基于数字信号处理器的保护装置的研究

产品简介

摘　要
     为满足保护装置高分辨率、高采样率及快速计算的应用要求，提出了基于数字信号处理器(DSP)设计保护硬件的方案，详细给出了关于TMS320C30的接口设计和整体硬件设计方案。实践证明：宿主机结构的采用，不但大大减轻了硬件设计的工作量，同时软件的开发也变得更加方便、快捷，缩短了保护的开发周期。

0　引言
     大多数的微机保护使用16位单片机，对于常规保护其性能基本能满足要求。但有以下特殊问题时，例如：差动型保护(母线、线路)因电流互感器(TA)饱和，变压器保护因励磁涌流，基于行波测距或行波保护装置因快速大量的计算等，16位单片机往往受到速度和结构的限制，难以实现更新的复杂算法及达到更高的采样速率。因此本文提出基于数字信号处理器(DSP)的硬件设计方案。
数字信号处理器TMS320C3x［1］系列产品是一种非常通用的浮点处理器，其中C30能工作于20MIPS/40MFLOPS，C32则能工作于30MIPS/60MFLOPS。C32占用的电路板面积更小，价格也较低，而且数字以浮点处理，算法编程也容易得多。这些特点使它很适合用于需要高分辨率、高采样率以及高速计算的场合。

1 中试控股电力讲解C30结构简介及外部接口设计
     以C30为例。其内部存储器分为两个存储块，每块32 Kbit；芯片内还有64个字(32 bit构成1个字)的指令缓存区。其存储空间为16 M×32 bit。外部设备除了可连接于主总线之外，还可连接于外围总线、C30的两个串行口。内部有两个作通用定时器和事件计数器的定时器模块、两种信号方式和内部外部时钟，C30还具有一个片内DMA控制器，使C30可与外部低速存储器和外围接口，不影响CPU的计算通过能力。其内部结构如图1所示。
图1　TMS320C3x结构框图
Fig.1　Block diagram of TMS320C3x
保护硬件设计中最常用的一种结构即是一个或多个CPU完成保护功能，另外再设CPU完成监控、显示、打印等功能。虽然也可用相同的DSP来完成保护和监控功能，但按照这种方式设计成的基于DSP的系统比较庞大且性能不佳，硬件及软件的工作量很大。本文认为基于C30的保护装置更易于使用宿主机结构，主CPU可采用时下流行的x86。为使性能达到最佳，让每个CPU可以承担它最胜任的工作，DSP可以承担各种密集型的算法，如滤波、向量计算、逻辑判断等，而x86可进行物理显示、数据记录、存储以及系统总体控制与配置。
1.1　基本原理
 在DSP至主CPU的接口中，关键的一部分是数据通路，它必须提供足够的带宽来支持所需的数据吞吐速度。所以在两者间必须让两CPU中的一个有能力启动两者间的通信，同时，要让主CPU对从CPU的活动保持某些控制权(如复位和中断控制等)。此外，主CPU与从CPU之间的数据通路宽度若是32 bit，则可采用PCI总线；如是16 bit宽度，则可采用ISA总线。中试控股电力讲解数据通路的带宽要求因应用的不同而有差别。比如：主CPU与从CPU要交换的数据只是A/D转换的数字量，因时下的A/D最多也就是16 bit的精度，就不必采用PCI总线。主CPU与ISA接口的实现方法如图2所示。

