（通信与信息系统专业论文）基于dsp的电力电量参数测量系统的研究和开发.pdf

摘 要 日 前， 人们对电力系统的实时性、 运算精度和大数据量运算等要求不断提高， 普通 单片机系统在很多场合己不能很好地满足要求。 d s p系统由十具有运算速度快、精度 高等优点，正逐渐取代单片机系统，成为一大技术热点。本文首先介绍了d s p的发展 和应用， 接着讲述 d s p 芯片区别于普通微处理器的一些特征，具体介绍d s p芯片的结 构、典型d s p系统的构成及其软硬件设计方法等。针对电力系统设备的特点，综合考 虑各种因素， 作者采用t i 公司的t ms 3 2 0 f 2 0 6 d s p 为核心处理器，设 计开发了一个基 于 d s p的电力电量参数测量系统。该系统同时具备高质量的只相il ll 波信号源和电参最 测最功能。系统中含有高达2 1 次谐波成份的三相信号由软件产生;基波和各次谐波的 相位单独可调，调节精度为 0 . 1 度，各次谐波含量0 一 9 9 %可调:各路输出信号 幅度在 0 - - 2 、 内单独可调，调节精度o a m v ;输出信号 频率在4 0 一 7 0 h , 可调:可单独作为浩 波信号源或测量系统。 单独作为测量系统时能实时测量信号 的幅度、 有效值、 相位等电 量参数，具有较强的实用性。 关键词d s p ，谐波，测量，电参量 ab s t r a c t p r e s e n t l y , t h e r e q u ir e m e n t t o e l e c t r ic s y s t e m o f i t s r e a l - t i m e p r o c e s s i n g , p r e c is i o n a n d l a r g e a m o u n t s o f d a t a i s h i g h e r t h a n b e f o r e . s c m s y s t e m s c a n t m e e t t h e d e m a n d w e l l i n m o r e a n d m o r e s i t u a t io n s w h i l e d s p s y s t e m h a s t h e f e a t u r e s o f h ig h s p e e d a n d p r e c is i o n e t c , s o i t w i l l r e p l a c e t h e s c m s y s t e m s i n t h e f u t u r e i n m a n y f i e l d s . i n t h i s p a p e r , t h e d e v e l 叩m e n t a n d a p p l ic a t i o n o f d s p c h i p i s i n t r o d u c e d fi r s t , t h e n y o u c a n le a r n t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n d s p c h ip a n d n o r m a l m ic r o - p r o c e s s o r s . t h e d s p s s t r u c t u r e , t h e c o m p o n e n t s o f ty p ic a l d s p s y s t e m a n d d s p f ir m w a r e d e s i g n w e r e i n t r o d u c e d i n d e t a il . t h e s y s t e m a i m i n g a t p a r a m e t e r m e a s u r e m e n t o f e le c t r i c p o w e r 基于 d s p的电力电m参数n ff f 系统的研究和月发 ( 2 ) 在通用计算机系统中加土专用的加速处理机实现; ( 3 ) 用通用的ift 片机 ( 如mc s - 5 1 . 9 6 系列等) 实现，这种方 法可川j 一 些不太 复杂的数字信号 处理，如数字控制等: ( 4 )用通用的可编程d s p 芯片实现。与 单片机相比， d s p 芯片l t j 7 i 加适合数字 信号处理的软件和硬件资源，可川于变杂的数字信号处i ll,.算法; ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要 求的信号 处理速度极高，川 通用d s p芯片很难实现， 例如专用于f f t .