DSP处理器在电力二次设备中的开发

　　摘 要： ADI的DSP处理器在电力二次设备领域有着广泛的应用前景。介绍了ADI的DSP处理器类型、在电力二次设备设计中的应用概况以及开发流程。

　　电力二次设备主要是指对一次设备进行控制、监控和保护的设备，包括电站自动化、变电站自动化、调度自动化、配电自动化、线路保护、主设备保护和电能计费自动化产品等，其中使用了大量的智能处理单元。本文主要讨论ADI 的数字信号处理器(DSP)在电力二次设备中的应用。

　　DSP(digital signal processor)是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

　　按照适用电网环境来分，电力二次设备可以分为高压(>110 kV)、中压(3.5 kV～110 kV)和低压(<3.5 kV)二次设备。在高压和中压应用中，需要智能处理单元响应速度快、延迟小，其中高压二次设备大都采用浮点运算，并且多采用多处理器架构;而中压二次设备根据不同的应用和要求会采用浮点或者定点的运算;低压二次设备大都采用定点运算，主要偏重处理单元的对外通讯和控制能力。

　　1 ADI DSP处理器在电力二次设备领域的应用背景

　　随着处理性能的不断提高和成本的不断降低，DSP在电力二次设备设计中的应用越来越广泛，从开始单纯的数值算法计算，到实现真正的单芯片解决方案。随着半导体行业的不断革新以及二次设备行业市场的持续发展，DSP在二次设备行业正起着越来越多的作用。

　　ADI公司的DSP处理器产品在电力二次设备的应用历史可以追溯到上个世纪90年代。由于ADI在工业应用领域一直有良好的口碑和产品，电力二次设备设计中大量采用了ADI的ADC、运算放大器以及DSP处理器。其中DSP处理器主要使用定点DSP处理器ADSP21XX系列，以及浮点DSP处理器ADSP2106X系列。进入21世纪以来， 电力二次设备市场面临着新一轮的产品更新换代，原来方案中的大多数智能处理单元需要重新设计。

　　由于以往的DSP或MCU的处理能力不足，大多数老的设计方案都是采用多处理器架构。随着市场对设备成本和开发周期要求的不断提高，伴随着DSP处理器的性能不断提升，新的电力二次设备设计越来越多地采用单芯片设计思路，如图1所示。这样不仅能够大大降低设备成本，也能大大简化开发平台，节省大量的开发费用。

　　

 

　　ADI沿袭了原来对工业应用领域的产品开拓思路，针对工业应用领域继续开发了多款数字信号处理器。其中定点处理器采用全新的Blackfin架构，而浮点处理器则是在原来的浮点架构上不断提高处理能力和增加外设接口种类，同时芯片的成本较原来大大降低，符合电力二次设备市场的发展方向。

　　中国政府正在拟定智能电网发展规划，并已经启动智能电网应用的先导工作，同时基于中国国家电网的统一管理体制，中国将是智能电网技术开发和应用的先行国家。中国无论在智能电网的技术研究还是技术应用上，与任何国家相比都并不落后，中国本土企业抓住这波数字化浪潮，必将迎来企业飞速发展的机遇。

　　2 ADI DSP处理器

　　2.1 定点DSP处理器

　　自2000年以来，ADI推出了多款定点Blackfin系列DSP处理器。Blackfin是一个全新的架构， 它集高性能的数字信号处理器与微控制器于一身，从芯片结构的变革性设计上支持密集的控制代码和快速的DSP代码。Blackfin处理器的内核结构如图2所示。它可以工作在超级用户模式和一般用户模式;使用变长指令集，芯片硬件上自动对齐指令，所以在存储器中没有不同指令长度代码对齐的要求;支持指令和数据Cache，同时支持数据的DMA传输。开发环境中的编译器也支持对控制命令的优化编译，使得Blackfin作为控制器的性能不亚于其他MCU。而当进行数字信号处理时，Blackfin的主频最高可达700 MHz以上，同时包含2个可以并行的MAC(乘累加)单元，开发环境中编译器的不断优化使得大部分数字信号处理代码都不用手工汇编，而直接使用C语言，大大提高了系统开发的可维护性。

　　

 

　　在外部接口上，不同的Blackfin系列提供了丰富的种类，包括片内Flash、SDRAM或DDR控制器、并行接口PPI、异步串行接口UART、同步串行接口SPORT、并行主从DMA口HDMA、串行主从控制接口SPI、I2C、通用定时器、看门狗、实时时钟、GPIO管脚等，从而给客户提供了灵活的设计空间。

　　在Blackfin上的应用软件架构如图3所示。用户的数字信号处理和控制代码可以在Blackfin上直接运行，而OS可以根据用户的设计需要增加。非实时的操作系统可以使用?滋Clinux等， 实时操作系统可以使用Nucleus,Thread-X等。由于Blackfin提供了完整的硬件参考设计和软件开发环境，使得电力二次设备客户无论是移植老的应用方案还是重新开发新的应用方案，都非常方便。

　　

 

　　2.2 浮点DSP处理器

　　ADI的浮点DSP处理器开发已经有将近二十年的历史，所开发的SHARC系列一直在相应时期保持突出的浮点处理器性能。SHARC可以同时支持32位定点、32/40位浮点数据格式，片内拥有动态宽度、双端口、零等待的SRAM。在高压二次设备的设计中，SHARC可以充分保证数据处理的精度以及相应处理速度。随着软件环境编译器的不断优化，客户可以直接将仿真验证过的算法浮点代码移植到SHARC平台上。

