DSP處理器在電力二次設備中的開發(fā)

　　電力二次設備主要是指對一次設備進行控制、監(jiān)控和保護的設備，包括電站自動化、變電站自動化、調度自動化、配電自動化、線路保護、主設備保護和電能計費自動化產品等，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(shù)字信號來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(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

　　按照適用電網環(huán)境來分，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運算，并且多采用多處理器架構;而中壓二次設備根據(jù)不同的應用和要求會采用浮點或者定點的運算;低壓二次設備大都采用定點運算，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域的應用背景

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

　　ADI公司的DSP處理器產品在電力二次設備的應用歷史可以追溯到上個世紀90年代。由于ADI在工業(yè)應用領域一直有良好的口碑和產品，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DSP處理器ADSP21XX系列，以及浮點DSP處理器ADSP2106X系列。進入21世紀以來， 電力二次設備市場面臨著新一輪的產品更新?lián)Q代，原來方案中的大多數(shù)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(shù)老的設計方案都是采用多處理器架構。隨著市場對設備成本和開發(fā)周期要求的不斷提高，伴隨著DSP處理器的性能不斷提升，新的電力二次設備設計越來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，也能大大簡化開發(fā)平臺，節(jié)省大量的開發(fā)費用。

　　ADI沿襲了原來對工業(yè)應用領域的產品開拓思路，針對工業(yè)應用領域繼續(xù)開發(fā)了多款數(shù)字信號處理器。其中定點處理器采用全新的Blackfin架構，而浮點處理器則是在原來的浮點架構上不斷提高處理能力和增加外設接口種類，同時芯片的成本較原來大大降低，符合電力二次設備市場的發(fā)展方向。

　　中國政府正在擬定智能電網發(fā)展規(guī)劃，并已經啟動智能電網應用的先導工作，同時基于中國國家電網的統(tǒng)一管理體制，中國將是智能電網技術開發(fā)和應用的先行國家。中國無論在智能電網的技術研究還是技術應用上，與任何國家相比都并不落后，中國本土企業(yè)抓住這波數(shù)字化浪潮，必將迎來企業(yè)飛速發(fā)展的機遇。

2 ADI DSP處理器

　　2.1 定點DSP處理器

　　自2000年以來，ADI推出了多款定點Blackfin系列DSP處理器。Blackfin是一個全新的架構， 它集高性能的數(shù)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模式和一般用戶模式;使用變長指令集，芯片硬件上自動對齊指令，所以在存儲器中沒有不同指令長度代碼對齊的要求;支持指令和數(shù)據(jù)Cache，同時支持數(shù)據(jù)的DMA傳輸。開發(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。而當進行數(shù)字信號處理時，Blackfin的主頻最高可達700 MHz以上，同時包含2個可以并行的MAC(乘累加)單元，開發(fā)環(huán)境中編譯器的不斷優(yōu)化使得大部分數(shù)字信號處理代碼都不用手工匯編，而直接使用C語言，大大提高了系統(tǒng)開發(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，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、通用定時器、看門狗、實時時鐘、GPIO管腳等，從而給客戶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。用戶的數(shù)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(jù)用戶的設計需要增加。非實時的操作系統(tǒng)可以使用?滋Clinux等， 實時操作系統(tǒng)可以使用Nucleus,Thread-X等。由于Blackfin提供了完整的硬件參考設計和軟件開發(fā)環(huán)境，使得電力二次設備客戶無論是移植老的應用方案還是重新開發(fā)新的應用方案，都非常方便。

　　2.2 浮點DSP處理器

　　ADI的浮點DSP處理器開發(fā)已經有將近二十年的歷史，所開發(fā)的SHARC系列一直在相應時期保持突出的浮點處理器性能。SHARC可以同時支持32位定點、32/40位浮點數(shù)據(jù)格式，片內擁有動態(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(shù)據(jù)處理的精度以及相應處理速度。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證過的算法浮點代碼移植到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。多片架構可以通過共享SDRAM或LINKPORT接口實現(xiàn)。共享SDRAM主要用來存放共用的數(shù)據(jù)或通訊交互數(shù)據(jù)，不同的SHARC可以通過輪流接管SDRAM來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。而LINKPORT接口可以實現(xiàn)SHARC之間的點對點連接，如圖4所示。LINKPORT的傳輸時鐘最大可達166 MHz,8根并行數(shù)據(jù)線，并且可以實現(xiàn)雙向通訊，這種靈活有效的通訊接口，可以把SHARC的其他外設接口解放出來用于其他用途。

　　SHARC還開發(fā)了一系列低端產品，通過裁減外設接口和片內SRAM空間來降低芯片的成本，對需要做簡單浮點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PPI/LCD控制器，2個UART口，2個SPORT口、2個SPI口、1個TWI(I2C)、8個通用定時器、3對PWM輸出、1個SDIO/CE-ATA接口、40個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MAC還支持IEEE-1588 V2協(xié)議，可以實現(xiàn)在網絡控制系統(tǒng)中主從時鐘交互報文，以達到時鐘的精準同步。IEEE-1588定義了一組可以在不同系統(tǒng)間交互的報文協(xié)議，這些報文包含了所需的對時信息。BF51X的PTP_TSYNC模塊(精確時鐘協(xié)議時鐘同步引擎)在硬件上實現(xiàn)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有著豐富的接口和優(yōu)秀的處理控制能力，可以實現(xiàn)單片解決方案，從而節(jié)省設備成本，縮短開發(fā)周期。

　　ADI在2008年推出了最新的浮點DSP處理器系列ADSP2146X,在原來浮點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，同時擁有16bit數(shù)據(jù)帶寬的DDR2 DRAM控制器。除了帶有片內FFT/FIR/IIR硬件加速器外，更增加了變長指令的支持，從而可以節(jié)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(shù)據(jù)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ADP2146X處理能力突出，完全可以實現(xiàn)單片解決方案，從而節(jié)省設備成本，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