摘 要： ADI的DSP處理器在電力二次設(shè)備領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。介紹了ADI的DSP處理器類型,、在電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用概況以及開發(fā)流程。
關(guān)鍵詞： 電力二次設(shè)備; 定點(diǎn); Blackfin; 浮點(diǎn); SHARC
電力二次設(shè)備主要是指對一次設(shè)備進(jìn)行控制、監(jiān)控和保護(hù)的設(shè)備,，包括電站自動化、變電站自動化,、調(diào)度自動化,、配電自動化、線路保護(hù),、主設(shè)備保護(hù)和電能計(jì)費(fèi)自動化產(chǎn)品等,，其中使用了大量的智能處理單元。本文主要討論ADI 的數(shù)字信號處理器(DSP)在電力二次設(shè)備中的應(yīng)用,。
按照適用電網(wǎng)環(huán)境來分,電力二次設(shè)備可以分為高壓(>110 kV),、中壓(3.5 kV～110 kV)和低壓(<3.5 kV)二次設(shè)備。在高壓和中壓應(yīng)用中,需要智能處理單元響應(yīng)速度快,、延遲小,其中高壓二次設(shè)備大都采用浮點(diǎn)運(yùn)算,并且多采用多處理器架構(gòu);而中壓二次設(shè)備根據(jù)不同的應(yīng)用和要求會采用浮點(diǎn)或者定點(diǎn)的運(yùn)算;低壓二次設(shè)備大都采用定點(diǎn)運(yùn)算,主要偏重處理單元的對外通訊和控制能力,。
1 ADI DSP處理器在電力二次設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用背景
隨著處理性能的不斷提高和成本的不斷降低,DSP在電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛,從開始單純的數(shù)值算法計(jì)算,到實(shí)現(xiàn)真正的單芯片解決方案。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的不斷革新以及二次設(shè)備行業(yè)市場的持續(xù)發(fā)展,DSP在二次設(shè)備行業(yè)正起著越來越多的作用,。
ADI公司的DSP處理器產(chǎn)品在電力二次設(shè)備的應(yīng)用歷史可以追溯到上個世紀(jì)90年代,。由于ADI在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域一直有良好的口碑和產(chǎn)品,電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中大量采用了ADI的ADC、運(yùn)算放大器以及DSP處理器,。其中DSP處理器主要使用定點(diǎn)DSP處理器ADSP21XX系列,以及浮點(diǎn)DSP處理器ADSP2106X系列,。進(jìn)入21世紀(jì)以來, 電力二次設(shè)備市場面臨著新一輪的產(chǎn)品更新?lián)Q代,原來方案中的大多數(shù)智能處理單元需要重新設(shè)計(jì)。
由于以往的DSP或MCU的處理能力不足,大多數(shù)老的設(shè)計(jì)方案都是采用多處理器架構(gòu),。隨著市場對設(shè)備成本和開發(fā)周期要求的不斷提高,伴隨著DSP處理器的性能不斷提升,新的電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)越來越多地采用單芯片設(shè)計(jì)思路,如圖1所示,。這樣不僅能夠大大降低設(shè)備成本,也能大大簡化開發(fā)平臺,節(jié)省大量的開發(fā)費(fèi)用。
ADI沿襲了原來對工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品開拓思路,針對工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)開發(fā)了多款數(shù)字信號處理器。其中定點(diǎn)處理器采用全新的Blackfin架構(gòu),而浮點(diǎn)處理器則是在原來的浮點(diǎn)架構(gòu)上不斷提高處理能力和增加外設(shè)接口種類,同時芯片的成本較原來大大降低,符合電力二次設(shè)備市場的發(fā)展方向,。
2 ADI DSP處理器
2.1 定點(diǎn)DSP處理器
自2000年以來,ADI推出了多款定點(diǎn)Blackfin系列DSP處理器,。Blackfin是一個全新的架構(gòu), 它集高性能的數(shù)字信號處理器與微控制器于一身,從芯片結(jié)構(gòu)的變革性設(shè)計(jì)上支持密集的控制代碼和快速的DSP代碼。Blackfin處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖2所示,。它可以工作在超級用戶模式和一般用戶模式;使用變長指令集,芯片硬件上自動對齊指令,所以在存儲器中沒有不同指令長度代碼對齊的要求;支持指令和數(shù)據(jù)Cache,，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)的DMA傳輸。開發(fā)環(huán)境中的編譯器也支持對控制命令的優(yōu)化編譯,，使得Blackfin作為控制器的性能不亞于其他MCU,。而當(dāng)進(jìn)行數(shù)字信號處理時，Blackfin的主頻最高可達(dá)700 MHz以上,，同時包含2個可以并行的MAC(乘累加)單元,，開發(fā)環(huán)境中編譯器的不斷優(yōu)化使得大部分?jǐn)?shù)字信號處理代碼都不用手工匯編，而直接使用C語言,，大大提高了系統(tǒng)開發(fā)的可維護(hù)性,。
