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[摘 要]得益于数字信号处理技术的快速发展.DSP技术和芯片在电力系统中也不断得到应用.尤其是微机测控保护方面.也已有较为成熟的DSP保护平台出现。并成功地运用于实际中。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。
[关键词]数字信号处理器；保护装置；研究
中图分类号：S773 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0205-01
1、前言
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。
2、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32Kbit；芯片内还有64个字（32bit构成1个字）的指令缓存区。其存储空间为16M×32bit。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。
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。
2.1 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32bit，则可采用PCI总线；如是16bit宽度，则可采用ISA总线。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16bit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。
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。
2.2 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、并行輸出口，也可作为状态输出口。
2.3 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。
3、整体设计
基于C30的保护整体设计如图3所示。主CPUx86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。
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。
4、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。
参考文献
[1] 翟永昌，黄强，李永丽，等.基于DSP和单片机双CPU结构的微机电动机保护[J].电力自动化设备，2003，23（5）：46-48.
[2] 苏奎峰，吕强，耿庆峰.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005.
[关键词]数字信号处理器；保护装置；研究
中图分类号：S773 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0205-01
1、前言
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。
2、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32Kbit；芯片内还有64个字（32bit构成1个字）的指令缓存区。其存储空间为16M×32bit。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。
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。
2.1 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32bit，则可采用PCI总线；如是16bit宽度，则可采用ISA总线。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16bit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。
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。
2.2 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、并行輸出口，也可作为状态输出口。
2.3 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。
3、整体设计
基于C30的保护整体设计如图3所示。主CPUx86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。
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。
4、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。
参考文献
[1] 翟永昌，黄强，李永丽，等.基于DSP和单片机双CPU结构的微机电动机保护[J].电力自动化设备，2003，23（5）：46-48.
[2] 苏奎峰，吕强，耿庆峰.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005.