用于電力系統(tǒng)的DSP解決方案

摘要：介紹二款專為電力監(jiān)測(cè)/監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的DSP硬件平臺(tái)，具體說(shuō)明DSP方案比傳統(tǒng)的

關(guān)鍵詞：電力監(jiān)測(cè)/監(jiān)控 RTU 電力保護(hù) DSP

電力系統(tǒng)的特點(diǎn)

一個(gè)電力監(jiān)測(cè)/監(jiān)控系統(tǒng)需要完成下列全部或部分工作：

①同時(shí)采集各相電壓和電流數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)計(jì)算各相電壓和電流的有效值、功率、有功功率、無(wú)功功率、視在功率和功率因子；

②根據(jù)一定的故障判據(jù)，判斷是否有故障發(fā)生，并地蠔故障錄波；

③監(jiān)測(cè)開關(guān)變位；

④按照標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，將監(jiān)測(cè)得的數(shù)據(jù)上傳中心站；

⑤接收中心站的遙控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)出開關(guān)的合閘或斷開命令。

由上可知，與一般工控系統(tǒng)相比，電力監(jiān)測(cè)/監(jiān)控系統(tǒng)有2個(gè)基本的特點(diǎn)；

①電壓/電流同時(shí)采樣，二者之間無(wú)相位差，方便功率和功率因子計(jì)算。

②實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理量大，要求采用高速處理器。

在電力監(jiān)測(cè)/監(jiān)控系統(tǒng)用DSP代替MCU正是基于上述第2個(gè)特點(diǎn)。

DSP與MCU的比較

DSP實(shí)際上是一種特殊的MCU，與MCU相比它有以一下的特點(diǎn)：

①片內(nèi)有多條地址、數(shù)據(jù)和控制總線，可使多個(gè)控制和運(yùn)算部件并行工作，提高CPU的處理能力。

②DSP中一定有硬件乘法器，乘法運(yùn)算一條指令完成。并且乘法器是獨(dú)立的，可以和加法器等運(yùn)算部件并行工作，提高了CPU的數(shù)字處理能力。

③DSP中有一些特殊指令，用來(lái)加速數(shù)字處理。比如，連乘加（MAC）指令，一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)完成乘法和加法運(yùn)算。

④主頻比一般MCU要高許多。從指令周期來(lái)看：低檔DSP一般為50ns；中檔DSP一般為10ns；高檔DSP一般為5ns。從處理看；低檔DSP一般為20MIPS；中檔DSP一般為100MIPS；高檔DSP一般為1600MIPS。

數(shù)字運(yùn)算，歸根結(jié)底是乘、加運(yùn)算，即∑An∑×Xn。由上可見，DSP的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)比MCU更適合于數(shù)字信號(hào)處理。

DSP的外部硬件結(jié)構(gòu)和MCU相同，由地址、數(shù)據(jù)和控制三總線組成，所以外部硬件構(gòu)成和MCU大致相同，只不過(guò)DSP的外部總線要比MCU快很多，所以選擇外部器件時(shí)注意要選用高速器件，做PCB板時(shí)，一般應(yīng)采用高速器件，做PCB板時(shí)，一般應(yīng)采用多層板， 這樣才能保證DSP系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

