DSP处理器在电力二次设备中的开发

　　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，