用于电力系统的DSP解决方案

    摘要：介绍二款专为电力监测/监控系统设计的DSP硬件平台，具体说明DSP方案比传统的

    关键词：电力监测/监控  RTU  电力保护  DSP

电力系统的特点

一个电力监测/监控系统需要完成下列全部或部分工作：

①同时采集各相电压和电流数据，并实时计算各相电压和电流的有效值、功率、有功功率、无功功率、视在功率和功率因子；

②根据一定的故障判据，判断是否有故障发生，并地蚝故障录波；

③监测开关变位；

④按照标准的通信协议，将监测得的数据上传中心站；

⑤接收中心站的遥控数据，发出开关的合闸或断开命令。

由上可知，与一般工控系统相比，电力监测/监控系统有2个基本的特点；

①电压/电流同时采样，二者之间无相位差，方便功率和功率因子计算。

②实时数据处理量大，要求采用高速处理器。

在电力监测/监控系统用DSP代替MCU正是基于上述第2个特点。

DSP与MCU的比较

DSP实际上是一种特殊的MCU，与MCU相比它有以一下的特点：

①片内有多条地址、数据和控制总线，可使多个控制和运算部件并行工作，提高CPU的处理能力。

②DSP中一定有硬件乘法器，乘法运算一条指令完成。并且乘法器是独立的，可以和加法器等运算部件并行工作，提高了CPU的数字处理能力。

③DSP中有一些特殊指令，用来加速数字处理。比如，连乘加（MAC）指令，一个指令周期内同时完成乘法和加法运算。

④主频比一般MCU要高许多。从指令周期来看：低档DSP一般为50ns；中档DSP一般为10ns；高档DSP一般为5ns。从处理看；低档DSP一般为20MIPS；中档DSP一般为100MIPS；高档DSP一般为1600MIPS。

数字运算，归根结底是乘、加运算，即∑An∑×Xn。由上可见，DSP的内部硬件结构比MCU更适合于数字信号处理。

DSP的外部硬件结构和MCU相同，由地址、数据和控制三总线组成，所以外部硬件构成和MCU大致相同，只不过DSP的外部总线要比MCU快很多，所以选择外部器件时注意要选用高速器件，做PCB板时，一般应采用高速器件，做PCB板时，一般应采用多层板， 这样才能保证DSP系统的可靠性和稳定性。

在软件开发上，DSP与MCU相比，更好地支持模块化编程，并更便于工程化管理。在软/硬件的调试方面，DSP与MCU有较大的区别。MCU的软/硬件调用替代方式来进行的。也就是说MCU的仿真器是一套完整的MCU系统，用MCU仿真器的仿真头代替被仿真的目标系统的MCU，甚至还可以用仿零点上的存储器代替目标系统的存储器。这样做法的缺点有：①硬件时序时为仿真的硬件时序，与目标系统硬件时序有一定差异。②仿真器或多或少要占用一定的硬件资源。③随着MCU引脚数的增多和封装的小型化，仿真头制作起来越难。④随着MCU主频的提高，仿真电缆长度将越来越短，使用更加不便。⑤不同的MCU仿真器的硬件各不相同，用户开发投资加得。而DSP是用接口方式来仿真，DSP仿真器上没有任何DSP资源，所有资源都在DSP目标系统上，DSP仿真器只提供独立于DSP的JTAG标准接口（IEEE标准），DSP芯片上有专门用于仿真调试的信号引脚，用户只需按JTAG标准，在DSP目标板上作一接口（14芯双排插针），二者相连即可对DSP进行仿真调试。DSP仿真器与MCU仿真器相比优点有：①硬件时序即为目标系统硬件时序。②仿真器不占用DSP任何资源。③仿真接口与DSP引脚数和封装无关。④仿真接口与DSP主频无关。⑤仿真器硬件与DSP无关，不同系列DSP仿真器硬件相同，所不同的只是编译软件和调试软件，节省用户的开发投资。高效的编译软件和功能强大的调度软件，使用户开发DSP的系统更加快捷、方便。

电力系统DSP解决方案

根据电力系统的特点，及不同应用性价比的要求，北京合众达公司推出二款用于电力系统的DSP硬件平台：SEED-F206MS和SEED-C32MS。SEED-F206MS适用于电力自动化（如站内分布式RTU、柱上RTU和电力仪器/仪表）和低压保护；SEED-C32MS适用于电力高压保护和故障录波器。

SEED-F206MS原理框图如图1所示，它由下列几部分组成：

①由处理器：采用TMS320F206 16位定点DSP作主处理器，处理20MIPS，F206片上有4.5×16位的高速SRAM、32K×16位的高速Flash、一个16位定时器、一个导步串口、一个同步串口及三个外部中断。

