用于電力系統的DSP解決方案

摘要：介紹二款專為電力監測/監控系統設計的DSP硬件平臺，具體說明DSP方案比傳統的

關鍵詞：電力監測/監控 RTU 電力保護 DSP

電力系統的特點

一個電力監測/監控系統需要完成下列全部或部分工作：

①同時采集各相電壓和電流數據，并實時計算各相電壓和電流的有效值、功率、有功功率、無功功率、視在功率和功率因子；

②根據一定的故障判據，判斷是否有故障發生，并地蠔故障錄波；

③監測開關變位；

④按照標準的通信協議，將監測得的數據上傳中心站；

⑤接收中心站的遙控數據，發出開關的合閘或斷開命令。

由上可知，與一般工控系統相比，電力監測/監控系統有2個基本的特點；

①電壓/電流同時采樣，二者之間無相位差，方便功率和功率因子計算。

②實時數據處理量大，要求采用高速處理器。

在電力監測/監控系統用DSP代替MCU正是基于上述第2個特點。

DSP與MCU的比較

DSP實際上是一種特殊的MCU，與MCU相比它有以一下的特點：

①片內有多條地址、數據和控制總線，可使多個控制和運算部件并行工作，提高CPU的處理能力。

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

③DSP中有一些特殊指令，用來加速數字處理。比如，連乘加（MAC）指令，一個指令周期內同時完成乘法和加法運算。

④主頻比一般MCU要高許多。從指令周期來看：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。

數字運算，歸根結底是乘、加運算，即∑An∑×Xn。由上可見，DSP的內部硬件結構比MCU更適合于數字信號處理。

DSP的外部硬件結構和MCU相同，由地址、數據和控制三總線組成，所以外部硬件構成和MCU大致相同，只不過DSP的外部總線要比MCU快很多，所以選擇外部器件時注意要選用高速器件，做PCB板時，一般應采用高速器件，做PCB板時，一般應采用多層板， 這樣才能保證DSP系統的可靠性和穩定性。

在軟件開發上，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/硬件的調試方面，DSP與MCU有較大的區別。MCU的軟/硬件調用替代方式來進行的。也就是說MCU的仿真器是一套完整的MCU系統，用MCU仿真器的仿真頭代替被仿真的目標系統的MCU，甚至還可以用仿零點上的存儲器代替目標系統的存儲器。這樣做法的缺點有：①硬件時序時為仿真的硬件時序，與目標系統硬件時序有一定差異。②仿真器或多或少要占用一定的硬件資源。③隨著MCU引腳數的增多和封裝的小型化，仿真頭制作起來越難。④隨著MCU主頻的提高，仿真電纜長度將越來越短，使用更加不便。⑤不同的MCU仿真器的硬件各不相同，用戶開發投資加得。而DSP是用接口方式來仿真，DSP仿真器上沒有任何DSP資源，所有資源都在DSP目標系統上，DSP仿真器只提供獨立于DSP的JTAG標準接口（IEEE標準），DSP芯片上有專門用于仿真調試的信號引腳，用戶只需按JTAG標準，在DSP目標板上作一接口（14芯雙排插針），二者相連即可對DSP進行仿真調試。DSP仿真器與MCU仿真器相比優點有：①硬件時序即為目標系統硬件時序。②仿真器不占用DSP任何資源。③仿真接口與DSP引腳數和封裝無關。④仿真接口與DSP主頻無關。⑤仿真器硬件與DSP無關，不同系列DSP仿真器硬件相同，所不同的只是編譯軟件和調試軟件，節省用戶的開發投資。高效的編譯軟件和功能強大的調度軟件，使用戶開發DSP的系統更加快捷、方便。

電力系統DSP解決方案

根據電力系統的特點，及不同應用性價比的要求，北京合眾達公司推出二款用于電力系統的DSP硬件平臺：SEED-F206MS和SEED-C32MS。SEED-F206MS適用于電力自動化（如站內分布式RTU、柱上RTU和電力儀器/儀表）和低壓保護；SEED-C32MS適用于電力高壓保護和故障錄波器。

