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1999年7月
继电器 第27卷 第4期 RELAY
DSP及其在继电保护上的应用
易永辉 李瑞生 张克元
(许昌继电器研究所,河南 许昌 461000)
【摘要】 结合微机继电保护的现状及要求,详细介绍了TMS320C32型DSP的技术特点,对DSP用于继电保护进行了分析展望,并提出了具体方案。【关键词】 DSP; 继电保护
1 引言:微机继电保护的硬件现状
微机继电保护产品在电力系统中得到了广泛的
应用,并由于其相对于传统继电保护产品(整流型,集成电路型等)的一系列优点,大大提高了电力系统供电的安全性和可靠性,促进了电力系统自动化的发展。然而,到目前为止,应用于我国电力系统的微机保护产品采用的CPU大多为8位或16位单片机,它存在着如下不足:(1)硬件资源及功能过于简单这些CPU基于八十年代早期的技术和工艺,受结构、时钟和总线的,其指令功能有限,寻址空间小,运算能力弱,微机产品的优势难以充分发挥。在很多功能上(如录波、测距等)只能给人以初步近似的结果;算法、原理的实现上也受一定的。此外,电力系统自动化的进一步发展,要求保护除了完成常规保护功能外,还需要完成正常运行条件下的系统参数测量,包括频率、电压、电流、有功、无功、谐波分量、序分量以及一些辅助的控制功能,正常运行条件下的安全监视等,这些都是基于常规CPU的保护产品难以胜任的。
(2)开发平台不完善
目前的微机保护产品在软件开发上普遍采用汇编语言。然而,由于汇编语言的程序设计中,编程人员要全面规划内存安排、数据调度、资源分配、开入、开出管理等相关条件,与高级语言(如C语言)相比,软件开发难度大,周期长,软件结构随意性很大,随不同编程人员的习惯、思维方式不同,相关条件约束不同差异很大,难以移植,难以交流,难以维护。
仿真器是开发过程上排除软件、硬件错误和缺陷的必要利器,是加快软件、硬件开发速度,提高开发水平的重要保证,好的仿真器应当提供界面友好的汇编级和工具语言级调试程序。此外,在开发平台上应该有完善而优化的子程序库,包括汇编子程
序库和C语言子程序库函数。而且,实时多任务操作系统(RTOS)应尽可能引入,它对于提高软件开发质量,加快开发进度等有着积极的作用。然而,目前所选用的CPU其仿真工具缺乏或陈旧,许多软件的开发是在没有仿真器的条件下完成的,因此额外增加了开发难度和开发周期。库函数的支持也很不足,难以采用RTOS。正是如上所述因素,使得目前的很多保护产品在硬件资源上冗余度低,软件上各不相同,虽然从事开发的人员众多,但不同产品的软、硬件难以通用,难以交流,难以提高。
本文将要介绍的数字信号处理器TMS320C32(以下简称C32)就是一种硬件资源丰富,功能强大,开发环境及相应开发平台先进的微处理芯片,通过与CPLD、FLASH等的配合,主要性能较常规保护产品能有较大提高。
2 C32型DSP的主要功能结构
DSP全称数字信号处理器(DigitalSignalProces2
sor),C32系TI公司最新推出的32位浮点型DSP,它
的基本原理框图如图1所示。
C32的内部总线结构是分开的程序总线(PAD2DR和PDATA),数据总线(DADDR1,DADDR2和DDATA)和DMA总线(DMAADDR和DMADATA),使程序的提取,数据存取和DMA的存取可以并行地进行。这些总线连接所有C32的实在空间(片内,片外MEMORY,外围共16M332)。24位的数据地址总线(DADDR1和DADDR2)和32位数据总线(DDATA),每一机器周期中支持两次数据存储器的存取,DDA2TA总线通过CPU1和CPU2总线运载数据到CPU。CPU1和CPU2总线在每一机器周期里,可运送两个数据存储器到乘法器、ALU和寄存器组。在CPU内部还有寄存器总线REG1和REG2,它们在每一机器周期内,可从寄存器组运送两个数据值到乘法器。
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ABSI及FIX相应的指令,需要多条指令完
图1 C32的原理框图DMA控制寄存器有24位地址总线(DMAADDR)和32位数据总线(DMADATA)所支持。这些总线使DMA能与数据和程序总线并行地执行存储器存取。
C32的多端口寄存器组具有28个寄存器。该
成。对于单片机而言,执行一条乘法指令需
μs。此外,对于需要循环寻址的数据要2-6
窗,单片机的寻址就十分困难,往往需要通过子程序求地址,既复杂,又极易出错。对DSP而言,只需一条指令。
C32具有灵活的外部总线接口,外部存储器宽度可配置为8/16/32位,而且,每一种宽度均可配置成32/16/8位的数据宽度,使用十分方便灵活。
C32具有16M×32的寻址空间,为廉价的大容量存储器的配置,RTOS系统的引入创造了条件。
C32还具有BOOT(即程序加载)功能,将慢速的EPROM的程序加载到高速的内部RAM区,保证DSP在与慢速存储器配合时能以高速运行。
・・・・・・・・・・・・
ABSIr0;r0取绝对值
FIXr1;由浮点数变成定点数
STIr0,3ar0++(IR0)%;循环寻址‖STIr1,3ar3;并行指令MPYIr0,r1;乘法指令・・・・・
周期┃F ┃D
m-3ABSIXm-2FIXABSIm-1STIFIXmMPYISTIm+1--MPYIm+2----m+3
----
寄存器组与CPU紧耦合,所有这些寄存器可被乘法器和ALU操作,并可被用作通用寄存器。然而各个寄存器还具有特殊的功能。例如,8个扩展精度寄存器,特别适合于维持扩展精度的浮点结果。8个辅助寄存器,支持各种间接寻址方式。