在外部接口上，不同的Blackfin系列提供了豐富的種類,，包括片內(nèi)Flash,、SDRAM或DDR控制器、并行接口PPI,、異步串行接口UART,、同步串行接口SPORT、并行主從DMA口HDMA,、串行主從控制接口SPI,、I2C、通用定時器,、看門狗,、實(shí)時時鐘、GPIO管腳等,，從而給客戶提供了靈活的設(shè)計(jì)空間,。
在Blackfin上的應(yīng)用軟件架構(gòu)如圖3所示。用戶的數(shù)字信號處理和控制代碼可以在Blackfin上直接運(yùn)行,而OS可以根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)需要增加,。非實(shí)時的操作系統(tǒng)可以使用?滋Clinux等, 實(shí)時操作系統(tǒng)可以使用Nucleus,Thread-X等,。由于Blackfin提供了完整的硬件參考設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)環(huán)境,使得電力二次設(shè)備客戶無論是移植老的應(yīng)用方案還是重新開發(fā)新的應(yīng)用方案,都非常方便。
2.2 浮點(diǎn)DSP處理器
ADI的浮點(diǎn)DSP處理器開發(fā)已經(jīng)有將近二十年的歷史,所開發(fā)的SHARC系列一直在相應(yīng)時期保持突出的浮點(diǎn)處理器性能,。SHARC可以同時支持32位定點(diǎn),、32/40位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式,片內(nèi)擁有動態(tài)寬度、雙端口,、零等待的SRAM,。在高壓二次設(shè)備的設(shè)計(jì)中,SHARC可以充分保證數(shù)據(jù)處理的精度以及相應(yīng)處理速度,。隨著軟件環(huán)境編譯器的不斷優(yōu)化,客戶可以直接將仿真驗(yàn)證過的算法浮點(diǎn)代碼移植到SHARC平臺上。
SHARC的很多型號支持多片架構(gòu),這樣就方便了客戶靈活設(shè)計(jì),可以任意組合硬件配置以及相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu),。多片架構(gòu)可以通過共享SDRAM或LINKPORT接口實(shí)現(xiàn),。共享SDRAM主要用來存放共用的數(shù)據(jù)或通訊交互數(shù)據(jù),不同的SHARC可以通過輪流接管SDRAM來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。而LINKPORT接口可以實(shí)現(xiàn)SHARC之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接,如圖4所示,。LINKPORT的傳輸時鐘最大可達(dá)166 MHz,8根并行數(shù)據(jù)線,并且可以實(shí)現(xiàn)雙向通訊,這種靈活有效的通訊接口,可以把SHARC的其他外設(shè)接口解放出來用于其他用途,。
SHARC還開發(fā)了一系列低端產(chǎn)品,通過裁減外設(shè)接口和片內(nèi)SRAM空間來降低芯片的成本,對需要做簡單浮點(diǎn)運(yùn)算的中壓二次設(shè)備設(shè)計(jì)很有誘惑力。
2.3 最新的DSP處理器
ADI公司2008年推出了最新的Blackfin系列BF51X,圖5是BF51X的內(nèi)部原理框圖,。較以往的Blackfin產(chǎn)品,它在降低成本的基礎(chǔ)上更加提高了外設(shè)的集成度,。處理器BF51X的主頻可以達(dá)到400 MHz,片內(nèi)SRAM達(dá)到116 KB,并行接口包括1個PPI/LCD控制器,2個UART口,2個SPORT口、2個SPI口,、1個TWI(I2C)、8個通用定時器,、3對PWM輸出,、1個SDIO/CE-ATA接口、40個GPIO管腳,，提供QFP和MiniBGA的封裝,以及工業(yè)級溫度范圍,。
BF51X上集成的以太網(wǎng)MAC還支持IEEE-1588 V2協(xié)議,可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中主從時鐘交互報(bào)文,以達(dá)到時鐘的精準(zhǔn)同步。IEEE-1588定義了一組可以在不同系統(tǒng)間交互的報(bào)文協(xié)議,這些報(bào)文包含了所需的對時信息,。BF51X的PTP_TSYNC模塊(精確時鐘協(xié)議時鐘同步引擎)在硬件上實(shí)現(xiàn)了對IEEE-1588標(biāo)準(zhǔn)的支持,。
在電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中，尤其是中低壓設(shè)備中,，由于BF51X有著豐富的接口和優(yōu)秀的處理控制能力,，可以實(shí)現(xiàn)單片解決方案，從而節(jié)省設(shè)備成本,，縮短開發(fā)周期,。
