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雙處理器在變電站監控中的應用研究論文
摘要：本文分析了變電站監控技術的發展要求，并以工程應用為切入點，初步討論了變電站監控單元對DSP+MCU雙處理器模式的需要;介紹了DSP、MCU的技術背景;闡述了DSP與MCU間的數據通信方式;提出了一種基于DSP+MCU雙處理器模式的高性能變電站監控單元的實現實例;并指出了DSP、MCU走向融合的發展趨勢。
關鍵詞：變電站監控；DSP；數據通信；嵌入式以太網
0引言
隨著變電站自動化程度的不斷提高，對作為現場監測、控制為目的的監控單元的設計也提出了更高的要求：除了在監測、控制的量上有較大增加外，對數據采集的實時性、控制操作的快速性、分析手段的多樣性、分析算法的復雜性、通信方式的靈活性等都提出了更苛刻的要求。在大數據處理容量、復雜分析算法、先進的通信方式面前，采用單一的DSP或MCU處理器構筑的硬件平臺明顯力不從心。采用DSP+MCU雙處理器模式，利用DSP芯片較強的數據處理能力實現數據的實時采集、分析、計算，外加一款具有較強通信處理能力的MCU以迎合現場對通信技術的要求，不失為一種兩全其美的解決辦法。
1技術背景
1.1變電站監控
變電站監控的主要任務就是采集所在發電廠或變電站表征電力系統運行狀態的模擬量和狀態量，并向調度中心傳送這些模擬量和狀態量，執行調度中心下發的控制和調節命令。監控單元是整個監控系統的前置I/O模塊，直接和現場一次設備相連，是數據采集、處理、控制操作的核心，因此其性能的高低直接決定了整個系統的性能指標。早期的監控單元是由一些分立元件構成，它所能處理的信息量很少，功能極為簡單。隨著微處理器技術的運用，監控單元也發展到了以單片機為核心的嵌入式系統，但在數據采集、處理量較少、精度要求不高，對通信的實時性、先進性也沒有太嚴格要求的情況下，采用單片低價位8位或16位MCU就可以實現。
隨著變電站自動化技術的發展以及分析算法、分析手段的提高，越來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、大型企業變電所等）對變電站監控的設計需求也越來越高，如：能夠實時分析高次諧波、能夠計算序分量從而分析電能質量、能夠進行控制操作的邏輯閉鎖等，從而涉及到高速數據采樣及處理；在通信上，對通信的實時性、可靠性、先進性要求也越來越高，嵌入式以太網技術、雙現場總線技術也相繼在變電站監控單元中采用。在此背景下，采用DSP+MCU雙處理器模式可以較好的解決復雜數據處理與先進的通信技術之間的矛盾。
1.2 DSP芯片的特點
DSP，又稱數字信號處理器，是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號算法處理，其主要技術特征：
a. 硬件上采用多總線哈佛（Harvard）結構，提高了數據的處理能力和速度。
b. 指令執行采用流水作業，具有較高的指令執行速度。
c. DSP內部一般都包括有多個處理單元，如算術邏輯運算單元、輔助寄存器運算單元、累加器以及硬件乘法器等，它們可以在一個指令周期內同時進行計算。
d. 內部具有獨立的DMA總線控制器，可以實現程序執行與數據傳輸并行工作。
e. 具有多處理器接口，為使用嵌入式子系統實現大型和復雜嵌入式系統提供了技術基礎。
因此DSP特別適合于大容量、高復雜數據處理的場合，在變電站監控中DSP芯片作為監控單元的數據采集、計算和處理的核心。
1.3 MCU的功能定位與選型
MCU即嵌入式微處理器。隨著半導體工藝技術的發展及系統設計水平的提高，MCU不斷產生新的變化和進步，與微機之間的性能差距越來越小，并且集成度越來越高，功耗越來越低。
在百花齊放的MCU家族中，要做出最優的選擇確實是件令設計師頭疼的事。根據前述DSP和MCU在變電站監控單元中扮演的角色，MCU側重于處理通信任務。對于采用了雙處理器模式且DSP芯片已經承擔了大部分數據計算、處理的場合， MCU的選型應從以下幾個方面考慮：
a. 系統擬采用的通信方式
MCU的選型一定程度上取決于監控單元所采用的通信方式。如果系統采用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技術，則可選擇具有以太網接口的MCU芯片。雖然可以通過外擴協議芯片的方式來實現所需的通信方式，但這樣做會較大地增加系統的軟硬件開銷。
b. MCU的資源能否滿足要求、外圍接口是否方便
根據監控單元的功能定位，對MCU的資源進行審查：包括總線位數（8位、16位、32位）、主頻、指令周期、尋址空間、中斷系統、定時器、外圍接口等，由此判斷能否滿足設計需要，并留有適當的裕量以備系統升級。
c. 開發工具是否完備、編程是否方便
