎn)品等，其中使用了大量的智能處理單元。本文主要討論ADI 的數字信號處理器(DSP)在電力二次設備中的應用。

　　DSP(digital signal processor)是一種獨特的微處理器，是以數字信號來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號。再對數字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實(shí)際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運行速度可達每秒數以千萬(wàn)條復雜指令程序，遠遠超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。

　　按照適用電網(wǎng)環(huán)境來(lái)分，電力二次設備可以分為高壓(>110 kV)、中壓(3.5 kV～110 kV)和低壓(3.5 kV)二次設備。在高壓和中壓應用中，需要智能處理單元響應速度快、延遲小，其中高壓二次設備大都采用浮點(diǎn)運算，并且多采用多處理器架構;而中壓二次設備根據不同的應用和要求會(huì )采用浮點(diǎn)或者定點(diǎn)的運算;低壓二次設備大都采用定點(diǎn)運算，主要偏重處理單元的對外通訊和控制能力。

　　1 ADI DSP處理器在電力二次設備領(lǐng)域的應用背景

　　隨著(zhù)處理性能的不斷提高和成本的不斷降低，DSP在電力二次設備設計中的應用越來(lái)越廣泛，從開(kāi)始單純的數值算法計算，到實(shí)現真正的單芯片解決方案。隨著(zhù)半導體行業(yè)的不斷革新以及二次設備行業(yè)市場(chǎng)的持續發(fā)展，DSP在二次設備行業(yè)正起著(zhù)越來(lái)越多的作用。

　　ADI公司的DSP處理器產(chǎn)品在電力二次設備的應用歷史可以追溯到上個(gè)世紀90年代。由于A(yíng)DI在工業(yè)應用領(lǐng)域一直有良好的口碑和產(chǎn)品，電力二次設備設計中大量采用了ADI的ADC、運算放大器以及DSP處理器。其中DSP處理器主要使用定點(diǎn)DSP處理器ADSP21XX系列，以及浮點(diǎn)DSP處理器ADSP2106X系列。進(jìn)入21世紀以來(lái)， 電力二次設備市場(chǎng)面臨著(zhù)新一輪的產(chǎn)品更新?lián)Q代，原來(lái)方案中的大多數智能處理單元需要重新設計。

　　由于以往的DSP或MCU的處理能力不足，大多數老的設計方案都是采用多處理器架構。隨著(zhù)市場(chǎng)對設備成本和開(kāi)發(fā)周期要求的不斷提高，伴隨著(zhù)DSP處理器的性能不斷提升，新的電力二次設備設計越來(lái)越多地采用單芯片設計思路，如圖1所示。這樣不僅能夠大大降低設備成本，也能大大簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)平臺，節省大量的開(kāi)發(fā)費用。

　　ADI沿襲了原來(lái)對工業(yè)應用領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)拓思路，針對工業(yè)應用領(lǐng)域繼續開(kāi)發(fā)了多款數字信號處理器。其中定點(diǎn)處理器采用全新的Blackfin架構，而浮點(diǎn)處理器則是在原來(lái)的浮點(diǎn)架構上不斷提高處理能力和增加外設接口種類(lèi)，同時(shí)芯片的成本較原來(lái)大大降低，符合電力二次設備市場(chǎng)的發(fā)展方向。

　　中國政府正在擬定智能電網(wǎng)發(fā)展規劃，并已經(jīng)啟動(dòng)智能電網(wǎng)應用的先導工作，同時(shí)基于中國國家電網(wǎng)的統一管理體制，中國將是智能電網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)和應用的先行國家。中國無(wú)論在智能電網(wǎng)的技術(shù)研究還是技術(shù)應用上，與任何國家相比都并不落后，中國本土企業(yè)抓住這波數字化浪潮，必將迎來(lái)企業(yè)飛速發(fā)展的機遇。

2 ADI DSP處理器

　　2.1 定點(diǎn)DSP處理器

　　自2000年以來(lái)，ADI推出了多款定點(diǎn)Blackfin系列DSP處理器。Blackfin是一個(gè)全新的架構， 它集高性能的數字信號處理器與微控制器于一身，從芯片結構的變革性設計上支持密集的控制代碼和快速的DSP代碼。Blackfin處理器的內核結構如圖2所示。它可以工作在超級用戶(hù)模式和一般用戶(hù)模式;使用變長(cháng)指令集，芯片硬件上自動(dòng)對齊指令，所以在存儲器中沒(méi)有不同指令長(cháng)度代碼對齊的要求;支持指令和數據Cache，同時(shí)支持數據的DMA傳輸。開(kāi)發(fā)環(huán)境中的編譯器也支持對控制命令的優(yōu)化編譯，使得Blackfin作為控制器的性能不亞于其他MCU。而當進(jìn)行數字信號處理時(shí)，Blackfin的主頻最高可達700 MHz以上，同時(shí)包含2個(gè)可以并行的MAC(乘累加)單元，開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯器的不斷優(yōu)化使得大部分數字信號處理代碼都不用手工匯編，而直接使用C語(yǔ)言，大大提高了系統開(kāi)發(fā)的可維護性。

