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雙處理器在變電站監(jiān)控中的應(yīng)用研究論文
摘要：本文分析了變電站監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展要求，并以工程應(yīng)用為切入點(diǎn)，初步討論了變電站監(jiān)控單元對(duì)DSP+MCU雙處理器模式的需要;介紹了DSP、MCU的技術(shù)背景;闡述了DSP與MCU間的數(shù)據(jù)通信方式;提出了一種基于DSP+MCU雙處理器模式的高性能變電站監(jiān)控單元的實(shí)現(xiàn)實(shí)例;并指出了DSP、MCU走向融合的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：變電站監(jiān)控；DSP；數(shù)據(jù)通信；嵌入式以太網(wǎng)
0引言
隨著變電站自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、控制為目的的監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求：除了在監(jiān)測(cè)、控制的量上有較大增加外，對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、控制操作的快速性、分析手段的多樣性、分析算法的復(fù)雜性、通信方式的靈活性等都提出了更苛刻的要求。在大數(shù)據(jù)處理容量、復(fù)雜分析算法、先進(jìn)的通信方式面前，采用單一的DSP或MCU處理器構(gòu)筑的硬件平臺(tái)明顯力不從心。采用DSP+MCU雙處理器模式，利用DSP芯片較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、計(jì)算，外加一款具有較強(qiáng)通信處理能力的MCU以迎合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通信技術(shù)的要求，不失為一種兩全其美的解決辦法。
1技術(shù)背景
1.1變電站監(jiān)控
變電站監(jiān)控的主要任務(wù)就是采集所在發(fā)電廠或變電站表征電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的模擬量和狀態(tài)量，并向調(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心下發(fā)的控制和調(diào)節(jié)命令。監(jiān)控單元是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的前置I/O模塊，直接和現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備相連，是數(shù)據(jù)采集、處理、控制操作的核心，因此其性能的高低直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。早期的監(jiān)控單元是由一些分立元件構(gòu)成，它所能處理的信息量很少，功能極為簡(jiǎn)單。隨著微處理器技術(shù)的運(yùn)用，監(jiān)控單元也發(fā)展到了以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)，但在數(shù)據(jù)采集、處理量較少、精度要求不高，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、先進(jìn)性也沒(méi)有太嚴(yán)格要求的情況下，采用單片低價(jià)位8位或16位MCU就可以實(shí)現(xiàn)。
隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展以及分析算法、分析手段的提高，越來(lái)越多的用戶特別是一些特殊用戶（如高壓、超高壓變電站、電氣化鐵路牽引變電所、大型企業(yè)變電所等）對(duì)變電站監(jiān)控的設(shè)計(jì)需求也越來(lái)越高，如：能夠?qū)崟r(shí)分析高次諧波、能夠計(jì)算序分量從而分析電能質(zhì)量、能夠進(jìn)行控制操作的邏輯閉鎖等，從而涉及到高速數(shù)據(jù)采樣及處理；在通信上，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、可靠性、先進(jìn)性要求也越來(lái)越高，嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)、雙現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也相繼在變電站監(jiān)控單元中采用。在此背景下，采用DSP+MCU雙處理器模式可以較好的解決復(fù)雜數(shù)據(jù)處理與先進(jìn)的通信技術(shù)之間的矛盾。
1.2 DSP芯片的特點(diǎn)
DSP，又稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)算法處理，其主要技術(shù)特征：
a. 硬件上采用多總線哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)的處理能力和速度。
b. 指令執(zhí)行采用流水作業(yè)，具有較高的指令執(zhí)行速度。
c. DSP內(nèi)部一般都包括有多個(gè)處理單元，如算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、輔助寄存器運(yùn)算單元、累加器以及硬件乘法器等，它們可以在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。