在軟件開發(fā)上，DSP與MCU相比，更好地支持模塊化編程，并更便于工程化管理。在軟/硬件的調(diào)試方面，DSP與MCU有較大的區(qū)別。MCU的軟/硬件調(diào)用替代方式來(lái)進(jìn)行的。也就是說(shuō)MCU的仿真器是一套完整的MCU系統(tǒng)，用MCU仿真器的仿真頭代替被仿真的目標(biāo)系統(tǒng)的MCU，甚至還可以用仿零點(diǎn)上的存儲(chǔ)器代替目標(biāo)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器。這樣做法的缺點(diǎn)有：①硬件時(shí)序時(shí)為仿真的硬件時(shí)序，與目標(biāo)系統(tǒng)硬件時(shí)序有一定差異。②仿真器或多或少要占用一定的硬件資源。③隨著MCU引腳數(shù)的增多和封裝的小型化，仿真頭制作起來(lái)越難。④隨著MCU主頻的提高，仿真電纜長(zhǎng)度將越來(lái)越短，使用更加不便。⑤不同的MCU仿真器的硬件各不相同，用戶開發(fā)投資加得。而DSP是用接口方式來(lái)仿真，DSP仿真器上沒(méi)有任何DSP資源，所有資源都在DSP目標(biāo)系統(tǒng)上，DSP仿真器只提供獨(dú)立于DSP的JTAG標(biāo)準(zhǔn)接口（IEEE標(biāo)準(zhǔn)），DSP芯片上有專門用于仿真調(diào)試的信號(hào)引腳，用戶只需按JTAG標(biāo)準(zhǔn)，在DSP目標(biāo)板上作一接口（14芯雙排插針），二者相連即可對(duì)DSP進(jìn)行仿真調(diào)試。DSP仿真器與MCU仿真器相比優(yōu)點(diǎn)有：①硬件時(shí)序即為目標(biāo)系統(tǒng)硬件時(shí)序。②仿真器不占用DSP任何資源。③仿真接口與DSP引腳數(shù)和封裝無(wú)關(guān)。④仿真接口與DSP主頻無(wú)關(guān)。⑤仿真器硬件與DSP無(wú)關(guān)，不同系列DSP仿真器硬件相同，所不同的只是編譯軟件和調(diào)試軟件，節(jié)省用戶的開發(fā)投資。高效的編譯軟件和功能強(qiáng)大的調(diào)度軟件，使用戶開發(fā)DSP的系統(tǒng)更加快捷、方便。

電力系統(tǒng)DSP解決方案

根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，及不同應(yīng)用性價(jià)比的要求，北京合眾達(dá)公司推出二款用于電力系統(tǒng)的DSP硬件平臺(tái)：SEED-F206MS和SEED-C32MS。SEED-F206MS適用于電力自動(dòng)化（如站內(nèi)分布式RTU、柱上RTU和電力儀器/儀表）和低壓保護(hù)；SEED-C32MS適用于電力高壓保護(hù)和故障錄波器。

SEED-F206MS原理框圖如圖1所示，它由下列幾部分組成：

①由處理器：采用TMS320F206 16位定點(diǎn)DSP作主處理器，處理20MIPS，F(xiàn)206片上有4.5×16位的高速SRAM、32K×16位的高速Flash、一個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)導(dǎo)步串口、一個(gè)同步串口及三個(gè)外部中斷。

②模擬量輸入：采用4片MAX125組成16通道同時(shí)采樣、每通道采樣率76KSPS、分辨率14位、輸入范圍±5V的模擬輸入部分。電流、電壓經(jīng)CT、PT變換成滿足要求的模擬輸入量。模擬輸入通道實(shí)際可達(dá)到32個(gè)通道，只不過(guò)這32個(gè)通道不是完全同時(shí)采樣的，而是16通道/16通道同樣采樣，在合理安排采樣通道數(shù)的情況下，可以滿足電力系統(tǒng)同相電壓/電流同時(shí)采樣的要求。

③頻率測(cè)量：由硬件電路實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)的頻率測(cè)量，硬件電路將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波，用2.5MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)方波信號(hào)，并將計(jì)數(shù)值鎖存到測(cè)頻寄存器中，F(xiàn)206讀測(cè)頻寄存器，2.5MHz除于測(cè)頻寄存器值，即為被測(cè)信號(hào)的頻率。被測(cè)信號(hào)要求滿足：±1V≤幅值≤±10V，39Hz≤頻率≤2.5MHz。測(cè)頻精度的時(shí)間分辨率為400ns。

④開關(guān)量輸入：16路開關(guān)量信號(hào)經(jīng)限流、去抖后加到光電隔離器上，并經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖給`F206，由`F206來(lái)監(jiān)測(cè)開關(guān)變位情況。限流電阻為3.6KΩ@1/4W，開關(guān)量輸入范圍：18V～30V直流。光電隔離器采用東芝TLP121，隔離電壓2500V直流，信號(hào)帶寬10KHz。

⑤開關(guān)量輸出：16路開關(guān)量輸出，由`F206鎖存到輸出寄存器中，再經(jīng)達(dá)靈頓型光電隔離器輸出，用于驅(qū)動(dòng)外部繼電器。達(dá)靈頓型光電隔離器采用東芝TLP127，輸出級(jí)作為一個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，最大耐壓為40V直流，最大輸出電流200mA，隔離電壓2500V直流，信號(hào)帶寬10KHz。