数j 代 滤波、卷积、 相关 等算沮的 d s p 芯片，这种芯片将相应的信t处理算法在芯片内部) 1j 硬件实现，无描编 程。 在上述几种方法中，第 i 种方法缺点是速度慢. 一 般可 川 p d s p 算法的模拟:第 2 种和第5 种方法专用性强， 应用受到很大限制， 第2 种方法也不便1 . 系统的独立运行: 第3 利 ，方法只适用于实现简单的d s p 算法;只有第4 种方法才使数 笋 信号 处f it!. 的应) 1j 打开了新的局而。 1 . 2 d s p的发展 世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 t a m i 公d 发4的s 2 8 1 ，1 9 7 9 年美i ili i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的 个主要， ， 程碑。 这两种芯片内部 都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年n e c公司a 1 1 , i i1 p p d 7 7 2 0是 第一个具有乘法器的商用d s p 芯片1 3 1 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美iti 德州仪器公. rj ( t e x a s i n s t r u m e n t s )的系 列产.钻。t i公司在 1 9 8 2年成功推出其第一 代 d s p芯片 t m s 3 2 0 1 0及j 鱿 系列产品 t m s 3 2 0 1 1 、t ms 3 2 0 c i 0 / c 1 4 / c i 5 1 c i 6 / c 1 7等，之后相继打 i: t 1 了第 _ 代 d s p芯) t ms 3 2 0 2 0 , t ms 3 2 0 c 2 5 / c 2 6 / c 2 8 ,第三代d s p 芯) ; t ms 3 2 0 c 3 0 / c 3 1 ，第四代d s p 芯 片t ms 3 2 0 c 4 0 / c 4 4 ,第五代d s p 芯片t ms 3 2 0 c 5 x / c 5 4 x ,第 一 代d s p 芯) 一 的改进3t1 t ms 3 2 0 c 2 x x , 集多) i d s p芯片于一体的高n能 d s p芯) 一 t ms 3 2 0 c 8 x以及】 i i i ii 速度 最快的第六代 d s p芯片 t ms 3 2 0 c 6 2 x / c 6 7 x 等。t i常i i j 的 d s p有砚人系列: t ms 3 2 0 c 2 0 0 0 系 列 ( 包 括 t ms 3 2 0 c 2 x i c 2 x x ) , t ms 3 2 0 c 5 0 0 0 系列 ( 包 括 t m s 3 2 0 c 5 x / c 5 4 x / c 5 5 x) , t ms 3 2 0 c 6 0 0 0系列 ( 包括 t m s 3 2 0 c 6 2 x / c 6 7 x ) . 4 1 1 今， t i 公司的一系列d s p 产品已经成为当今世界上 最有影响力的d s p 芯片. t i 公司也成为 i it - 界土最大的d s p 芯片供应商，其市场份额占 个世界份领近5 0 1% 0 第一个采用 c mo s工艺生产浮点 d s p芯片的是 h i t a c h i 公司，而第 t 个高性能浮 点d s p 芯片应是a t 傅2 个数字蜂窝 电话中有一个使用t i 公司的d s p芯片; 侮 1 0 个高性能硬盘驱动器， 有9 个用 t i 公司 的d s p ; 每3 个高速调制解调器有一个采用t i 的d s p 技术。 d s p 是促使计算机、 消费 类产品和通信产品 ( 3 0 融合在一起的赫合剂6 3 0 1 d s p 的主要应用有: ( i ) 信号处理: 如数字滤波、n 适应滤波、 快速傅立叶变换 ( f f t ) , 相关 运算、 谱分析、卷积、模式匹配、波形产生等; ( 2 ) 通信:如调制解调器、自 适应均衡、 复用、 传真、 扩频通信、 纠错编码、 数据加密、数据压缩、回波抵消、多路 可视电话、 个人数字助理 ( p d a ) , 基l i i , 信道复用、个人通信系统 ( p c s ) , a d p c m ( 3 ) 语音:如语音编码、语音合成、语音识别、 件、语音存储等: 码变换器 语音增强、 x.2 5 分组交换等 说话人辨识、语音邮 基r - d s r 的 i t 力电墩参数测斌系 统的w f 究和1 1 发 ( 4 ) 图 形 / 图 像:如二维和三维图 形处理、ic i 像 1 i 缩l j q !; 输、图像 增强、 动111 11 、 机 器人视觉等; ( s ) 军事:如保密通信、雷达信号处现、声纳处理、 r 航、v 弹制v = .