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)計中的應(yīng)用概況以及開發(fā)流程。

　　數(shù)字技術(shù)對世界的改造將人類帶進(jìn)信息時代，無論是消費電子、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)、汽車、或者航空及領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)無處不在。然而，為信息化社會提供能源的電力系統(tǒng)在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用上卻走在了后面，由于種種原因，大部分國家的電力網(wǎng)絡(luò)老化，電力設(shè)備、電力管理的數(shù)字化程度低，電力使用效率低下，電力管理手段落后。

　　電力二次設(shè)備主要是指對設(shè)備進(jìn)行控制、監(jiān)控和保護的設(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、主設(shè)備保護和電能計費自動化產(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。

　　DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是值得稱道的兩大特色。

　　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)備大都采用浮點運算，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或者定點的運算；低壓二次設(shè)備大都采用定點運算，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)計中的應(yīng)用越來越廣泛，從開始單純的數(shù)值算法計算，到實現(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)計中大量采用了ADI的ADC、運算放大器以及DSP處理器。其中DSP處理器主要使用定點DSP處理器ADSP21XX系列，以及浮點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。

　　由于以往的DSP或MCU的處理能力不足，大多數(shù)老的設(shè)計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)計越來越多地采用單芯片設(shè)計思路，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。其中定點處理器采用全新的Blackfin架構(gòu)，而浮點處理器則是在原來的浮點架構(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。

　　中國政府正在擬定智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，并已經(jīng)啟動智能電網(wǎng)應(yīng)用的先導(dǎo)工作，同時基于中國國家電網(wǎng)的統(tǒng)一管理體制，中國將是智能電網(wǎng)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的先行國家。中國無論在智能電網(wǎng)的技術(shù)研究還是技術(shù)應(yīng)用上，與任何國家相比都并不落后，中國本土企業(yè)抓住這波數(shù)字化浪潮，必將迎來企業(yè)飛速發(fā)展的機遇。

　　2 ADI DSP處理器

　　2.1 定點DSP處理器

　　自2000年以來，ADI推出了多款定點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、實時時鐘、GPIO管腳等，從而給客戶提供了靈活的設(shè)計空間。

　　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上直接運行，而OS可以根據(jù)用戶的設(shè)計需要增加。非實時的操作系統(tǒng)可以使用？滋Clinux等， 實時操作系統(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DSP處理器

　　ADI的浮點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處理器性能。SHARC可以同時支持32位定點、32/40位浮點數(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)計中，SHARC可以充分保證數(shù)據(jù)處理的以及相應(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證過的算法浮點代碼移植到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，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來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。而LINKPORT接口可以實現(xiàn)SHARC之間的點對點連接，如圖4所示。LINKPORT的傳輸時鐘可達(dá)166 MHz,8根并行數(shù)據(jù)線，并且可以實現(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，對需要做簡單浮點運算的中壓二次設(shè)備設(shè)計很有誘惑力。

　　2.3 的DSP處理器

　　ADI公司2008年推出了的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，可以實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中主從時鐘交互報文，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)間交互的報文協(xié)議，這些報文包含了所需的對時信息。BF51X的PTP_TSYNC模塊（時鐘協(xié)議時鐘同步引擎）在硬件上實現(xiàn)了對IEEE-1588標(biāo)準(zhǔn)的支持。

　　在電力二次設(shè)備設(shè)計中，尤其是中低壓設(shè)備中，由于BF51X有著豐富的接口和的處理控制能力，可以實現(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年推出了的浮點DSP處理器系列ADSP2146X,在原來浮點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)品的拓展計劃、市場差異化需求等，終找到一個平衡點，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)用程序里實時控制的，以達(dá)到節(jié)省功耗的目的。Blackfin的SDRAM/DDR控制器的工作頻率可達(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。

　　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)⒋a到目標(biāo)板，進(jìn)行實時調(diào)試。調(diào)試流程如圖7所示。客戶將自己的C/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文件到純軟件調(diào)試環(huán)境進(jìn)行調(diào)試，或到硬件目標(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)計周期可以隨之大大縮短，從而有效提高行業(yè)競爭力。

　　ADI 十分重視與看好中國新能源市場前景，并為此專門成立了從事智能電網(wǎng)和其他能源應(yīng)用的新機構(gòu)。同時，正在積極支持重點客戶進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)，與第三方和作設(shè)計與開發(fā)與太陽能相關(guān)的解決方案，通過在中國建造的“ADI DSP生態(tài)系統(tǒng)”及其為客戶提供的軟件、工具、參考設(shè)計、教育培訓(xùn)等全面支持，這也充分展現(xiàn)了ADI大力開發(fā)和推動新能源市場發(fā)展的信心與決心。