d. 內(nèi)部具有獨(dú)立的DMA總線控制器，可以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行與數(shù)據(jù)傳輸并行工作。
e. 具有多處理器接口，為使用嵌入式子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大型和復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
因此DSP特別適合于大容量、高復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)合，在變電站監(jiān)控中DSP芯片作為監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和處理的核心。
1.3 MCU的功能定位與選型
MCU即嵌入式微處理器。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高，MCU不斷產(chǎn)生新的變化和進(jìn)步，與微機(jī)之間的性能差距越來(lái)越小，并且集成度越來(lái)越高，功耗越來(lái)越低。
在百花齊放的MCU家族中，要做出最優(yōu)的選擇確實(shí)是件令設(shè)計(jì)師頭疼的事。根據(jù)前述DSP和MCU在變電站監(jiān)控單元中扮演的角色，MCU側(cè)重于處理通信任務(wù)。對(duì)于采用了雙處理器模式且DSP芯片已經(jīng)承擔(dān)了大部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算、處理的場(chǎng)合， MCU的選型應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：
a. 系統(tǒng)擬采用的通信方式
MCU的選型一定程度上取決于監(jiān)控單元所采用的通信方式。如果系統(tǒng)采用CAN總線互連，則可選擇一款具有CAN總線接口的MCU芯片；如果采用嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，則可選擇具有以太網(wǎng)接口的MCU芯片。雖然可以通過(guò)外擴(kuò)協(xié)議芯片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的通信方式，但這樣做會(huì)較大地增加系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)銷(xiāo)。
b. MCU的資源能否滿足要求、外圍接口是否方便
根據(jù)監(jiān)控單元的功能定位，對(duì)MCU的資源進(jìn)行審查：包括總線位數(shù)（8位、16位、32位）、主頻、指令周期、尋址空間、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器、外圍接口等，由此判斷能否滿足設(shè)計(jì)需要，并留有適當(dāng)?shù)脑Ａ恳詡湎到y(tǒng)升級(jí)。
c. 開(kāi)發(fā)工具是否完備、編程是否方便
開(kāi)發(fā)環(huán)境的好壞直接影響到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。是否有嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持，是否支持高級(jí)語(yǔ)言編程，是否可以在線對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真調(diào)試等都是需要重點(diǎn)考慮的因素。
d. 價(jià)格是否合理
最后要看MCU芯片的價(jià)位是否在容許的范圍內(nèi)，短期內(nèi)貨源是否正常，價(jià)位是否會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)等。
2DSP與MCU間的數(shù)據(jù)交互
在以DSP＋MCU雙處理器為核心的智能單元中，二者之間的數(shù)據(jù)通信是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，直接影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃�，常�?jiàn)的數(shù)據(jù)交互方式有以下三種：
2.1 采用雙端口RAM
采用雙端口RAM解決雙處理器間的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題是最常用的方式，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖一所示：
雙端口RAM具有兩套獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址、控制總線，可以分別與DSP和MCU兩個(gè)處理器接口，通過(guò)這一片外公共的存取空間，MCU和DSP就可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互了。
優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便；實(shí)時(shí)性較好。
缺點(diǎn)：增加了硬件成本；占用了有限的印制板空間；如果對(duì)控制信號(hào)（尤其是兩測(cè)的BUSY信號(hào)）處理不好容易降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
2.2 采用串行通信
目前，大多數(shù)MCU和DSP芯片都具有較強(qiáng)的串行通信能力，且可以工作在較高的通信速率，采用串行接口也是一種較好的選擇。串行通信可采用同步、異步、SPI等方式。圖二所示為MCU、DSP間通過(guò)SPI[1]通信的示意圖：