　　在外部接口上，不同的Blackfin系列提供了豐富的種類(lèi)，包括片內Flash、SDRAM或DDR控制器、并行接口PPI、異步串行接口UART、同步串行接口SPORT、并行主從DMA口HDMA、串行主從控制接口SPI、I2C、通用定時(shí)器、看門(mén)狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、GPIO管腳等，從而給客戶(hù)提供了靈活的設計空間。

　　在Blackfin上的應用軟件架構如圖3所示。用戶(hù)的數字信號處理和控制代碼可以在Blackfin上直接運行，而OS可以根據用戶(hù)的設計需要增加。非實(shí)時(shí)的操作系統可以使用?滋Clinux等， 實(shí)時(shí)操作系統可以使用Nucleus,Thread-X等。由于Blackfin提供了完整的硬件參考設計和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，使得電力二次設備客戶(hù)無(wú)論是移植老的應用方案還是重新開(kāi)發(fā)新的應用方案，都非常方便。

　　2.2 浮點(diǎn)DSP處理器

　　ADI的浮點(diǎn)DSP處理器開(kāi)發(fā)已經(jīng)有將近二十年的歷史，所開(kāi)發(fā)的SHARC系列一直在相應時(shí)期保持突出的浮點(diǎn)處理器性能。SHARC可以同時(shí)支持32位定點(diǎn)、32/40位浮點(diǎn)數據格式，片內擁有動(dòng)態(tài)寬度、雙端口、零等待的SRAM。在高壓二次設備的設計中，SHARC可以充分保證數據處理的精度以及相應處理速度。隨著(zhù)軟件環(huán)境編譯器的不斷優(yōu)化，客戶(hù)可以直接將仿真驗證過(guò)的算法浮點(diǎn)代碼移植到SHARC平臺上。

　　SHARC的很多型號支持多片架構，這樣就方便了客戶(hù)靈活設計，可以任意組合硬件配置以及相應的軟件結構。多片架構可以通過(guò)共享SDRAM或LINKPORT接口實(shí)現。共享SDRAM主要用來(lái)存放共用的數據或通訊交互數據，不同的SHARC可以通過(guò)輪流接管SDRAM來(lái)實(shí)現數據的傳遞。而LINKPORT接口可以實(shí)現SHARC之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接，如圖4所示。LINKPORT的傳輸時(shí)鐘最大可達166 MHz,8根并行數據線(xiàn)，并且可以實(shí)現雙向通訊，這種靈活有效的通訊接口，可以把SHARC的其他外設接口解放出來(lái)用于其他用途。

　　SHARC還開(kāi)發(fā)了一系列低端產(chǎn)品，通過(guò)裁減外設接口和片內SRAM空間來(lái)降低芯片的成本，對需要做簡(jiǎn)單浮點(diǎn)運算的中壓二次設備設計很有誘惑力。

2.3 最新的DSP處理器

　　ADI公司2008年推出了最新的Blackfin系列BF51X,圖5是BF51X的內部原理框圖。較以往的Blackfin產(chǎn)品，它在降低成本的基礎上更加提高了外設的集成度。處理器BF51X的主頻可以達到400 MHz,片內SRAM達到116 KB,并行接口包括1個(gè)PPI/LCD控制器，2個(gè)UART口，2個(gè)SPORT口、2個(gè)SPI口、1個(gè)TWI(I2C)、8個(gè)通用定時(shí)器、3對PWM輸出、1個(gè)SDIO/CE-ATA接口、40個(gè)GPIO管腳，提供QFP和MiniBGA的封裝，以及工業(yè)級溫度范圍。

　　BF51X上集成的以太網(wǎng)MAC還支持IEEE-1588 V2協(xié)議，可以實(shí)現在網(wǎng)絡(luò )控制系統中主從時(shí)鐘交互報文，以達到時(shí)鐘的精準同步。IEEE-1588定義了一組可以在不同系統間交互的報文協(xié)議，這些報文包含了所需的對時(shí)信息。BF51X的PTP_TSYNC模塊(精確時(shí)鐘協(xié)議時(shí)鐘同步引擎)在硬件上實(shí)現了對IEEE-1588標準的支持。

　　在電力二次設備設計中，尤其是中低壓設備中，由于BF51X有著(zhù)豐富的接口和優(yōu)秀的處理控制能力，可以實(shí)現單片解決方案，從而節省設備成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

　　ADI在2008年推出了最新的浮點(diǎn)DSP處理器系列ADSP2146X,在原來(lái)浮點(diǎn)DSP處理器系列的基礎上增大了片內RAM尺寸，達到了5 MB，主頻達到450 MHz，同時(shí)擁有16bit數據帶寬的DDR2 DRAM控制器。除了帶有片內FFT/FIR/IIR硬件加速器外，更增加了變長(cháng)指令的支持，從而可以節省20%～30%的代碼存儲空間。從芯片內部資源上對海量計算的支持有了質(zhì)的提高。ADP2146X在外設上同樣增加了高速并行接口LINKPORT，以支持海量數據的傳輸。

　　綜上所述，在電力二次設備設計中，尤其是中高壓設備中，由于A(yíng)DP2146X處理能力突出，完全可以實(shí)現單片解決方案，從而節省設備成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

　　3 ADI DSP處理器的開(kāi)發(fā)流程

　　客戶(hù)首先根據自己的