基于DSP+單片機(jī)的FTU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)基于DSP+單片機(jī)的FTU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者：朱靜杰趙延帥來源：硅谷2013年第16期摘 要 介紹基于DSP TMS320F2812和單片機(jī)C8051F040雙處理器架構(gòu)的FTU設(shè)計(jì)方法，并給出了硬件系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞 DSP；單片機(jī)；FTU；硬件設(shè)計(jì)中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）16-0069-02饋線終端單元（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU）是實(shí)施饋線自動化建設(shè)必不可少的核心設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)饋線開

2、關(guān)狀態(tài)的在線監(jiān)視、饋線數(shù)據(jù)采集與處理、快速故障定位、事故隔離與恢復(fù)供電、網(wǎng)絡(luò)通信等功能，對于提高供電可靠性及配電網(wǎng)自動化水平起著至關(guān)重要的作用。FTU需要采集、處理的數(shù)據(jù)包括電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、諧波分量等，還要與上級主站進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)通信，包括向主站上傳數(shù)據(jù)信息、接收主站發(fā)送的命令等，運(yùn)算量大、算法復(fù)雜且實(shí)時(shí)性要求高。在以傳統(tǒng)單片機(jī)為中央處理器的FTU中，對于大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理往往達(dá)不到實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)占用系統(tǒng)資源較多，影響FTU的整體性能；在以DSP為中央處理器的FTU中，雖然數(shù)據(jù)處理能力有了較大的提高，但是僅僅依靠一片DSP同時(shí)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算、頻繁的網(wǎng)絡(luò)通信以及開關(guān)狀

3、態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測等，處理器負(fù)擔(dān)過重，事件處理周期也會大大延長，影響FTU的實(shí)時(shí)性能。為了能夠同時(shí)充分發(fā)揮DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和單片機(jī)的控制與事務(wù)處理能力，本系統(tǒng)采用基于DSP+單片機(jī)雙處理器的設(shè)計(jì)方法。其中DSP選用TI公司的TMS320F2812，作為從處理器；單片機(jī)選用新華龍公司的C8051F040，作為主處理器。1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)FTU硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示。主要包括以下8個(gè)模塊：1）處理器模塊：包括主處理器C8051F040，從處理器TMS320F2812。2）遙測模塊：主要包括饋線電壓、電流等模擬信號的采集與處理。3）遙信模塊：主要包括開關(guān)位置、通信狀態(tài)、儲能完成情況等開關(guān)量

4、的采集。4）遙控模塊：主要包括控制開關(guān)合閘和跳閘，以及啟動儲能過程等。5）通信模塊：實(shí)現(xiàn)FTU和上級主站的雙向通信。6）電源模塊：無論在正常還是事故狀態(tài)下，均保證對FTU可靠供電。7）存儲器模塊：用于保存正常狀態(tài)及事故發(fā)生前后的饋線數(shù)據(jù)。8）人機(jī)接口模塊：主要包括鍵盤輸入和液晶顯示。1.1 處理器模塊間的通信設(shè)計(jì)TMS320F2812數(shù)字信號處理器是32位定點(diǎn)DSP控制器，采用哈弗結(jié)構(gòu)，配有專用的硬件乘法-累加器，采用多總線、流水線結(jié)構(gòu)，支持并行指令操作，頻率高達(dá)150MHz，6.6ns的指令周期，每秒可以執(zhí)行150M條指令。C8051F040是一款高集成度的單片機(jī)，高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051

5、兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS），具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/ I2C和兩個(gè)UART串行接口，片內(nèi)還集成了一個(gè)CAN2.0B控制器。SPI（Serial Parallel Interface）總線是摩托羅拉公司提出的一種同步串行外設(shè)接口協(xié)議總線，本系統(tǒng)利用它實(shí)現(xiàn)了DSP和單片機(jī)之間的通信，其通信電路如圖2所示。SPI通過一根時(shí)鐘引線將DSP和單片機(jī)同步，可以直接將等待傳送的信息寫入DSP的SPI發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，這時(shí)DSP的發(fā)送過程自動啟動，信息接收完畢后自動存入單片機(jī)的SPI接收數(shù)據(jù)寄存器。因此只需對SPI的數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行讀寫操作就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，相比雙