②模拟量输入：采用4片MAX125组成16通道同时采样、每通道采样率76KSPS、分辨率14位、输入范围±5V的模拟输入部分。电流、电压经CT、PT变换成满足要求的模拟输入量。模拟输入通道实际可达到32个通道，只不过这32个通道不是完全同时采样的，而是16通道/16通道同样采样，在合理安排采样通道数的情况下，可以满足电力系统同相电压/电流同时采样的要求。

③频率测量：由硬件电路实现模拟输入信号的频率测量，硬件电路将输入的模拟信号转换为数字方波，用2.5MHz时钟计数方波信号，并将计数值锁存到测频寄存器中，F206读测频寄存器，2.5MHz除于测频寄存器值，即为被测信号的频率。被测信号要求满足：±1V≤幅值≤±10V，39Hz≤频率≤2.5MHz。测频精度的时间分辨率为400ns。

④开关量输入：16路开关量信号经限流、去抖后加到光电隔离器上，并经数据缓冲给`F206，由`F206来监测开关变位情况。限流电阻为3.6KΩ@1/4W，开关量输入范围：18V～30V直流。光电隔离器采用东芝TLP121，隔离电压2500V直流，信号带宽10KHz。

⑤开关量输出：16路开关量输出，由`F206锁存到输出寄存器中，再经达灵顿型光电隔离器输出，用于驱动外部继电器。达灵顿型光电隔离器采用东芝TLP127，输出级作为一个开关节点，最大耐压为40V直流，最大输出电流200mA，隔离电压2500V直流，信号带宽10KHz。

⑥外部接口：采用16C552（2串/1并）器件，加上1F206片上1个导步串口和1个同步串口，组成有3个异步串口，1个同步串口和1个打印机接口的外部接口，便于系统的灵活应用和扩充。3个异步串口中，基中有2个带光电隔离，并且有1个可配置为RS232/RS485/RS422，其余2个为RS232。

⑦其它：看门狗电路，提高系统的可靠性；实时时钟，提供时间基准；2K×8位掉电数据不丢失NVRAM，提供用户存放重要参数；64K×16位外部扩展的等程序或数据存储器，提供用户更大的应用范围。

SEED-C32MS原理框图如图2所示，综由下列几部分组成：

①主处理器：采用TMS320C32 32位浮点DSP作主处理器，处理MFLOPS，`C32片上有0.5K×32位的高速SRAM、二个32位定时器、一个同步串口及四个外部中断。

②模拟量输入：采用1片AD676和16片LF398M组成16通道同时采样分时转换、每通道采样率5KSPS、分辨率16位、输入范围±5V的模拟输入部分。电流、电压经CT、PT变换成满足要求的模拟输入量。模拟输入通道还可通过扩展口扩展至32个通道。

③频率测量：由硬件电路实现模拟输入信号的频率测量，硬件电路将输入的模拟信号转换为数字方波，用2.5MHz时钟计数方波信号，并将计数值存到测频寄存器中，1C32读测频寄存器，2.5MHz除于测频寄存器值，即为被测信号的频率。被测信号要求满足：±1V≤幅值≤±10V，39Hz≤频率≤2.5MHz。测频精度的时间分辨率为400ns。

④开关量输入：16路开关量信号经限流、去抖后加到光电隔离器上，并经数据缓冲给`C32，由`C32来监测开关变位情况。限流电阻为3.6KΩ@1/4W，开关量输入范围：18V～30V直流。光电隔离器采用东芝TLP121，隔离电压2500V直流，信号带宽10KHz。

⑤开关量输出：16路开关量输出，由`C32锁存到输出寄存器中，再经达灵顿型光电隔离输出，用于驱动外部继电器。达灵顿型光电隔离器采用东芝TLP127，输出级作为一个开关节点，最大耐压为40V直流，最大输出电流200mA，隔离电压2500V直流，信号带宽10KHz。

⑥外部接口：采用16552器件，提供2个异步串口，其中1个异步串口经光电隔离后，配置成RS422/RS485；另1个异步串口经光电隔离后，将TTL电平变换平0～15V。

⑦扩展接口：有1个数字扩展接口和1个模拟扩展接口。数字扩展接口提供地址、数据和控制总线，给用户作扩充之用。模拟控制接口，还可控制16路模拟量输入。

⑧其它：看门狗电路，提高系统的可靠性；256K×32位外部扩展SRAM，提供用户存放程序或数据。512K×32位外部扩展的Flash，提供用户存放程序或重要参数。