DSP處理器在電力二次設(shè)備中的開發(fā)

　　電力二次設(shè)備主要是指對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行控制、監(jiān)控和保護(hù)的設(shè)備，包括電站自動(dòng)化、變電站自動(dòng)化、調(diào)度自動(dòng)化、配電自動(dòng)化、線路保護(hù)、主設(shè)備保護(hù)和電能計(jì)費(fèi)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(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在電力二次設(shè)備中的應(yīng)用。

　　DSP(digital signal processor)是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。

　　按照適用電網(wǎng)環(huán)境來(lái)分，電力二次設(shè)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(shè)備。在高壓和中壓應(yīng)用中，需要智能處理單元響應(yīng)速度快、延遲小，其中高壓二次設(shè)備大都采用浮點(diǎn)運(yùn)算，并且多采用多處理器架構(gòu);而中壓二次設(shè)備根據(jù)不同的應(yīng)用和要求會(huì)采用浮點(diǎn)或者定點(diǎn)的運(yùn)算;低壓二次設(shè)備大都采用定點(diǎn)運(yùn)算，主要偏重處理單元的對(duì)外通訊和控制能力。

　　1 ADI DSP處理器在電力二次設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用背景

　　隨著處理性能的不斷提高和成本的不斷降低，DSP在電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從開始單純的數(shù)值算法計(jì)算，到實(shí)現(xiàn)真正的單芯片解決方案。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷革新以及二次設(shè)備行業(yè)市場(chǎng)的持續(xù)發(fā)展，DSP在二次設(shè)備行業(yè)正起著越來(lái)越多的作用。

　　ADI公司的DSP處理器產(chǎn)品在電力二次設(shè)備的應(yīng)用歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)90年代。由于ADI在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域一直有良好的口碑和產(chǎn)品，電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中大量采用了ADI的ADC、運(yùn)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(jì)以來(lái)， 電力二次設(shè)備市場(chǎng)面臨著新一輪的產(chǎn)品更新?lián)Q代，原來(lái)方案中的大多數(shù)智能處理單元需要重新設(shè)計(jì)。

　　由于以往的DSP或MCU的處理能力不足，大多數(shù)老的設(shè)計(jì)方案都是采用多處理器架構(gòu)。隨著市場(chǎng)對(duì)設(shè)備成本和開發(fā)周期要求的不斷提高，伴隨著DSP處理器的性能不斷提升，新的電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)越來(lái)越多地采用單芯片設(shè)計(jì)思路，如圖1所示。這樣不僅能夠大大降低設(shè)備成本，也能大大簡(jiǎn)化開發(fā)平臺(tái)，節(jié)省大量的開發(fā)費(fèi)用。

　　ADI沿襲了原來(lái)對(duì)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品開拓思路，針對(duì)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)開發(fā)了多款數(shù)字信號(hào)處理器。其中定點(diǎn)處理器采用全新的Blackfin架構(gòu)，而浮點(diǎn)處理器則是在原來(lái)的浮點(diǎn)架構(gòu)上不斷提高處理能力和增加外設(shè)接口種類，同時(shí)芯片的成本較原來(lái)大大降低，符合電力二次設(shè)備市場(chǎng)的發(fā)展方向。

　　中國(guó)政府正在擬定智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，并已經(jīng)啟動(dòng)智能電網(wǎng)應(yīng)用的先導(dǎo)工作，同時(shí)基于中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的統(tǒng)一管理體制，中國(guó)將是智能電網(wǎng)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的先行國(guó)家。中國(guó)無(wú)論在智能電網(wǎng)的技術(shù)研究還是技術(shù)應(yīng)用上，與任何國(guó)家相比都并不落后，中國(guó)本土企業(yè)抓住這波數(shù)字化浪潮，必將迎來(lái)企業(yè)飛速發(fā)展的機(jī)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(gòu)， 它集高性能的數(shù)字信號(hào)處理器與微控制器于一身，從芯片結(jié)構(gòu)的變革性設(shè)計(jì)上支持密集的控制代碼和快速的DSP代碼。Blackfin處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖2所示。它可以工作在超級(jí)用戶模式和一般用戶模式;使用變長(zhǎng)指令集，芯片硬件上自動(dòng)對(duì)齊指令，所以在存儲(chǔ)器中沒有不同指令長(zhǎng)度代碼對(duì)齊的要求;支持指令和數(shù)據(jù)Cache，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)的DMA傳輸。開發(fā)環(huán)境中的編譯器也支持對(duì)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(dāng)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，Blackfin的主頻最高可達(dá)700 MHz以上，同時(shí)包含2個(gè)可以并行的MAC(乘累加)單元，開發(fā)環(huán)境中編譯器的不斷優(yōu)化使得大部分?jǐn)?shù)字信號(hào)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(tǒng)開發(fā)的可維護(hù)性。