图2　C30与ISA总线接口
Fig.2　The interface of C30 and ISA bus
主、从机系统最简单的方式是采用公用存储器或双寻址寄存器。它具有两套数据总线、地址总线和控制总线，可由x86和DSP共同管理，但同一时间只能由其中一个对其访问。C30提供HOLD和HOLDA两个信号，供主CPU控制它的外部存储器总线。为了控制C30的存储器，主CPU通过命令寄存器向从机C30发出HOLD申请。于是C30在完成了它当前的任务之后便发回HOLDA信号，并使它的地址、数据总线及控制信号处于三态。主CPU收到HOLDA信号之后，就可访问C30的外部存储器，此时C30停止了任何外部访问，但其内部仍继续运行，一直到需要外部总线时才停止下来。当主CPU对C30的外部存储区，即公用存储区操作后(如加载、读出或修改数据)，取消HOLD信号，保持周期宣告结束，C30可重新访问其外部存储区。
为节省占用主CPU的存储空间，使主CPU能管理C30的外部存储区，可采用页面管理方式(见中国科学院声学研究所1993年《TMS320C30—A型开发高速处理多功能板用户指南》)。假设C30配置了128 K×32 bit，可将存储空间分为8个区，每区为16 K×32 bit，正好占用主CPU机的一段地址空间。ISA地址总线A0，A1所构成的译码器把32 bit分成4段，每段1 B。地址线A2～A15构成16 KB存储空间，总存储量为64 KB。选取主CPU的A16～A19，可决定占用主CPU的段地址。每个存储区则由主CPU命令口的状态锁存器的3位提供，它把公用存储区分为8个区，选择这3位码，可访问这8个区中的任一区。
上面所述的公用存储区可在主、从机间大量传输数据，但同一时间只允许一个CPU访问，所以在两机同时运行时，会降低整个系统的速度，一般只用于程序加载。目前市场上已有许多高性能双端口RAM出现，可在两CPU之间设置双端口RAM，来满足两CPU之间快速交换数据的要求。由于双口RAM允许两个口同时访问存储器的任何地址，当两个CPU要同时访问同一存储地址时，片内有一套总线仲裁逻辑可解决这一问题，这就可使两CPU在同时运行时也能快速交换数据。另外主、从机之间还可利用中断启动信息的交换，见1.5节。
1.2　外部存储器
C30内部只有64 Kbit的RAM，所以无论是基于主CPU的应用还是单独应用，C30都需要外部存储器。另外C30是流水线结构，能够60 ns读取一条指令，因此，它需要外部存储器能跟上这个节奏。
应用程序大多预装入EPROM中，但是，这类芯片速度比较慢，即使速度问题解决了，使用也不灵活。如果应用程序需要改变，那就必须更换EPROM，因为EPROM在装入主机后，其内容就无法进行修改。较好的办法是采用高速SRAM储存程序。采用SRAM是外部程序存储器的最佳选择，因为不必借助外部逻辑，可选用零等待的存储器，对于33 MHz的C30来说，存取时间为35 ns的SRAM即可。不过这就带来一个问题，在程序运行过程中程序有可能被误改写，所以在设计时必须小心对待。
1.3　DSP的I/O接口
C30有两组总线，主总线可以作为DSP的一个I/O来源，其外围扩展总线用串行口也是I/O的来源，主总线用来连接外部存储器，扩展总线用于连接并行A/D，以及并行输入口、并行输出口，也可作为状态输出口。
1.4　加载程序与启动运行
由于使用RAM作为外部程序区，C30必须由主CPU对其进行复位、加载程序和运行的控制，这可以通过命令寄存器对C30的RS端子进行控制，当RS处于低电平时，C30复位，而当RS处于高电平时，C30从0地址开始运行。在RS信号为低电平期间，主CPU通过HOLD申请，从机响应后，其公用存储区被主机控制，主机在此期间向从机加载程序和数据，之后取消HOLD申请，并通过命令口，使RS为高电平输出，这样C30就结束复位状态，进入运行状态，即可以从高速存储器中读取程序。
1.5　主、从机的相互中断
当从机产生报告或有数据需传送时，需马上申请主机进行处理；而主机需向从机传送采样数据、定值、对时及其它一些控制命令时，也需向从机申请处理。为了有利于主、从机间的控制和管理，还可配置主、从机之间的中断电路，如图3所示。
图3　主机与C30的相互中断
Fig.3　Interrupt between master CPU and C30
当主机向C30发出中断申请时，由主机中断申请接口发出正脉冲，将C30的中断申请寄存器置位。当C30响应中断后，进入中断服务程序，在子程序中C30可通过输出口将中断申请寄存器复位。同理，C30也可向主机发出中断申请。

2 中试控股电力讲解整体设计
基于C30的保护整体设计［2］如图4所示。主CPU x86可承担模拟量、数字开关量的数字采集工作，及所有对外操作命令和故障录波图的显示和打印。C30则只进行数字信号处理、计算、逻辑判断等工作。
图4　整体设计
Fig.4　Diagram for whole device
正常运行方式下，主CPU只进行实时数字采集工作，同时也响应键盘中断请求，可完成诸如整定保护、调试、运行时人机对话功能。主CPU把采集到的原始数据直接写入与C30的共享双口RAM中，并以中断方式通知C30进行取数、加工处理。C30将保护计算和判断结果也以相同方式写入共享RAM中，如判断为故障，则同时中断主CPU，由主CPU完成开出操作。至于装置中的多路同步采集板、多路数字量开入带光隔模板、多路数字量开出带光隔模板等，在市场上极易购得，设计者只需稍加改造就可构成一套完整的保护装置。如果与后台机或调度通信，可方便地增加一个通信卡或网卡即可。因此，硬件的设计工作将大大减少，而基于x86环境下的软件开发更是简单方便，至少可抛弃传统的汇编语言，直接使用高级语言以及现成的软件包。可以预见，随着x86系列微机性能的不断提高以及价格的不断下调，使用x86作为主机的基于DSP的保护装置将包括PC和DSP的全部优点，并且很可能以非常低的价格实现。

3　结语
根据上述设计方案在实验室所做的实验样机表明，基于DSP的宿主机结构可以很好地实现保护功能，并能够达到比现有保护更高的采样率和更高的精度。本文所提出的应用DSP设计保护装置的方法，缩短了保护的开发周期和开发成本，可以使设计者能将更多的精力用于改善保护的性能上。
 

产品别称

产品特征