用于电力系统的DSP解决方案.pdf

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1、用于电力系统的用于电力系统的 DSP 解决方案解决方案 作者：北京合众达电子技术有限责任公司 钱建良 来源：电子产品世界 摘要：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：关键词：电力监测/监控 RTU 电力保护 DSP 电力系统的特点电力系统的特点 一个电力监测/监控系统需要完成下列全部或部分工作：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；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；监测开关变位；按照标准的通信协议，将监测得的数据上传中心站；接收中心站的遥控

2、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；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。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 与与 MCU 的比较的比较 DSP 实际上是一种特殊的 MCU，与 MCU相比它有以一下的特点：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。DSP 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。D

3、SP 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。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AnXn。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

4、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：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。仿真器或

5、多或少要占用一定的硬件资源。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。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。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：硬件时序即为目标

6、系统硬件时序。仿真器不占用 DSP 任何资源。仿真接口与 DSP 引脚数和封装无关。仿真接口与 DSP 主频无关。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-

7、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：由处理器：采用 TMS320F206 16位定点 DSP作主处理器，处理 20MIPS，F206片上有 4.516位的高速 SRAM、32K16 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。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

8、，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。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。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 3.6K1/4W，开关量输入范围：18V

9、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。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。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

10、，并且有 1个可配置为RS232/RS485/RS422，其余 2个为 RS232。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；2K8位掉电数据不丢失 NVRAM，提供用户存放重要参数；64K16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：主处理器：采用 TMS320C32 32位浮点DSP 作主处理器，处理 MFLOPS，C32片上有0.5K32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。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

11、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。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。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

12、况。限流电阻为 3.6K1/4W，开关量输入范围：18V30V直流。光电隔离器采用东芝 TLP121，隔离电压 2500V 直流，信号带宽 10KHz。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。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 015V。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。其它：看门狗电路，提高系统的可靠性；256K32位外部扩展 SRAM，提供用户存放程序或数据。512K32位外部扩展的 Flash，提供用户存放程序或重要参数。