射频i)u1 ilill 解调器等; ( 6 ) 仪器仪表:如频a分析、函数发生、锁相环、 地成处理等: ( 7 )自 动控制:如引擎控制、声控、自 动,. 驶、 机器人 控制、 磁i,/k 控制等; ( 8 )医疗:如助听、超声设备、诊断工且、病人监护等; ( 9 )家用电器:如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩只i j 游戏、数字电话 / 电 视、v c d / d v d / c d播放机等。 随着d s p 芯片性价比的不断提高，可以预见将会在史多的领域内得到更为广泛的 应用。 1 . 4课题研究意义 d s p在诸多领域取得 t 广泛in 深入i 11 1 i i i l t f 在电力系统， . 的应t i l 相对较免 然l i lt 却有着广泛的应用前景。 随着电力系统的快速发展， 电力网容! ii 不i训稗 人， 结构日 趋复 杂，电力系统中实时监控、调度的自 动化就显得十分!t : 要，i(il 儿乎 所有的监测、分析、 控制、信号 传送都需要先将电力系统中的大电流、电坏等交流信号 ，经过a / d转换变 成微机可接收和处理的数字信号， 有些需要输出川以 控制的话。 还要将数字信号 进行 d / a处理。而这正是d s p的优势所在。 由于电力系统只有数据采集路数多、瞬变的多输人4 翩1 1 等特点。为保证j 女个运 行. 需要实时的监控各节点的运行状况， 及时发现电力系统的小! 卜 常状态及故障状态通 知运行人员， 或快速的进布 j 几 控制和处理， 这就要求在务个 丁 点都有数据采集单 儿， 将测 得的参数转变为数字量， 进行分析和控制， 就地快速解决问题。 电力系统对数据处理的 实时性要求很l + 1 而k 1 数据量较大， 包括频率、电压、电流、 功率、vi l 波分该等，普 通的 微处理器不能适应要求.而 d s p正) i f 以发挥其快速5 j i 人的运钟和处j ! i! 能力，满足了电 力系统监控的实时性和处i t ! 算法的父杂r 等要求。 本论文基二1 几 d s p 的电力e七 最参数测墩系统的ii) ( 究i ll ) 一 发，1 l 足从d s p 6 : i 匕 力系 统中的应用这个角度出发， 设计开发了适1 11 于电力系统设务测试的测试系统。 该系统能 按照川户要求产生含2 1 次谐波的高质星二相信写，信，! ii1 ih i i x .相位、1传 波成份、4 00 1 率等可以任意调整， 作为测量系统使月 时， n 实时测! f l. li7 号 的幅反、 相位、 功率等参t) ! o d s p在电力系统中还远没有像它在通信领域那样祝到) 泛允分的应) ! ，但是这史 给我们提供了机遇，紧跟d s p 技术的新发展， 将最新的技术融入电力系统理沦 和实际 应用中，进步拓宽d s p 的应川范围。 第章绪 论 15论文结构 第 一 章绪论 本章首先讨论数字信号与模拟信号 相比的优势所e l. ,于 出 进f 1 数丫信廿 处理的总 义。接着讲述数字信弓 处理的实现方法和d s p 的应川领域，址后从电力系统本牙 的特 点出发说明本课题的研究意义。 第二章 d s p系统设计 本章主要讲述d s p 应用系统设计过程中硬件的设计与 调试以及软件4 研i 力 i (d 应该 注意的 些问题。 第三章丛于d s p 的电力电量参数测量系统的整体方案设计 本章主要讲述了电力电量参数测量系统的功能及上作流程， 少 f几 对软f i 开发方法的选 择作了简明扼要的介绍。 第四章基十d s p的电力电量参数测量系统的软硬件设计 。 实 现 本章详细讲述系统的软硬件设计过程与具体实现， 对系 统设i ! 过程中出现的问 题亦 作简要介绍。 第五章结束语 本章对所作的设计工作作一小结，也对系统的改进提出止 匕 建议。 羞于d s p 的电力电且参数测量系统的研究和开发 第二章 d s p 系统设计 2 . 1 d s p 芯片 1 )什么是d s p 芯片 d s p芯片，也称数字信号处理器，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处理算法。 根据数字信号处理的要 求，d s p 芯片一般具有如下主要特点: ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法; ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问 指令和数据: ( 3 ) 片内 具有快速r a m，可 通过独立的数据总线在两块中同时访问: ( 4 ) 具有低开销或无开 销循环及跳转的硬件支持: ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i / o支持; ( 6 ) 具有在单周期内 操作的 多个硬件地址产生器: ( 7 ) 可以并行执行多个操作: ( 8 ) 支持流水线操作， 使取指、 译码和执行等操作可以 重叠进行。 