MCU為SPI的主設(shè)備，掌握通信的主動(dòng)權(quán)，產(chǎn)生片選、時(shí)鐘信號(hào)；DSP為SPI的從設(shè)備，被動(dòng)的接收主機(jī)命令，并將主機(jī)所需信息放在主機(jī)的SIN引腳上；在這種主從式的結(jié)構(gòu)中，從機(jī)沒(méi)有主動(dòng)發(fā)言權(quán)。
優(yōu)點(diǎn)：接口簡(jiǎn)單，只需四根信號(hào)線。
缺點(diǎn)：實(shí)時(shí)性不好；占用處理器資源，如兩邊的處理器沒(méi)有專(zhuān)用通信協(xié)處理器或足夠的FIFO，在通信過(guò)程中將頻繁地產(chǎn)生收、發(fā)中斷；需要加載一定的通信協(xié)議，因此軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜。
2.3 采用HPI[2]
TI公司的TMS320C5000和TMS320C6000系列較多款DSP中含有HPI（即主機(jī)接口），用來(lái)與主設(shè)備或主處理器接口。外部主機(jī)是HPI的主控者，它可以通過(guò)HPI直接訪問(wèn)DSP的存儲(chǔ)空間，包括存儲(chǔ)器映像寄存器。
HPI主要由以下5個(gè)部分組成：HPI存儲(chǔ)器（DARAM），主要用作與主機(jī)傳送數(shù)據(jù)；HPI地址寄存器，存放主機(jī)當(dāng)前尋址HPI存儲(chǔ)單元的地址；HPI數(shù)據(jù)鎖存器，用于存放主機(jī)正要讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)；HPI控制寄存器，用于DSP或主機(jī)間的控制操作；HPI控制邏輯，用于處理HPI與主機(jī)之間的接口信號(hào)。
當(dāng)DSP與主機(jī)交換信息時(shí)，HPI是主機(jī)的一個(gè)外圍設(shè)備。DSP和主機(jī)可以在共用尋址方式下對(duì)HPI進(jìn)行操作，主機(jī)和DSP都能尋址HPI存儲(chǔ)器，異步工作的主機(jī)的尋址可以在HPI內(nèi)部重新得到同步。如果DSP與主機(jī)的周期發(fā)生沖突，則主機(jī)具有尋址優(yōu)先權(quán)，DSP等待一個(gè)周期。
圖三所示為MCU與DSP間通過(guò)HPI接口的框圖：MCU充當(dāng)HPI的主機(jī)，值得注意的是，DSP可以通過(guò)對(duì)控制寄存器的操作以硬中斷的方式將MCU打斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)DSP的快速響應(yīng)，同樣MCU也可以通過(guò)對(duì)控制寄存器的操作以內(nèi)部中斷的方式申請(qǐng)DSP的快速響應(yīng)。
HPI接口的應(yīng)用極大地方便了MCU與DSP間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)使零硬件、軟件開(kāi)銷(xiāo)成為可能。該方案靈活、簡(jiǎn)單，同時(shí)又能滿足實(shí)時(shí)性的需要，為開(kāi)發(fā)人員提供了一種全新的數(shù)據(jù)共享、傳輸方案。
3 基于DSP+MCU的監(jiān)控單元硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
鑒于部分用戶對(duì)高性能監(jiān)控單元的需要，以下給出基于TI公司高性能DSP芯片TMS320VC5402和MOTOROLA高性能MCU芯片MCF5272[3]的雙處理器監(jiān)控單元硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖，如圖四所示：
3.1主要芯片介紹：
在本例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TI公司最新推出的ADS8364芯片：16位精度，6通道同步采樣，采樣速率250KHz，并行接口。此AD芯片與處理器接口簡(jiǎn)單，控制方便，且可以同時(shí)將一條線路的所有電壓、電流量采出，為后續(xù)的高級(jí)分析、計(jì)算提供了條件。
數(shù)字信號(hào)處理器選擇了美國(guó)TI公司的TMS320C5000系列中的一款16位定點(diǎn)DSP芯片 TMS320VC5402，其在通信與信息系統(tǒng)、信號(hào)與信號(hào)處理和自動(dòng)化控制領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，除具有其它DSP芯片的特點(diǎn)外，還具有一個(gè)8位的HPI接口，指令執(zhí)行速度達(dá)100MIPS。其與MCU接口方便，且適于大容量數(shù)據(jù)處理和較復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)。
微處理器選用了MOTOROLA公司Coldfire系列中的高性價(jià)比微處理器芯片MCF5272。32位數(shù)據(jù)、地址總線，SDRAM接口，四個(gè)16位定時(shí)器，三通道PWM輸出，主頻達(dá)66MHz。MCF5272具有很強(qiáng)的通信能力，含有一個(gè)10M全雙工或100M半雙工以太網(wǎng)接口、一個(gè)USB1.1接口、兩個(gè)URAT，此外還有QSPI接口，特別適合于通信處理。
3.2DSP與MCU的分工協(xié)作
由圖四可見(jiàn)，系統(tǒng)主要由兩部分組成，以DSP為核心的交流采樣部分和以MCU為核心的數(shù)據(jù)通信部分，二者互相獨(dú)立而又相互協(xié)作。DSP主要負(fù)責(zé)監(jiān)控單元中的交流采樣任務(wù)，采集系統(tǒng)頻率，定時(shí)控制AD轉(zhuǎn)換，讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果放在HPI存儲(chǔ)器中。對(duì)重要數(shù)據(jù)以硬中斷的方式通知MCU快速提取，一般數(shù)據(jù)則由MCU根據(jù)需要主動(dòng)讀取。MCU負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通信任務(wù)，以總線或網(wǎng)絡(luò)的方式上傳給上級(jí)設(shè)備，并執(zhí)行上級(jí)設(shè)備下發(fā)的命令，同時(shí)承擔(dān)一些信號(hào)輸入、輸出等耗時(shí)較少的工作。