　　在外部接口上，不同的Blackfin系列提供了豐富的種類，包括片內(nèi)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、看門狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、GPIO管腳等，從而給客戶提供了靈活的設(shè)計(jì)空間。

　　在Blackfin上的應(yīng)用軟件架構(gòu)如圖3所示。用戶的數(shù)字信號(hào)處理和控制代碼可以在Blackfin上直接運(yùn)行，而OS可以根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)需要增加。非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)可以使用?滋Clinux等， 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以使用Nucleus,Thread-X等。由于Blackfin提供了完整的硬件參考設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)環(huán)境，使得電力二次設(shè)備客戶無(wú)論是移植老的應(yīng)用方案還是重新開發(fā)新的應(yīng)用方案，都非常方便。

　　2.2 浮點(diǎn)DSP處理器

　　ADI的浮點(diǎn)DSP處理器開發(fā)已經(jīng)有將近二十年的歷史，所開發(fā)的SHARC系列一直在相應(yīng)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(shù)據(jù)格式，片內(nèi)擁有動(dòng)態(tài)寬度、雙端口、零等待的SRAM。在高壓二次設(shè)備的設(shè)計(jì)中，SHARC可以充分保證數(shù)據(jù)處理的精度以及相應(yīng)處理速度。隨著軟件環(huán)境編譯器的不斷優(yōu)化，客戶可以直接將仿真驗(yàn)證過(guò)的算法浮點(diǎn)代碼移植到SHARC平臺(tái)上。

　　SHARC的很多型號(hào)支持多片架構(gòu)，這樣就方便了客戶靈活設(shè)計(jì)，可以任意組合硬件配置以及相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)。多片架構(gòu)可以通過(guò)共享SDRAM或LINKPORT接口實(shí)現(xiàn)。共享SDRAM主要用來(lái)存放共用的數(shù)據(jù)或通訊交互數(shù)據(jù)，不同的SHARC可以通過(guò)輪流接管SDRAM來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。而LINKPORT接口可以實(shí)現(xiàn)SHARC之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，如圖4所示。LINKPORT的傳輸時(shí)鐘最大可達(dá)166 MHz,8根并行數(shù)據(jù)線，并且可以實(shí)現(xiàn)雙向通訊，這種靈活有效的通訊接口，可以把SHARC的其他外設(shè)接口解放出來(lái)用于其他用途。

　　SHARC還開發(fā)了一系列低端產(chǎn)品，通過(guò)裁減外設(shè)接口和片內(nèi)SRAM空間來(lái)降低芯片的成本，對(duì)需要做簡(jiǎn)單浮點(diǎn)運(yùn)算的中壓二次設(shè)備設(shè)計(jì)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(nèi)部原理框圖。較以往的Blackfin產(chǎn)品，它在降低成本的基礎(chǔ)上更加提高了外設(shè)的集成度。處理器BF51X的主頻可以達(dá)到400 MHz,片內(nèi)SRAM達(dá)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(duì)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(jí)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(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中主從時(shí)鐘交互報(bào)文，以達(dá)到時(shí)鐘的精準(zhǔn)同步。IEEE-1588定義了一組可以在不同系統(tǒng)間交互的報(bào)文協(xié)議，這些報(bào)文包含了所需的對(duì)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(xiàn)了對(duì)IEEE-1588標(biāo)準(zhǔn)的支持。

　　在電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中，尤其是中低壓設(shè)備中，由于BF51X有著豐富的接口和優(yōu)秀的處理控制能力，可以實(shí)現(xiàn)單片解決方案，從而節(jié)省設(shè)備成本，縮短開發(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(chǔ)上增大了片內(nèi)RAM尺寸，達(dá)到了5 MB，主頻達(dá)到450 MHz，同時(shí)擁有16bit數(shù)據(jù)帶寬的DDR2 DRAM控制器。除了帶有片內(nèi)FFT/FIR/IIR硬件加速器外，更增加了變長(zhǎng)指令的支持，從而可以節(jié)省20%～30%的代碼存儲(chǔ)空間。從芯片內(nèi)部資源上對(duì)海量計(jì)算的支持有了質(zhì)的提高。ADP2146X在外設(shè)上同樣增加了高速并行接口LINKPORT，以支持海量數(shù)據(jù)的傳輸。

　　綜上所述，在電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中，尤其是中高壓設(shè)備中，由于ADP2146X處理能力突出，完全可以實(shí)現(xiàn)單片解決方案，從而節(jié)省設(shè)備成本，縮短開發(fā)周期。

　　3 ADI DSP處理器的開發(fā)流程

　　客戶首先根據(jù)自己的