開發環境的好壞直接影響到產品的開發周期。是否有嵌入式實時多任務操作系統的支持，是否支持高級語言編程，是否可以在線對目標板進行實時仿真調試等都是需要重點考慮的因素。
d. 價格是否合理
最后要看MCU芯片的價位是否在容許的范圍內，短期內貨源是否正常，價位是否會出現大的波動等。
2DSP與MCU間的數據交互
在以DSP＋MCU雙處理器為核心的智能單元中，二者之間的數據通信是系統設計的重要環節，直接影響到數據傳輸的效率和可靠性，常見的數據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據通信問題是最常用的方式，其實現框圖如圖一所示：
雙端口RAM具有兩套獨立的數據、地址、控制總線，可以分別與DSP和MCU兩個處理器接口，通過這一片外公共的存取空間，MCU和DSP就可以方便的進行數據交互了。
優點：實現起來較為方便；實時性較好。
缺點：增加了硬件成本；占用了有限的印制板空間；如果對控制信號（尤其是兩測的BUSY信號）處理不好容易降低數據傳輸的可靠性。
2.2 采用串行通信
目前，大多數MCU和DSP芯片都具有較強的串行通信能力，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SPI[1]通信的示意圖：
MCU為SPI的主設備，掌握通信的主動權，產生片選、時鐘信號；DSP為SPI的從設備，被動的接收主機命令，并將主機所需信息放在主機的SIN引腳上；在這種主從式的結構中，從機沒有主動發言權。
優點：接口簡單，只需四根信號線。
缺點：實時性不好；占用處理器資源，如兩邊的處理器沒有專用通信協處理器或足夠的FIFO，在通信過程中將頻繁地產生收、發中斷；需要加載一定的通信協議，因此軟件實現起來較復雜。
2.3 采用HPI[2]
TI公司的TMS320C5000和TMS320C6000系列較多款DSP中含有HPI（即主機接口），用來與主設備或主處理器接口。外部主機是HPI的主控者，它可以通過HPI直接訪問DSP的存儲空間，包括存儲器映像寄存器。
HPI主要由以下5個部分組成：HPI存儲器（DARAM），主要用作與主機傳送數據；HPI地址寄存器，存放主機當前尋址HPI存儲單元的地址；HPI數據鎖存器，用于存放主機正要讀寫的數據；HPI控制寄存器，用于DSP或主機間的控制操作；HPI控制邏輯，用于處理HPI與主機之間的接口信號。
當DSP與主機交換信息時，HPI是主機的一個外圍設備。DSP和主機可以在共用尋址方式下對HPI進行操作，主機和DSP都能尋址HPI存儲器，異步工作的主機的尋址可以在HPI內部重新得到同步。如果DSP與主機的周期發生沖突，則主機具有尋址優先權，DSP等待一個周期。
圖三所示為MCU與DSP間通過HPI接口的框圖：MCU充當HPI的主機，值得注意的是，DSP可以通過對控制寄存器的操作以硬中斷的方式將MCU打斷，來實現MCU對DSP的快速響應，同樣MCU也可以通過對控制寄存器的操作以內部中斷的方式申請DSP的快速響應。
HPI接口的應用極大地方便了MCU與DSP間的數據交換，同時使零硬件、軟件開銷成為可能。該方案靈活、簡單，同時又能滿足實時性的需要，為開發人員提供了一種全新的數據共享、傳輸方案。
3 基于DSP+MCU的監控單元硬件平臺的實現
鑒于部分用戶對高性能監控單元的需要，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]的雙處理器監控單元硬件平臺設計框圖，如圖四所示：
3.1主要芯片介紹：
在本例中，模數轉換器采用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單，控制方便，且可以同時將一條線路的所有電壓、電流量采出，為后續的高級分析、計算提供了條件。
數字信號處理器選擇了美國TI公司的TMS320C5000系列中的一款16位定點DSP芯片 TMS320VC5402，其在通信與信息系統、信號與信號處理和自動化控制領域都有了廣泛的應用，除具有其它DSP芯片的特點外，還具有一個8位的HPI接口，指令執行速度達100MIPS。其與MCU接口方便，且適于大容量數據處理和較復雜算法的實現。
微處理器選用了MOTOROLA公司Coldfire系列中的高性價比微處理器芯片MCF5272。32位數據、地址總線，SDRAM接口，四個16位定時器，三通道PWM輸出，主頻達66MHz。MCF5272具有很強的通信能力，含有一個10M全雙工或100M半雙工以太網接口、一個USB1.1接口、兩個URAT，此外還有QSPI接口，特別適合于通信處理。
3.2DSP與MCU的分工協作
由圖四可見，系統主要由兩部分組成，以DSP為核心的交流采樣部分和以MCU為核心的數據通信部分，二者互相獨立而又相互協作。DSP主要負責監控單元中的交流采樣任務，采集系統頻率，定時控制AD轉換，讀取AD轉換結果，進行復雜的數據處理，并將處理結果放在HPI存儲器中。對重要數據以硬中斷的方式通知MCU快速提取，一般數據則由MCU根據需要主動讀取。MCU負責系統的通信任務，以總線或網絡的方式上傳給上級設備，并執行上級設備下發的命令，同時承擔一些信號輸入、輸出等耗時較少的工作。