当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其它通用功能相对较弱些。 可编程d s p 芯片是一种应用非常广泛的微处理器a t i 公司的d s p 芯片占世界d s p 芯片市场近5 0 %， 在国内被广泛采用， 本系统也不例外， 因此本章以t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 为例，简要介绍d s p 芯片和d s p 系统的一些知识。 2 ) d s p 芯片的基本结构 为了 适应快速数字信号处理运算的要求， d s p芯片普遍采用了特殊的硬件和软件 结构，以 提高其数字信号处理的运算速度，并且多数 d s p运算操作可在一个指令周期 内 完 成 。 d s p 芯 片 的 结 构 特 征 主 要 有 3 17 f8 , 哈佛( h a r v a r d ) 结构及改进的哈佛结构 哈佛结构 ( 图2 . 1 )是不同于传统的冯 诺依曼 ( v o n n e u m a n )结构 ( 图2 .2 )的 并行体系结构， 其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中. 即程序存储器和 数据存储器是两个相互独立的存储器， 每个存储器独立编址独立访问。 与两个存储器相 对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一 倍。 而冯 诺依曼结构则是将指令、 数据、 地址存储在同一存储器中， 统一编址， 依靠 指令计数器提供的地址来区分是指令、 数据还是地址。 取指令和取数据都访问同一存储 第二章d s p系统设计 器，数据吞吐率低。 在哈佛结构中， 由于程序和数据存储器在两个分开的存储空间中， 因此取指和执行 能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，t ms 3 2 0系列 d s p芯片在基本 哈佛结构的基础上作了改进，改进的方案有三种: 第一种方案是允许数据存放在程序存储器中，并可以 被算术指令直接使用。 第二种方案是将指令存储在高 速缓存( c a c h e ) 中. 第三种方案是存储器块的改进结构， 允许在一个存储周期内同时读取指令和两个操 作数.具有更高的访问能力。 本系统采用的f 2 0 6 即属于第一种改进结构:t ms 3 2 0 c 3 0 采用了第二种改进结构; d s p 5 6 0 0 1 和 d s p 9 6 0 0 1 采用了第三种改进结构。 执行 译码 取指 执 行 译 码 执 行 指 取 图2 . 1哈佛结构指令流的定时关系 执 行 言告侣 1 取指 译码 1 执行 孟 1 执 行 码 译 指 取 码 译 指 取 时 钟 指 令 ! n - 2 指 令 n - 1 指 令 n 图2 .2 冯 . 诺依曼结构指令流的定时关系 专用的硬件乘法器 在通用的微处理器中， 乘法是由 软件实现的。 它实际上是由时钟控制的一连串的 “ 移 位- 加法” 操作，乘法需要多个指令周期来完成。而在数字信号处理过程中，乘法和加 法是最重要的运算。因此， 提高乘法的运算速度也就是提高d s p芯片的运算性能。在 d s p芯片中，有专用的硬件乘法器， 使得一次甚至两次乘法运算可以在一个单指令周 期内完成，从而提高d s p的运算速度. 基于d s p的电力电量参数测最系统的研究和开发 指令系统的流水线操作 在流水线操作中， 一个任务被分解为若干个子任务。 这样， 它们可以在执行时相互 重叠。d s p处理指令系统的流水线操作是与其哈佛结构相配合的， 增加了处理器的处 理能力。 把指令周期减小到最小值，同时也就增加了 信号处理器的吞吐量。f 2 0 6采用 四级流水线操作，如图2 .3 所示。在t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 中流水线深度已达8 级，意味着器 件可以同时运行 8 条指令。 时 钟 执 行 n n - 1 n - 2 n - 3 n + 1 n n - 1 n - 2 n + 2 n + 1 n n -1 n + 3 n + 2 n + 1 n 图2 .3 四级流水线操作 片内外两级存储结构 随着微电子技术的提高以 及对d s p芯片处理能力的要求不断增加，单靠片内存储 器已 难以 满足要求。多数d s p芯片开始有片外存储器的访问能力，如t m s 3 2 0 c 3 x的 寻址范围达到1 6 m x 3 2 位。 