　　SHARC的很多型号支持多片架构，这样就方便了客户灵活设计，可以任意组合硬件配置以及相应的软件结构。多片架构可以通过共享SDRAM或LINKPORT接口实现。共享SDRAM主要用来存放共用的数据或通讯交互数据，不同的SHARC可以通过轮流接管SDRAM来实现数据的传递。而LINKPORT接口可以实现SHARC之间的点对点连接，如图4所示。LINKPORT的传输时钟最大可达166 MHz,8根并行数据线，并且可以实现双向通讯，这种灵活有效的通讯接口，可以把SHARC的其他外设接口解放出来用于其他用途。

　　

 

　　SHARC还开发了一系列低端产品，通过裁减外设接口和片内SRAM空间来降低芯片的成本，对需要做简单浮点运算的中压二次设备设计很有诱惑力。

　　2.3 最新的DSP处理器

　　ADI公司2008年推出了最新的Blackfin系列BF51X,图5是BF51X的内部原理框图。较以往的Blackfin产品，它在降低成本的基础上更加提高了外设的集成度。处理器BF51X的主频可以达到400 MHz,片内SRAM达到116 KB,并行接口包括1个PPI/LCD控制器，2个UART口，2个SPORT口、2个SPI口、1个TWI(I2C)、8个通用定时器、3对PWM输出、1个SDIO/CE-ATA接口、40个GPIO管脚，提供QFP和MiniBGA的封装，以及工业级温度范围。

　　

 

　　BF51X上集成的以太网MAC还支持IEEE-1588 V2协议，可以实现在网络控制系统中主从时钟交互报文，以达到时钟的精准同步。IEEE-1588定义了一组可以在不同系统间交互的报文协议，这些报文包含了所需的对时信息。BF51X的PTP_TSYNC模块(精确时钟协议时钟同步引擎)在硬件上实现了对IEEE-1588标准的支持。

　　在电力二次设备设计中，尤其是中低压设备中，由于BF51X有着丰富的接口和优秀的处理控制能力，可以实现单片解决方案，从而节省设备成本，缩短开发周期。

　　ADI在2008年推出了最新的浮点DSP处理器系列ADSP2146X,在原来浮点DSP处理器系列的基础上增大了片内RAM尺寸，达到了5 MB，主频达到450 MHz，同时拥有16bit数据带宽的DDR2 DRAM控制器。除了带有片内FFT/FIR/IIR硬件加速器外，更增加了变长指令的支持，从而可以节省20%～30%的代码存储空间。从芯片内部资源上对海量计算的支持有了质的提高。ADP2146X在外设上同样增加了高速并行接口LINKPORT，以支持海量数据的传输。

　　综上所述，在电力二次设备设计中，尤其是中高压设备中，由于ADP2146X处理能力突出，完全可以实现单片解决方案，从而节省设备成本，缩短开发周期。

　　3 ADI DSP处理器的开发流程

　　客户首先根据自己的需要选择合适的DSP处理器类型和型号，这时候要考虑诸多因素，例如成本、外设接口、硬件开发资源、软件架构、产品的拓展计划、市场差异化需求等，最终找到一个平衡点，当然还要参考具体DSP处理器型号的处理能力和外设配置。

　　3.1 硬件设计简介

　　DSP处理器硬件方案的基本结构如图6所示，以Blackfin为例。其中电源部分提供外设接口电压和内核电压，如果客户使用Blackfin片内regulator提供内核电压，则电源部分只需要提供一种电压即可。时钟源可以是晶体、晶振或通过其他电路引入的时钟信号。由于Blackfin片内的PLL锁相环提供大且灵活的动态调整范围，尽管Blackfin的最高主频可以达到和超过700 MHz，时钟源通常使用20 MHz左右的即可。Blackfin的PLL锁相环以及片内regulator是可以由用户在应用程序里实时控制的，以达到节省功耗的目的。Blackfin的SDRAM/DDR控制器的最高工作频率可达到133 MHz，在硬件上提供了足够的外存吞吐带宽。Blackfin引导方式也多种多样，可以从并行或串行的外设或外存引导，提高了系统设计的灵活性。而Blackfin提供的丰富外设，可以让客户方便地完成方案的外设设计。

　　

 

　　3.2 系统开发简介

　　ADI DSP的开发环境是一套完整的集成开发环境，包括软件开发环境Visual DSP++、仿真器ICE和硬件目标板。客户可以根据需要进行纯软件调试或将代码下载到目标板，进行实时调试。调试流程如图7所示。客户将自己的C/C++代码通过编译器生成汇编代码，连同原先的其他汇编代码文件，都翻译成DOJ文件。链接器根据相应的链接描述LDF文件，将所有的DOJ文件链接生成可执行DXE文件。这时客户可以将此DXE文件下载到纯软件调试环境进行调试，或下载到硬件目标板上进行调试。编译器的优化功能可以确保大多数情况下的代码并不需要手工汇编。调试过程结束后即可将DXE文件转化成引导LDR文件，烧入板上的Flash芯片，完成整个开发的工作。

　　

 

　　4 ADI DSP处理器在电力二次设备领域的应用前景

　　近年来，电力二次设备的设计思路呈现出多样化的趋势，这与处理器的多样化和灵活性的大大提高密不可分。ADI的DSP处理器至今已有几十种产品，给客户的设计提供了足够的选择空间。随着ADI DSP处理器集成度和灵活性的持续提高， 电力二次设备的设计周期可以随之大大缩短，从而有效提高行业竞争力。