2.2 采用串行通信

目前，大多數(shù)MCU和DSP芯片都具有較強(qiáng)的串行通信能力，且可以工作在較高的通信速率，采用串行接口也是一種較好的選擇。串行通信可采用同步、異步、SPI等方式。圖二所示為MCU、DSP間通過(guò)SPI[1]通信的示意

MCU為SPI的主設(shè)備，掌握通信的主動(dòng)權(quán)，產(chǎn)生片選、時(shí)鐘信號(hào);DSP為SPI的從設(shè)備，被動(dòng)的接收主機(jī)命令，并將主機(jī)所需信息放在主機(jī)的SIN引腳上;在這種主從式的結(jié)構(gòu)中，從機(jī)沒有主動(dòng)發(fā)言權(quán)。

優(yōu)點(diǎn)：接口簡(jiǎn)單，只需四根信號(hào)線。

缺點(diǎn)：實(shí)時(shí)性不好;占用處理器資源，如兩邊的處理器沒有專用通信協(xié)處理器或足夠的FIFO，在通信過(guò)程中將頻繁地產(chǎn)生收、發(fā)中斷;需要加載一定的通信協(xié)議，因此軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜。

2.3 采用HPI

TI公司的TMS320C5000和TMS320C6000系列較多款DSP中含有HPI(即主機(jī)接口)，用來(lái)與主設(shè)備或主處理器接口。外部主機(jī)是HPI的主控者，它可以通過(guò)HPI直接訪問DSP的存儲(chǔ)空間，包括存儲(chǔ)器映像寄存器。

HPI主要由以下5個(gè)部分組成：HPI存儲(chǔ)器(DARAM)，主要用作與主機(jī)傳送數(shù)據(jù);HPI地址寄存器，存放主機(jī)當(dāng)前尋址HPI存儲(chǔ)單元的地址;HPI數(shù)據(jù)鎖存器，用于存放主機(jī)正要讀寫的數(shù)據(jù);HPI控制寄存器，用于DSP或主機(jī)間的控制操作;HPI控制邏輯，用于處理HPI與主機(jī)之間的接口信號(hào)。

當(dāng)DSP與主機(jī)交換信息時(shí)，HPI是主機(jī)的一個(gè)外圍設(shè)備。DSP和主機(jī)可以在共用尋址方式下對(duì)HPI進(jìn)行操作，主機(jī)和DSP都能尋址HPI存儲(chǔ)器，異步工作的主機(jī)的尋址可以在HPI內(nèi)部重新得到同步。如果DSP與主機(jī)的周期發(fā)生沖突，則主機(jī)具有尋址優(yōu)先權(quán)，DSP等待一個(gè)周期。

圖三所示為MCU與DSP間通過(guò)HPI接口的框MCU充當(dāng)HPI的主機(jī)，值得注意的是，DSP可以通過(guò)對(duì)控制寄存器的操作以硬中斷的方式將MCU打斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)DSP的快速響應(yīng)，同樣MCU也可以通過(guò)對(duì)控制寄存器的操作以內(nèi)部中斷的方式申請(qǐng)DSP的快速響應(yīng)。

HPI接口的應(yīng)用極大地方便了MCU與DSP間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)使零硬件、軟件開銷成為可能。該方案靈活、簡(jiǎn)單，同時(shí)又能滿足實(shí)時(shí)性的需要，為開發(fā)人員提供了一種全新的數(shù)據(jù)共享、傳輸方案。

3 基于DSP+MCU的監(jiān)控單元硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

鑒于部分用戶對(duì)高性能監(jiān)控單元的需要，以下給出基于TI公司高性能DSP芯片TMS320VC5402和MOTOROLA高性能MCU芯片MCF5272的雙處理器監(jiān)控單元硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)框圖，如圖四所示

3.1主要芯片介紹：

在本例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TI公司最新推出的ADS8364芯片：16位精度，6通道同步采樣，采樣速率250KHz，并行接口。此AD芯片與處理器接口簡(jiǎn)單，控制方便，且可以同時(shí)將一條線路的所有電壓、電流量采出，為后續(xù)的高級(jí)分析、計(jì)算提供了條件。

數(shù)字信號(hào)處理器選擇了美國(guó)TI公司的TMS320C5000系列中的一款16位定點(diǎn)DSP芯片 TMS320VC5402，其在通信與信息系統(tǒng)、信號(hào)與信號(hào)處理和自動(dòng)化控制領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，除具有其它DSP芯片的特點(diǎn)外，還具有一個(gè)8位的HPI接口，指令執(zhí)行速度達(dá)100MIPS。其與MCU接口方便，且適于大容量數(shù)據(jù)處理和較復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)。