6、口RAM通信方式，它有標(biāo)準(zhǔn)的傳輸協(xié)議，而且方法簡單、速度快，能夠同時(shí)收發(fā)，有效避免了爭用RAM的現(xiàn)象。1.2 遙測模塊設(shè)計(jì)從線路PT、CT獲取的100 V、5 A交流信號是不能直接輸入DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的。一般情況下，必須經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)一步電量變送、低通濾波、采樣保持，以滿足AD轉(zhuǎn)換的需要。而TMS320F2812內(nèi)置了采樣保持電路，并集成了一個(gè)增強(qiáng)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有16個(gè)輸入通道，12位轉(zhuǎn)換精度，25 MHz ADC時(shí)鐘，完全可以滿足本系統(tǒng)對采樣精度及轉(zhuǎn)換速度的要求，因此只需考慮電量變送和低通濾波環(huán)節(jié)，大大簡化了電路設(shè)計(jì)。1.3 遙信和遙控模塊設(shè)計(jì)遙信模塊較遙測模塊簡單的多，主

7、要采集饋線上的開關(guān)量，包括開關(guān)位置信號、工作電源的失電信號、彈簧儲能信號等。開關(guān)量的采集容易受到電磁干擾或機(jī)械振動的影響而產(chǎn)生虛假變位現(xiàn)象，因此需要采取措施防止遙信誤報(bào)。在硬件上一般增加低通濾波回路和光電隔離環(huán)節(jié)、在軟件上一般采用變位記錄并延時(shí)確認(rèn)的方式來有效解決這一問題。開關(guān)量采集電路如圖3所示。遙控模塊的開關(guān)量輸出信號首先鎖存到數(shù)據(jù)緩沖器，再經(jīng)過光電隔離驅(qū)動繼電器，由繼電器控制饋線開關(guān)的開/合。為了進(jìn)一步提高可靠性，可以在繼電器輔助觸點(diǎn)處增加一個(gè)開關(guān)量反饋輸入，以反映繼電器的實(shí)際動作情況。開關(guān)量輸出電路如圖4所示。1.4 通信模塊設(shè)計(jì)C8051F040內(nèi)部集成了一個(gè)高性能CAN模塊，數(shù)據(jù)傳

8、輸速率高達(dá)1M位/秒，并且通信協(xié)議的處理由CAN控制器獨(dú)立完成，不需C8051內(nèi)核干預(yù)，節(jié)省系統(tǒng)資源。只需在單片機(jī)和CAN總線之間加上CAN驅(qū)動芯片82C250即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信接口電路的設(shè)計(jì)，如圖5所示。設(shè)計(jì)中采用了6N137光電耦合器，在提高了電路抗干擾能力的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了3.3 V和5 V的電平轉(zhuǎn)換。1.5 電源模塊設(shè)計(jì)FTU的電源模塊包括主電源和后備電源。當(dāng)線路正常工作時(shí)，F(xiàn)TU由主電源供電，主電源取自線路互感器二次側(cè)交流100V，通過整流轉(zhuǎn)換為直流24 V。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)TU的工作電源迅速切換到后備電源，后備電源由充電器和24 V蓄電池組成，在線路正常供電時(shí)由主電源對其充電。24

9、V直流電壓經(jīng)過以PKG2611芯片為核心的直流斬波電路進(jìn)一步降為5 V，本模塊還采用了TPS767D318芯片，可以將5 V電壓再轉(zhuǎn)換為3.3 V和1.8 V，以滿足系統(tǒng)內(nèi)各芯片多樣化的電源需求。1.6 存儲器和人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì)雖然C8051F040已經(jīng)具有了64 kB的FLASH存儲空間，但考慮到系統(tǒng)要求對正常情況下長達(dá)90天的整點(diǎn)數(shù)據(jù)以及事故發(fā)生前后的饋線數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行情況的記錄與事故分析，因此還需要拓展更大的數(shù)據(jù)存儲器空間。本系統(tǒng)采用了串行FLASH存儲器AT45D021，存儲容量高達(dá)256K字節(jié)，可由5 V電壓供電，使用方便。人機(jī)接口模塊主要包括鍵盤輸入和液晶顯示兩部分。鍵盤輸入接口選用8279接口芯片，可自動消除抖動，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的就地設(shè)置；液晶顯示選用點(diǎn)陣式FM12864J顯示器，它體積小、重量輕、低功耗、功能豐富，配合鍵盤輸入可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的就地顯示與查看。2 結(jié)束語FTU的性能在很大程度上影響了饋線自動化建設(shè)的水平。本文以DSP和單片機(jī)雙處理器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)