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DSP作主處理器，處理20MIPS，F206片上有4.5×16位的高速SRAM、32K×16位的高速Flash、一個16位定時器、一個導步串口、一個同步串口及三個外部中斷。

②模擬量輸入：采用4片MAX125組成16通道同時采樣、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CT、PT變換成滿足要求的模擬輸入量。模擬輸入通道實際可達到32個通道，只不過這32個通道不是完全同時采樣的，而是16通道/16通道同樣采樣，在合理安排采樣通道數的情況下，可以滿足電力系統同相電壓/電流同時采樣的要求。

③頻率測量：由硬件電路實現模擬輸入信號的頻率測量，硬件電路將輸入的模擬信號轉換為數字方波，用2.5MHz時鐘計數方波信號，并將計數值鎖存到測頻寄存器中，F206讀測頻寄存器，2.5MHz除于測頻寄存器值，即為被測信號的頻率。被測信號要求滿足：±1V≤幅值≤±10V，39Hz≤頻率≤2.5MHz。測頻精度的時間分辨率為400ns。

④開關量輸入：16路開關量信號經限流、去抖后加到光電隔離器上，并經數據緩沖給`F206，由`F206來監測開關變位情況。限流電阻為3.6KΩ@1/4W，開關量輸入范圍：18V～30V直流。光電隔離器采用東芝TLP121，隔離電壓2500V直流，信號帶寬10KHz。

⑤開關量輸出：16路開關量輸出，由`F206鎖存到輸出寄存器中，再經達靈頓型光電隔離器輸出，用于驅動外部繼電器。達靈頓型光電隔離器采用東芝TLP127，輸出級作為一個開關節點，最大耐壓為40V直流，最大輸出電流200mA，隔離電壓2500V直流，信號帶寬10KHz。

⑥外部接口：采用16C552（2串/1并）器件，加上1F206片上1個導步串口和1個同步串口，組成有3個異步串口，1個同步串口和1個打印機接口的外部接口，便于系統的靈活應用和擴充。3個異步串口中，基中有2個帶光電隔離，并且有1個可配置為RS232/RS485/RS422，其余2個為RS232。

⑦其它：看門狗電路，提高系統的可靠性；實時時鐘，提供時間基準；2K×8位掉電數據不丟失NVRAM，提供用戶存放重要參數；64K×16位外部擴展的等程序或數據存儲器，提供用戶更大的應用范圍。

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DSP作主處理器，處理MFLOPS，`C32片上有0.5K×32位的高速SRAM、二個32位定時器、一個同步串口及四個外部中斷。

②模擬量輸入：采用1片AD676和16片LF398M組成16通道同時采樣分時轉換、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擴展口擴展至32個通道。

③頻率測量：由硬件電路實現模擬輸入信號的頻率測量，硬件電路將輸入的模擬信號轉換為數字方波，用2.5MHz時鐘計數方波信號，并將計數值存到測頻寄存器中，1C32讀測頻寄存器，2.5MHz除于測頻寄存器值，即為被測信號的頻率。被測信號要求滿足：±1V≤幅值≤±10V，39Hz≤頻率≤2.5MHz。測頻精度的時間分辨率為400ns。

④開關量輸入：16路開關量信號經限流、去抖后加到光電隔離器上，并經數據緩沖給`C32，由`C32來監測開關變位情況。限流電阻為3.6KΩ@1/4W，開關量輸入范圍：18V～30V直流。光電隔離器采用東芝TLP121，隔離電壓2500V直流，信號帶寬10KHz。

⑤開關量輸出：16路開關量輸出，由`C32鎖存到輸出寄存器中，再經達靈頓型光電隔離輸出，用于驅動外部繼電器。達靈頓型光電隔離器采用東芝TLP127，輸出級作為一個開關節點，最大耐壓為40V直流，最大輸出電流200mA，隔離電壓2500V直流，信號帶寬10KHz。

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

⑦擴展接口：有1個數字擴展接口和1個模擬擴展接口。數字擴展接口提供地址、數據和控制總線，給用戶作擴充之用。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，提高系統的可靠性；256K×32位外部擴展SRAM，提供用戶存放程序或數據。512K×32位外部擴展的Flash，提供用戶存放程序或重要參數。