⑥外部接口：采用16C552（2串/1并）器件，加上1F206片上1個(gè)導(dǎo)步串口和1個(gè)同步串口，組成有3個(gè)異步串口，1個(gè)同步串口和1個(gè)打印機(jī)接口的外部接口，便于系統(tǒng)的靈活應(yīng)用和擴(kuò)充。3個(gè)異步串口中，基中有2個(gè)帶光電隔離，并且有1個(gè)可配置為RS232/RS485/RS422，其余2個(gè)為RS232。

⑦其它：看門狗電路，提高系統(tǒng)的可靠性；實(shí)時(shí)時(shí)鐘，提供時(shí)間基準(zhǔn)；2K×8位掉電數(shù)據(jù)不丟失NVRAM，提供用戶存放重要參數(shù)；64K×16位外部擴(kuò)展的等程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，提供用戶更大的應(yīng)用范圍。

SEED-C32MS原理框圖如圖2所示，綜由下列幾部分組成：

①主處理器：采用TMS320C32 32位浮點(diǎn)DSP作主處理器，處理MFLOPS，`C32片上有0.5K×32位的高速SRAM、二個(gè)32位定時(shí)器、一個(gè)同步串口及四個(gè)外部中斷。

②模擬量輸入：采用1片AD676和16片LF398M組成16通道同時(shí)采樣分時(shí)轉(zhuǎn)換、每通道采樣率5KSPS、分辨率16位、輸入范圍±5V的模擬輸入部分。電流、電壓經(jīng)CT、PT變換成滿足要求的模擬輸入量。模擬輸入通道還可通過(guò)擴(kuò)展口擴(kuò)展至32個(gè)通道。

③頻率測(cè)量：由硬件電路實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)的頻率測(cè)量，硬件電路將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波，用2.5MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)方波信號(hào)，并將計(jì)數(shù)值存到測(cè)頻寄存器中，1C32讀測(cè)頻寄存器，2.5MHz除于測(cè)頻寄存器值，即為被測(cè)信號(hào)的頻率。被測(cè)信號(hào)要求滿足：±1V≤幅值≤±10V，39Hz≤頻率≤2.5MHz。測(cè)頻精度的時(shí)間分辨率為400ns。

④開關(guān)量輸入：16路開關(guān)量信號(hào)經(jīng)限流、去抖后加到光電隔離器上，并經(jīng)數(shù)據(jù)緩沖給`C32，由`C32來(lái)監(jiān)測(cè)開關(guān)變位情況。限流電阻為3.6KΩ@1/4W，開關(guān)量輸入范圍：18V～30V直流。光電隔離器采用東芝TLP121，隔離電壓2500V直流，信號(hào)帶寬10KHz。

⑤開關(guān)量輸出：16路開關(guān)量輸出，由`C32鎖存到輸出寄存器中，再經(jīng)達(dá)靈頓型光電隔離輸出，用于驅(qū)動(dòng)外部繼電器。達(dá)靈頓型光電隔離器采用東芝TLP127，輸出級(jí)作為一個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，最大耐壓為40V直流，最大輸出電流200mA，隔離電壓2500V直流，信號(hào)帶寬10KHz。

⑥外部接口：采用16552器件，提供2個(gè)異步串口，其中1個(gè)異步串口經(jīng)光電隔離后，配置成RS422/RS485；另1個(gè)異步串口經(jīng)光電隔離后，將TTL電平變換平0～15V。

⑦擴(kuò)展接口：有1個(gè)數(shù)字?jǐn)U展接口和1個(gè)模擬擴(kuò)展接口。數(shù)字?jǐn)U展接口提供地址、數(shù)據(jù)和控制總線，給用戶作擴(kuò)充之用。模擬控制接口，還可控制16路模擬量輸入。

⑧其它：看門狗電路，提高系統(tǒng)的可靠性；256K×32位外部擴(kuò)展SRAM，提供用戶存放程序或數(shù)據(jù)。512K×32位外部擴(kuò)展的Flash，提供用戶存放程序或重要參數(shù)。