DSP處理器在電力二次設備中的開發 - 全文

　　摘要： ADI的DSP 處理器在電力二次設備領域有著廣泛的應用前景。介紹了ADI的DSP處理器類型、在電力二次設備設計中的應用概況以及開發流程。

　　電力二次設備主要是指對一次設備進行控制、監控和保護的設備，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的數字信號。再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據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，從開始單純的數值算法計算，到實現真正的單芯片解決方案。隨著半導體行業的不斷革新以及二次設備行業市場的持續發展，DSP在二次設備行業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換代，原來方案中的大多數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，也能大大簡化開發平臺，節省大量的開發費用。

　　ADI沿襲了原來對工業應用領域的產品開拓思路，針對工業應用領域繼續開發了多款數字信號處理器。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展方向。

　　中國政府正在擬定智能電網發展規劃，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一管理體制，中國將是智能電網技術開發和應用的先行國家。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，中國本土企業抓住這波數字化浪潮，必將迎來企業飛速發展的機遇。

　　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;支持指令和數據Cache，同時支持數據的DMA傳輸。開發環境中的編譯器也支持對控制命令的優化編譯，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，開發環境中編譯器的不斷優化使得大部分數字信號處理代碼都不用手工匯編，而直接使用C語言，大大提高了系統開發的可維護性。

　　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、SD RAM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可以根據用戶的設計需要增加。非實時的操作系統可以使用?滋Clinux等，實時操作系統可以使用Nucleus,Thread-X等。由于Blackfin提供了完整的硬件參考設計和軟件開發環境，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處理器開發已經有將近二十年的歷史，所開發的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位浮點數據格式，片內擁有動態寬度、雙端口、零等待的SRAM。在高壓二次設備的設計中，SHARC可以充分保證數據處理的精度以及相應處理速度。隨著軟件環境編譯器的不斷優化，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。共享SDRAM主要用來存放共用的數據或通訊交互數據，不同的SHARC可以通過輪流接管SDRAM來實現數據的傳遞。而LINKPORT接口可以實現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根并行數據線，并且可以實現雙向通訊，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，以及工業級溫度范圍。

　　BF51X上集成的以太網MAC還支持IEEE-1588 V2協議，可以實現在網絡控制系統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間交互的報文協議，這些報文包含了所需的對時信息。BF51X的PTP_TSYNC模塊(精確時鐘協議時鐘同步引擎)在硬件上實現了對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秀的處理控制能力，可以實現單片解決方案，從而節省設備成本，縮短開發周期。

　　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數據帶寬的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，以支持海量數據的傳輸。

　　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，完全可以實現單片解決方案，從而節省設備成本，縮短開發周期。

　　3 ADI DSP處理器的開發流程

　　客戶首先根據自己的需要選擇合適的DSP處理器類型和型號，這時候要考慮諸多因素，例如成本、外設接口、硬件開發資源、軟件架構、產品的拓展計劃、市場差異化需求等，最終找到一個平衡點，當然還要參考具體DSP處理器型號的處理能力和外設配置。

　　3.1 硬件設計簡介

　　DSP處理器硬件方案的基本結構如圖6所示，以Blackfin為例。其中電源部分提供外設接口電壓和內核電壓，如果客戶使用Blackfin片內regulator提供內核電壓，則電源部分只需要提供一種電壓即可。時鐘源可以是晶體、晶振或通過其他電路引入的時鐘信號。由于Blackfin片內的PLL鎖相環提供大且靈活的動態調整范圍，盡管Blackfin的最高主頻可以達到和超過700 MHz，時鐘源通常使用20 MHz左右的即可。Blackfin的PLL鎖相環以及片內regulator是可以由用戶在應用程序里實時控制的，以達到節省功耗的目的。Blackfin的SDRAM/DDR控制器的最高工作頻率可達到133 MHz，在硬件上提供了足夠的外存吞吐帶寬。Blackfin引導方式也多種多樣，可以從并行或串行的外設或外存引導，提高了系統設計的靈活性。而Blackfin提供的豐富外設，可以讓客戶方便地完成方案的外設設計。

　　3.2 系統開發簡介

　　ADI DSP的開發環境是一套完整的集成開發環境，包括軟件開發環境Visual DSP++、仿真器ICE和硬件目標板。客戶可以根據需要進行純軟件調試或將代碼下載到目標板，進行實時調試。調試流程如圖7所示。客戶將自己的C/C++代碼通過編譯器生成匯編代碼，連同原先的其他匯編代碼文件，都翻譯成DOJ文件。鏈接器根據相應的鏈接描述LDF文件，將所有的DOJ文件鏈接生成可執行DXE文件。這時客戶可以將此DXE文件下載到純軟件調試環境進行調試，或下載到硬件目標板上進行調試。編譯器的優化功能可以確保大多數情況下的代碼并不需要手工匯編。調試過程結束后即可將DXE文件轉化成引導LDR文件，燒入板上的Flash芯片，完成整個開發的工作。