摘要：本文分析了變電站監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展要求，并以工程應(yīng)用為切入點(diǎn)，初步討論了變電站監(jiān)控單元對(duì)DSP+MCU雙處理器模式的需要;介紹了DSP、MCU的技術(shù)背景;闡述了DSP與MCU間的數(shù)據(jù)通信方式;提出了一種基于DSP+MCU雙處理器模式的高性能變電站監(jiān)控單元的實(shí)現(xiàn)實(shí)例;并指出了DSP、MCU走向融合的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：變電站監(jiān)控 DSP 數(shù)據(jù)通信 嵌入式以太網(wǎng)

0引言

隨著變電站自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、控制為目的的監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求：除了在監(jiān)測(cè)、控制的量上有較大增加外，對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、控制操作的快速性、分析手段的多樣性、分析算法的復(fù)雜性、通信方式的靈活性等都提出了更苛刻的要求。在大數(shù)據(jù)處理容量、復(fù)雜分析算法、先進(jìn)的通信方式面前，采用單一的DSP或MCU處理器構(gòu)筑的硬件平臺(tái)明顯力不從心。采用DSP+MCU雙處理器模式，利用DSP芯片較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、計(jì)算，外加一款具有較強(qiáng)通信處理能力的MCU以迎合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通信技術(shù)的要求，不失為一種兩全其美的解決辦法。

1技術(shù)背景

1.1變電站監(jiān)控

變電站監(jiān)控的主要任務(wù)就是采集所在發(fā)電廠或變電站表征電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的模擬量和狀態(tài)量，并向調(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心下發(fā)的控制和調(diào)節(jié)命令。監(jiān)控單元是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的前置I/O模塊，直接和現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備相連，是數(shù)據(jù)采集、處理、控制操作的核心，因此其性能的高低直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。早期的監(jiān)控單元是由一些分立元件構(gòu)成，它所能處理的信息量很少，功能極為簡(jiǎn)單。隨著微處理器技術(shù)的運(yùn)用，監(jiān)控單元也發(fā)展到了以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)，但在數(shù)據(jù)采集、處理量較少、精度要求不高，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、先進(jìn)性也沒(méi)有太嚴(yán)格要求的情況下，采用單片低價(jià)位8位或16位MCU就可以實(shí)現(xiàn)。

隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展以及分析算法、分析手段的提高，越來(lái)越多的用戶特別是一些特殊用戶(如高壓、超高壓變電站、電氣化鐵路牽引變電所、大型企業(yè)變電所等)對(duì)變電站監(jiān)控的設(shè)計(jì)需求也越來(lái)越高，如：能夠?qū)崟r(shí)分析高次諧波、能夠計(jì)算序分量從而分析電能質(zhì)量、能夠進(jìn)行控制操作的邏輯閉鎖等，從而涉及到高速數(shù)據(jù)采樣及處理;在通信上，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、可靠性、先進(jìn)性要求也越來(lái)越高，嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)、雙現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也相繼在變電站監(jiān)控單元中采用。在此背景下，采用DSP+MCU雙處理器模式可以較好的解決復(fù)雜數(shù)據(jù)處理與先進(jìn)的通信技術(shù)之間的矛盾。

1.2 DSP芯片的特點(diǎn)

DSP，又稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)算法處理，其主要技術(shù)特征：

a. 硬件上采用多總線哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)的處理能力和速度。

b. 指令執(zhí)行采用流水作業(yè)，具有較高的指令執(zhí)行速度。

c. DSP內(nèi)部一般都包括有多個(gè)處理單元，如算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、輔助寄存器運(yùn)算單元、累加器以及硬件乘法器等，它們可以在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

d. 內(nèi)部具有獨(dú)立的DMA總線控制器，可以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行與數(shù)據(jù)傳輸并行工作。

e. 具有多處理器接口，為使用嵌入式子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大型和復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

因此DSP特別適合于大容量、高復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)合，在變電站監(jiān)控中DSP芯片作為監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和處理的核心。

1.3 MCU的功能定位與選型

MCU即嵌入式微處理器。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高，MCU不斷產(chǎn)生新的變化和進(jìn)步，與微機(jī)之間的性能差距越來(lái)越小，并且集成度越來(lái)越高，功耗越來(lái)越低。

在百花齊放的MCU家族中，要做出最優(yōu)的選擇確實(shí)是件令設(shè)計(jì)師頭疼的事。根據(jù)前述DSP和MCU在變電站監(jiān)控單元中扮演的角色，MCU側(cè)重于處理通信任務(wù)。對(duì)于采用了雙處理器模式且DSP芯片已經(jīng)承擔(dān)了大部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算、處理的場(chǎng)合， MCU的選型應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：

a. 系統(tǒng)擬采用的通信方式

MCU的選型一定程度上取決于監(jiān)控單元所采用的通信方式。如果系統(tǒng)采用CAN總線互連，則可選擇一款具有CAN總線接口的MCU芯片;如果采用嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，則可選擇具有以太網(wǎng)接口的MCU芯片。雖然可以通過(guò)外擴(kuò)協(xié)議芯片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的通信方式，但這樣做會(huì)較大地增加系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)銷(xiāo)。

b. MCU的資源能否滿足要求、外圍接口是否方便

根據(jù)監(jiān)控單元的功能定位，對(duì)MCU的資源進(jìn)行審查：包括總線位數(shù)(8位、16位、32位)、主頻、指令周期、尋址空間、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器、外圍接口等，由此判斷能否滿足設(shè)計(jì)需要，并留有適當(dāng)?shù)脑Ａ恳詡湎到y(tǒng)升級(jí)。

c. 開(kāi)發(fā)工具是否完備、編程是否方便

開(kāi)發(fā)環(huán)境的好壞直接影響到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。是否有嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持，是否支持高級(jí)語(yǔ)言編程，是否可以在線對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真調(diào)試等都是需要重點(diǎn)考慮的因素。

d. 價(jià)格是否合理

最后要看MCU芯片的價(jià)位是否在容許的范圍內(nèi)，短期內(nèi)貨源是否正常，價(jià)位是否會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)等。

2DSP與MCU間的數(shù)據(jù)交互

在以DSP+MCU雙處理器為核心的智能單元中，二者之間的數(shù)據(jù)通信是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，直接影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃裕Ｒ?jiàn)的數(shù)據(jù)交互方式有以下三種：

2.1 采用雙端口RAM

采用雙端口RAM解決雙處理器間的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題是最常用的方式，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖一所示

雙端口RAM具有兩套獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址、控制總線，可以分別與DSP和MCU兩個(gè)處理器接口，通過(guò)這一片外公共的存取空間，MCU和DSP就可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互了。

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便;實(shí)時(shí)性較好。

缺點(diǎn)：增加了硬件成本;占用了有限的印制板空間;如果對(duì)控制信號(hào)(尤其是兩測(cè)的BUSY信號(hào))處理不好容易降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?