用于电力系统的DSP解决方案

2006-05-07 15:50:03来源: 电子产品世界

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。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/dsp/200605/2849.html
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