為防止MCU和DSP間的相互影響，HPI總線通過(guò)245進(jìn)行了隔離。
3.3系統(tǒng)主要性能
交流采樣方面：基于上述TI的6通道快速采樣AD和高性能DSP芯片，測(cè)控單元每周波可采樣128點(diǎn)，除了計(jì)算一些常規(guī)的電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因素外，采用快速傅立葉變換進(jìn)行高次諧波分析，計(jì)算諧波含量，計(jì)算正序、負(fù)序、零序分量，分析電網(wǎng)的不平衡度，分析輸入量的相位關(guān)系等等一些高級(jí)分析功能。
通信方面：
�。�1）嵌入式以太網(wǎng)的應(yīng)用[4]。隨著變電站自動(dòng)化程度的提高以及高壓、超高壓大型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，RS485總線、現(xiàn)場(chǎng)總線（如CAN、LonWorks等）通信方式已經(jīng)滿足不了要求，嵌入式以太網(wǎng)的出現(xiàn)為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了實(shí)現(xiàn)站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的新途徑，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。MCF5272對(duì)10M、100M以太網(wǎng)的支持正是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式以太網(wǎng)的需要。
�。�2）除了提供嵌入式以太網(wǎng)外，MCF5272在不需要擴(kuò)展通信芯片的情況下，還可使監(jiān)控單元以485總線的方式接入其它裝置，并可加載數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（如HDLC協(xié)議）；可以將智能裝置通過(guò)RS232或RS485就近接入監(jiān)控單元隨網(wǎng)絡(luò)上傳；可以采用USB接口方便地進(jìn)行維護(hù)。
其它方面：可以實(shí)現(xiàn)軟PLC功能，用于設(shè)備級(jí)的操作閉鎖。
3.4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
TMS320VC5402提供JTAG標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口，可通過(guò)PC機(jī)對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行在線仿真、跟蹤調(diào)試，可采用高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言交叉編程，極大地縮短了開(kāi)發(fā)周期。
MCF5272的軟件部分，采用VxWorks [5]實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。VxWorks作為性能優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，不論是在可靠性、實(shí)時(shí)性、可裁減性方面，還是在開(kāi)放性、易用性等方面都是相當(dāng)不錯(cuò)的。它十分靈活，具有多達(dá)1800個(gè)功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口，適用于從最簡(jiǎn)單到最復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可靠性極高。VxWorks的應(yīng)用將使監(jiān)控單元如虎添翼，使系統(tǒng)的靈活性、可靠性、實(shí)時(shí)性都達(dá)到很高的水平。
結(jié)合具體的工程需要，適當(dāng)調(diào)整輸入、輸出量，可將以上的軟、硬件平臺(tái)廣泛應(yīng)用到變電站自動(dòng)裝置（同期、備自投、故障錄波）、繼電保護(hù)以及其它行業(yè)的控制系統(tǒng)中。
4結(jié)語(yǔ)
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，DSP和MCU正在走向融合。目前，很多廠商推出了MCU+DSP的雙芯核芯片，但這樣的多芯核處理環(huán)境勢(shì)必增加系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)和片上調(diào)試裝置的復(fù)雜性。嵌入式芯片設(shè)計(jì)正朝著把單MCU-DSP芯核結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)器和外設(shè)邏輯集成在一起的方向發(fā)展。但無(wú)論如何，單片解決復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理與通信問(wèn)題將是今后發(fā)展的趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
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