微處理器選用了MOTOROLA公司Coldfire系列中的高性價(jià)比微處理器芯片MCF5272。32位數(shù)據(jù)、地址總線，SDRAM接口，四個(gè)16位定時(shí)器，三通道PWM輸出，主頻達(dá)66MHz。MCF5272具有很強(qiáng)的通信能力，含有一個(gè)10M全雙工或100M半雙工以太網(wǎng)接口、一個(gè)USB1.1接口、兩個(gè)URAT，此外還有QSPI接口，特別適合于通信處理。

3.2DSP與MCU的分工協(xié)作

由圖四可見，系統(tǒng)主要由兩部分組成，以DSP為核心的交流采樣部分和以MCU為核心的數(shù)據(jù)通信部分，二者互相獨(dú)立而又相互協(xié)作。DSP主要負(fù)責(zé)監(jiān)控單元中的交流采樣任務(wù)，采集系統(tǒng)頻率，定時(shí)控制AD轉(zhuǎn)換，讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果放在HPI存儲(chǔ)器中。對(duì)重要數(shù)據(jù)以硬中斷的方式通知MCU快速提取，一般數(shù)據(jù)則由MCU根據(jù)需要主動(dòng)讀取。MCU負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通信任務(wù)，以總線或網(wǎng)絡(luò)的方式上傳給上級(jí)設(shè)備，并執(zhí)行上級(jí)設(shè)備下發(fā)的命令，同時(shí)承擔(dān)一些信號(hào)輸入、輸出等耗時(shí)較少的工作。

為防止MCU和DSP間的相互影響，HPI總線通過(guò)245進(jìn)行了隔離。

3.3系統(tǒng)主要性能

交流采樣方面：基于上述TI的6通道快速采樣AD和高性能DSP芯片，測(cè)控單元每周波可采樣128點(diǎn)，除了計(jì)算一些常規(guī)的電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因素外，采用快速傅立葉變換進(jìn)行高次諧波分析，計(jì)算諧波含量，計(jì)算正序、負(fù)序、零序分量，分析電網(wǎng)的不平衡度，分析輸入量的相位關(guān)系等等一些高級(jí)分析功能。

通信方面：(1)嵌入式以太網(wǎng)的應(yīng)用。隨著變電站自動(dòng)化程度的提高以及高壓、超高壓大型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，RS485總線、現(xiàn)場(chǎng)總線(如CAN、LonWorks等)通信方式已經(jīng)滿足不了要求，嵌入式以太網(wǎng)的出現(xiàn)為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了實(shí)現(xiàn)站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的新途徑，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。MCF5272對(duì)10M、100M以太網(wǎng)的支持正是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式以太網(wǎng)的需要。(2)除了提供嵌入式以太網(wǎng)外，MCF5272在不需要擴(kuò)展通信芯片的情況下，還可使監(jiān)控單元以485總線的方式接入其它裝置，并可加載數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議(如HDLC協(xié)議);可以將智能裝置通過(guò)RS232或RS485就近接入監(jiān)控單元隨網(wǎng)絡(luò)上傳;可以采用USB接口方便地進(jìn)行維護(hù)。

其它方面：可以實(shí)現(xiàn)軟PLC功能，用于設(shè)備級(jí)的操作閉鎖。

3.4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

TMS320VC5402提供JTAG標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口，可通過(guò)PC機(jī)對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行在線仿真、跟蹤調(diào)試，可采用高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言交叉編程，極大地縮短了開發(fā)周期。

MCF5272的軟件部分，采用VxWorks 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。VxWorks作為性能優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)，不論是在可靠性、實(shí)時(shí)性、可裁減性方面，還是在開放性、易用性等方面都是相當(dāng)不錯(cuò)的。它十分靈活，具有多達(dá)1800個(gè)功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口，適用于從最簡(jiǎn)單到最復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可靠性極高。VxWorks的應(yīng)用將使監(jiān)控單元如虎添翼，使系統(tǒng)的靈活性、可靠性、實(shí)時(shí)性都達(dá)到很高的水平。

結(jié)合具體的工程需要，適當(dāng)調(diào)整輸入、輸出量，可將以上的軟、硬件平臺(tái)廣泛應(yīng)用到變電站自動(dòng)裝置(同期、備自投、故障錄波)、繼電保護(hù)以及其它行業(yè)的控制系統(tǒng)中。

4結(jié)語(yǔ)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，DSP和MCU正在走向融合。目前，很多廠商推出了MCU+DSP的雙芯核芯片，但這樣的多芯核處理環(huán)境勢(shì)必增加系統(tǒng)軟件開發(fā)和片上調(diào)試裝置的復(fù)雜性。嵌入式芯片設(shè)計(jì)正朝著把單MCU-DSP芯核結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)器和外設(shè)邏輯集成在一起的方向發(fā)展。但無(wú)論如何，單片解決復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理與通信問題將是今后發(fā)展的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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