為防止MCU和DSP間的相互影響，HPI總線通過245進行了隔離。
3.3系統主要性能
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，測控單元每周波可采樣128點，除了計算一些常規的電壓、電流、有功、無功、功率因素外，采用快速傅立葉變換進行高次諧波分析，計算諧波含量，計算正序、負序、零序分量，分析電網的不平衡度，分析輸入量的相位關系等等一些高級分析功能。
通信方面：
（1）嵌入式以太網的應用[4]。隨著變電站自動化程度的提高以及高壓、超高壓大型變電站自動化系統的發展，RS485總線、現場總線（如CAN、LonWorks等）通信方式已經滿足不了要求，嵌入式以太網的出現為變電站自動化系統的設計者提供了實現站內通信網絡的新途徑，是技術發展的必然趨勢。MCF5272對10M、100M以太網的支持正是為了實現對嵌入式以太網的需要。
（2）除了提供嵌入式以太網外，MCF5272在不需要擴展通信芯片的情況下，還可使監控單元以485總線的方式接入其它裝置，并可加載數據鏈路層協議（如HDLC協議）；可以將智能裝置通過RS232或RS485就近接入監控單元隨網絡上傳；可以采用USB接口方便地進行維護。
其它方面：可以實現軟PLC功能，用于設備級的操作閉鎖。
3.4 系統軟件實現
TMS320VC5402提供JTAG標準測試接口，可通過PC機對目標板進行在線仿真、跟蹤調試，可采用高級語言、匯編語言交叉編程，極大地縮短了開發周期。
MCF5272的軟件部分，采用VxWorks [5]實時多任務操作系統來實現。VxWorks作為性能優秀的嵌入式操作系統，不論是在可靠性、實時性、可裁減性方面，還是在開放性、易用性等方面都是相當不錯的。它十分靈活，具有多達1800個功能強大的應用程序接口，適用于從最簡單到最復雜的產品設計，可靠性極高。VxWorks的應用將使監控單元如虎添翼，使系統的靈活性、可靠性、實時性都達到很高的水平。
結合具體的工程需要，適當調整輸入、輸出量，可將以上的軟、硬件平臺廣泛應用到變電站自動裝置（同期、備自投、故障錄波）、繼電保護以及其它行業的控制系統中。
4結語
隨著電子技術的發展，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境勢必增加系統軟件開發和片上調試裝置的復雜性。嵌入式芯片設計正朝著把單MCU-DSP芯核結構與存儲器和外設邏輯集成在一起的方向發展。但無論如何，單片解決復雜的數據處理與通信問題將是今后發展的趨勢。
參考文獻
1 . 楊光，張太鎰，孫建成（Yang Guang, Zhang Taiyi, Shun Jiancheng）DSP多通道緩沖串行口SPI方式的應用(The Application of DSP McBSP Used as SPI). 電子產品世界（Electronic Engineering & Product World）10,2002
2 . 鄧思豪，曾春年（Deng Shihao, Zheng Chunnian）C54X DSP的HPI與PC機并口技術研究. 電子產品世界（Electronic Engineering & Product World）7,2002
3 . MCF5272 ColdFire Integrated Microprocessor User’s Manual. Rev 0,12/2000
4 . 任雁銘，操豐梅，秦立軍，楊奇遜（Ren Yangming, Cao Fengmei, Qin Lijun, Yang Qixun）.基于嵌入式以太網的變電站自動化系統通信網絡（Computer Communication Network Based on The Embedded Ethernet Technique for Substation Automation System）.電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems）,Sept.10,2001
5 . 袁淵（Yuan Yuan）基于嵌入式操作系統VxWorks的圖形界面開發（The Development of Graphical Interfaces Based on Embedded System---VxWorks）.電子產品世界（Electronic Engineering & Product World）10,2002
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