双处理器在变电站监控中的应用研究

摘要：本文分析了变电站监控技术的发展要求，并以工程应用为切入点，初步讨论了变电站监控单元对DSP+MCU双处理器模式的需要;介绍了DSP、MCU的技术背景;阐述了DSP与MCU间的数据通信方式;提出了一种基于DSP+MCU双处理器模式的高性能变电站监控单元的实现实例;并指出了DSP、MCU走向融合的发展趋势。

关键词：变电站监控 DSP 数据通信 嵌入式以太网

0引言

随着变电站自动化程度的不断提高，对作为现场监测、控制为目的的监控单元的设计也提出了更高的要求：除了在监测、控制的量上有较大增加外，对数据采集的实时性、控制操作的快速性、分析手段的多样性、分析算法的复杂性、通信方式的灵活性等都提出了更苛刻的要求。在大数据处理容量、复杂分析算法、先进的通信方式面前，采用单一的DSP或MCU处理器构筑的硬件平台明显力不从心。采用DSP+MCU双处理器模式，利用DSP芯片较强的数据处理能力实现数据的实时采集、分析、计算，外加一款具有较强通信处理能力的MCU以迎合现场对通信技术的要求，不失为一种两全其美的解决办法。

1技术背景

1.1变电站监控

变电站监控的主要任务就是采集所在发电厂或变电站表征电力系统运行状态的模拟量和状态量，并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心下发的控制和调节命令。监控单元是整个监控系统的前置I/O模块，直接和现场一次设备相连，是数据采集、处理、控制操作的核心，因此其性能的高低直接决定了整个系统的性能指标。早期的监控单元是由一些分立元件构成，它所能处理的信息量很少，功能极为简单。随着微处理器技术的运用，监控单元也发展到了以单片机为核心的嵌入式系统，但在数据采集、处理量较少、精度要求不高，对通信的实时性、先进性也没有太严格要求的情况下，采用单片低价位8位或16位MCU就可以实现。

随着变电站自动化技术的发展以及分析算法、分析手段的提高，越来越多的用户特别是一些特殊用户(如高压、超高压变电站、电气化铁路牵引变电所、大型企业变电所等)对变电站监控的设计需求也越来越高，如：能够实时分析高次谐波、能够计算序分量从而分析电能质量、能够进行控制操作的逻辑闭锁等，从而涉及到高速数据采样及处理;在通信上，对通信的实时性、可靠性、先进性要求也越来越高，嵌入式以太网技术、双现场总线技术也相继在变电站监控单元中采用。在此背景下，采用DSP+MCU双处理器模式可以较好的解决复杂数据处理与先进的通信技术之间的矛盾。

1.2 DSP芯片的特点

DSP，又称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号算法处理，其主要技术特征：

a. 硬件上采用多总线哈佛(Harvard)结构，提高了数据的处理能力和速度。

b. 指令执行采用流水作业，具有较高的指令执行速度。

c. DSP内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元、辅助寄存器运算单元、累加器以及硬件乘法器等，它们可以在一个指令周期内同时进行计算。

d. 内部具有独立的DMA总线控制器，可以实现程序执行与数据传输并行工作。

e. 具有多处理器接口，为使用嵌入式子系统实现大型和复杂嵌入式系统提供了技术基础。

因此DSP特别适合于大容量、高复杂数据处理的场合，在变电站监控中DSP芯片作为监控单元的数据采集、计算和处理的核心。

1.3 MCU的功能定位与选型

MCU即嵌入式微处理器。随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，MCU不断产生新的变化和进步，与微机之间的性能差距越来越小，并且集成度越来越高，功耗越来越低。

在百花齐放的MCU家族中，要做出最优的选择确实是件令设计师头疼的事。根据前述DSP和MCU在变电站监控单元中扮演的角色，MCU侧重于处理通信任务。对于采用了双处理器模式且DSP芯片已经承担了大部分数据计算、处理的场合， MCU的选型应从以下几个方面考虑：

a. 系统拟采用的通信方式

MCU的选型一定程度上取决于监控单元所采用的通信方式。如果系统采用CAN总线互连，则可选择一款具有CAN总线接口的MCU芯片;如果采用嵌入式以太网技术，则可选择具有以太网接口的MCU芯片。虽然可以通过外扩协议芯片的方式来实现所需的通信方式，但这样做会较大地增加系统的软硬件开销。

b. MCU的资源能否满足要求、外围接口是否方便

根据监控单元的功能定位，对MCU的资源进行审查：包括总线位数(8位、16位、32位)、主频、指令周期、寻址空间、中断系统、定时器、外围接口等，由此判断能否满足设计需要，并留有适当的裕量以备系统升级。

c. 开发工具是否完备、编程是否方便

开发环境的好坏直接影响到产品的开发周期。是否有嵌入式实时多任务操作系统的支持，是否支持高级语言编程，是否可以在线对目标板进行实时仿真调试等都是需要重点考虑的因素。

d. 价格是否合理

最后要看MCU芯片的价位是否在容许的范围内，短期内货源是否正常，价位是否会出现大的波动等。

2DSP与MCU间的数据交互

在以DSP+MCU双处理器为核心的智能单元中，二者之间的数据通信是系统设计的重要环节，直接影响到数据传输的效率和可靠性，常见的数据交互方式有以下三种：

2.1 采用双端口RAM

采用双端口RAM解决双处理器间的数据通信问题是最常用的方式，其实现框图如图一所示

双端口RAM具有两套独立的数据、地址、控制总线，可以分别与DSP和MCU两个处理器接口，通过这一片外公共的存取空间，MCU和DSP就可以方便的进行数据交互了。

优点：实现起来较为方便;实时性较好。

缺点：增加了硬件成本;占用了有限的印制板空间;如果对控制信号(尤其是两测的BUSY信号)处理不好容易降低数据传输的可靠性。