一个332的指令高速缓冲存储器用来存储经常重复的码段,从而大大减少必要的片外存取次数。
两个片内单周期双获取的256332的SRAM,32位桶形移位器,32位乘法器及ALU,使得DSP完成一次乘/加只需40ns。
流水线操作和并行I/O、DMA、CPU操作是DSP的两大特点。大家知道,基本指令有四级:取指(F),译码(D),读(R)和执行(E)。图2给出了流水线结构的这四级。C32流水线控制为CPU极高的执行速度创造了条件,使得DSP的单周期指令执行时间达到33.3ns,即60MFLOPS,30MIPS。
C32的指令丰富,效率高。以图2所示程序为例。上述4条指令的执行总共只需4个指令周期,即4333.3ns=133.2ns。如果采用常规单片机(如80C196-20MHz),至少需要μs,二者速度相差上百倍,其中,80C196就无15
┃R ┃E┃
XXXXABSIXFIXABSISTIFIXMPYISTI--MPYI
图2 C32程序流水线结构图
C32支持汇编及ANSIC的混合编程,并提供了
C语言开发工具和C库函数、汇编程序库函数。其仿真器人机界面为基于DOS或WINDOWS的图形菜单窗口界面,调试程序有多种断点和单步服务,调试中随时可查阅各源文件,头文件,库函数等。此外,
图3 C32系统配置示意图
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(6)开发手段先进
有关C32的标准化、系列化的硬件库、软件库十分完
善。还有SPOX实时多任务操作系统,EONIC实时多任务操作系统等均支持C32。
3 DSP型继电保护产品设计方案
为充分发挥DSP数据处理能力强,弥补控制能
力弱的不足,本方案以C32为主CPU,以控制功能强大的CPLD实现开入/开出及控制功能,并配置了集成度高的ADC,SRAM,Flash存储器等,其结构框图如图3所示。它具有如下特点:
(1)数据处理能力强,能促进保护性能的提高
由于常规的CPU数据处理能力有限,以前的许多基于常规CPU的保护面对能提高保护性能但计算量很大的优秀方案,不得不放弃,或采取近似、简化的方法,使许多优秀的性能得不到发扬或打了折扣。DSP强大的数据处理能力能使这些问题迎刃而解。
(2)数据采集采用DMA控制采用C32片内DMA控制数据采集,一方面提高CPU工作效率,另一方面,简化硬件及软件结构,有利于软件的开发及维护。
(3)采用CPLD实现开入/开出/控制功能,灵活,可靠。
(4)硬件资源丰富
FLASH存储器是存储家族中的一个新成员。它兼有EPROM和EEPROM两者的优点的新型非易失大容量存储器件,其显著特点是编程速度快,抗干扰能力强,容量大,而且可以在线编程,对于芯片的固化和擦除操作都是通过命令寄存器来完成的。用来存放程序和定值,安全可靠,读取速度快。SRAM采用高集成度的静态存储器,读取速度快(15ns),容量大。
(5)ADC采用16位自校准的A/D转换器,精度高,性能稳定。
如前所述,C32支持汇编及ANSIC的混合编程,并提供了C语言开发工具和C库函数,并有实时多任务操作系统的支持,其汇编语言与常规的单片机相比,有许多鲜明的特点,一方面指令丰富,效率高(如单周期的乘法指令,循环寻址功能指令等),另一方面,它逐步融合了高级语言的许多优点(如结构的应用,类似于指针变量的辅助寄存器寻址等),在此基础上开发产品,支持软件丰富,开发灵活快捷,可靠性高,对于硬件的调整升级,相应的软件升级和维护十分方便灵活。
此外,本方案还设有两路串行异步通信口、测频回路等,能满足多种保护原理的要求。
4 结束语 电力系统继电保护的不断发展和VLSI技术的
不断进步,表明微机保护不再是单纯地模仿传统保护原理,而是新原理(如自适应保护,小波变换等),高性能和综合型发展。这些都要求有更强有力的CPU支持。国外已有DSP型继电保护产品投放市场,有关DSP用于保护的研究正方兴未艾。DSP以其强大的数据处理能力,先进的开发手段和灵活的总线接口,相信在继电保护领域必可一展身手。
[参考文献]
[1] 彭启琮,李玉柏.DSP技术.电子科技大学出版社,1997.[2] 数字信号处理器风光无限.国际电子商情,1995.12.[3] 焦彦军.超高压输电线路微机保护与控制的综合研究.
天津大学博士研究生毕业论文,1996.2.
收稿日期:1998—12—31
作者简介:易永辉(1969-),男,大学本科,工程师,研究方向为微机继电保护产品开发及软、硬件平台设计; 李瑞生(1966-),男,大学本科,高级工程师,研究方向为高、低压线路保护设计; 张克元(19-),男,大学本科,高工,研究方向为电力系统继电保护及自动化。
DIGITALSIGNALPROCESSORANDITSAPPLICATIONINRELAYPROTECTION
YIYong-hui,LIRui-sheng,ZHANGKe-yuan
(XuchangRelayResearchInstitute,HenanXuchang461000,China)
Abstract Basingonthecurrentstateandrequirementofrelayprotection,thispaperintroducesthetechnicalfeatureofTMS320C32DSP,an2alyzestheapplicationfutureoftheDSPinrelayandpresentstheactualschemes.Keywords DSP; relayprotection