ADI在2008年推出了最新的浮點(diǎn)DSP處理器系列ADSP2146X,在原來浮點(diǎn)DSP處理器系列的基礎(chǔ)上增大了片內(nèi)RAM尺寸,達(dá)到了5 MB，主頻達(dá)到450 MHz,，同時擁有16bit數(shù)據(jù)帶寬的DDR2 DRAM控制器,。除了帶有片內(nèi)FFT/FIR/IIR硬件加速器外，更增加了變長指令的支持,，從而可以節(jié)省20%～30%的代碼存儲空間,。從芯片內(nèi)部資源上對海量計(jì)算的支持有了質(zhì)的提高。ADP2146X在外設(shè)上同樣增加了高速并行接口LINKPORT,，以支持海量數(shù)據(jù)的傳輸,。
綜上所述，在電力二次設(shè)備設(shè)計(jì)中,，尤其是中高壓設(shè)備中,，由于ADP2146X處理能力突出,，完全可以實(shí)現(xiàn)單片解決方案，從而節(jié)省設(shè)備成本,，縮短開發(fā)周期,。
3 ADI DSP處理器的開發(fā)流程
客戶首先根據(jù)自己的需要選擇合適的DSP處理器類型和型號，這時候要考慮諸多因素,例如成本,、外設(shè)接口,、硬件開發(fā)資源、軟件架構(gòu),、產(chǎn)品的拓展計(jì)劃,、市場差異化需求等，最終找到一個平衡點(diǎn),，當(dāng)然還要參考具體DSP處理器型號的處理能力和外設(shè)配置,。
3.1 硬件設(shè)計(jì)簡介
DSP處理器硬件方案的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，以Blackfin為例,。其中電源部分提供外設(shè)接口電壓和內(nèi)核電壓,，如果客戶使用Blackfin片內(nèi)regulator提供內(nèi)核電壓，則電源部分只需要提供一種電壓即可,。時鐘源可以是晶體,、晶振或通過其他電路引入的時鐘信號。由于Blackfin片內(nèi)的PLL鎖相環(huán)提供大且靈活的動態(tài)調(diào)整范圍,，盡管Blackfin的最高主頻可以達(dá)到和超過700 MHz,，時鐘源通常使用20 MHz左右的即可。Blackfin的PLL鎖相環(huán)以及片內(nèi)regulator是可以由用戶在應(yīng)用程序里實(shí)時控制的,，以達(dá)到節(jié)省功耗的目的,。Blackfin的SDRAM/DDR控制器的最高工作頻率可達(dá)到133 MHz，在硬件上提供了足夠的外存吞吐帶寬,。Blackfin引導(dǎo)方式也多種多樣,，可以從并行或串行的外設(shè)或外存引導(dǎo),，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性,。而Blackfin提供的豐富外設(shè),，可以讓客戶方便地完成方案的外設(shè)設(shè)計(jì)。
3.2 系統(tǒng)開發(fā)簡介
ADI DSP的開發(fā)環(huán)境是一套完整的集成開發(fā)環(huán)境,，包括軟件開發(fā)環(huán)境Visual DSP++,、仿真器ICE和硬件目標(biāo)板?？蛻艨梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行純軟件調(diào)試或?qū)⒋a下載到目標(biāo)板,，進(jìn)行實(shí)時調(diào)試。調(diào)試流程如圖7所示,?？蛻魧⒆约旱腃/C++代碼通過編譯器生成匯編代碼,，連同原先的其他匯編代碼文件，都翻譯成DOJ文件,。鏈接器根據(jù)相應(yīng)的鏈接描述LDF文件,，將所有的DOJ文件鏈接生成可執(zhí)行DXE文件。這時客戶可以將此DXE文件下載到純軟件調(diào)試環(huán)境進(jìn)行調(diào)試,，或下載到硬件目標(biāo)板上進(jìn)行調(diào)試,。編譯器的優(yōu)化功能可以確保大多數(shù)情況下的代碼并不需要手工匯編。調(diào)試過程結(jié)束后即可將DXE文件轉(zhuǎn)化成引導(dǎo)LDR文件,，燒入板上的Flash芯片,，完成整個開發(fā)的工作。
4 ADI DSP處理器在電力二次設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用前景
近年來,電力二次設(shè)備的設(shè)計(jì)思路呈現(xiàn)出多樣化的趨勢,這與處理器的多樣化和靈活性的大大提高密不可分,。ADI的DSP處理器至今已有幾十種產(chǎn)品,給客戶的設(shè)計(jì)提供了足夠的選擇空間,。隨著ADI DSP處理器集成度和靈活性的持續(xù)提高, 電力二次設(shè)備的設(shè)計(jì)周期可以隨之大大縮短,從而有效提高行業(yè)競爭力。
參考文獻(xiàn)
[1] ADSP-BF512/ADSP-BF514/ADSP-BF516/ADSP-BF518 Blackfin Embedded Processor Preliminary Data sheet[EB/OL].www. analog.com,2008.
[2] ADSP-21469/ADSP-21469W SHARC Processor Data Sheet[EB/OL]. www.analog.com,2008.