在片内外两级存储结构中， 片内 存储器虽然不能具有很大的容量， 但速度快， 可以 多个存储器块并行访问。 片外存储器的容量大， 但速度慢。 结合它们各自 的优势。 在实 际应用中， 一般将正在运行的指令和常用的数据存放在片内存储器中， 暂时不用的程序 和数据存放在片外存储器中。 特殊的d s p 指令 d s p 芯片的另一个特征是采用特殊的d s p 指令。 不同系列的d s p 芯片都具有一些 特殊的d s p 指令，以充分发挥d s p 算法及各系列特殊的功能。 快速指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、 特殊的d s p指令再加上集成电路的 优化设计。 可使d s p 芯片的指令周期在2 0 0 n ， 以下。 t ms 3 2 0 系列处理器的指令周期已 经从第一代的2 0 0 n s 降低至c 6 0 0 0 的5 n s 。 快速的指令周期使得d s p 芯片能够实时实现 许多应用。 第二 章ds: 系 统设 计 硬件配3功能强 新一代d s p 的接口 功能愈来愈强， 片内具有串 行口、 主机接口( h p i ) . d m a控制 器、 软件控制的等待状态产生器、 锁相环时钟产生器以 及实现在片仿真符合i e e e 1 1 4 9 . 1 标准的测试仿真口，更易于完成系统设计。许多d s p芯片都可以工作在省电方式，使 系统功耗降低。 正是由 于上面所述的d s p 芯片改 进的哈佛结 构、 流水线结构、 专用的硬件乘法器、 片内 外两级存储结构、 专门为数字信号处理而设计的指令系统、 快速的指令周期和良 好 的多d s p 并行运行特性，使d s p 芯片非常适合于实时的 数字信号处理。也正是这种优 越性，使d s p 成为连接数字世界的关键所在。 3 ) d s p 芯片的分类 ( l )定点与浮点d s p 芯片 这是按照d s p 处理器工作的数据格式来分类的。 数据以定点格式工作的d s p 芯片 称为定点d s p 芯片。定点d s p 芯片结构相比之下较简单、乘法一 累加 ( ma c ) 运算速 度快，但运算精度低，动态范围小，这是其字长有限造成的。本系统所用的f 2 0 6 即是 定点芯片。 数据以浮点格式工作的d s p 芯片称为浮点d s p 芯片。 浮点d s p 处理器动态范围大， 运算精度高，在对性能要求高的实时信号处理中有着广泛的应用。 定点d s p 芯片和浮点d s p 芯片都有广泛的市场。 定点d s p 芯片虽然有精度低的缺 点，却在市场中有其价格低的优势:浮点d s p芯片在高性能实时处理系统中有着广泛 的应用。 ( 2 ) 静态d s p 芯片和一致性d s p 芯片 这是根据d s p芯片的工作时 钟和指令类型来分类的。 如果在某时钟频率范围内的 任何时钟频率上，d s p芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降， 这类d s p 芯片一般称为静态d s p 芯片。 如:t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 x x系列芯片属于这 一类。 如果有两种或两种以上的d s p芯片，它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构 相互兼容，则这类d s p 芯片称为一致性d s p 芯片。如:t i 公司的t ms 3 2 0 c 5 4 x就属 于这一类。 ( 3 )通用d s p 芯片和专用d s p 芯片 这是按照d s p 的用途来分类。 通用型d s p 芯片适合普通的d s p 应用，如t i 公司 的一系列d s p 芯片属于通用型d s p 芯片。专用d s p 芯片是为特定的d s p 运算而设计 的， 更适合特殊的d s p 运算， 如数字滤波、 卷积和f f t ， 如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 就 属 于 专 用 型 d s p 芯 片 ts ts 1 荃于o s p 的电力电量参数侧童系统的研究和开发 2 . 2 d s p 系统构成 i )典型o s p 系统的构成 图2 , 4 给出了 一 个典 型的d s p 系 统 3 35 i 图2 . 4 的输入信号可以是电 信号、 声音信号、 物理信号、 化学信号、 模拟信号、 数 字信号、 强信号、 弱信号。 在前向通道中， 首先通过传感器将各种信号转化为一定幅值 的电信号， 再将这些信号进行带限滤波和抽样， 然后通过a i d 或v i f 变换将信号变换成 数字比 特流。 根据取样定理， 为保证信息的不丢失， 采样频率至少必须是输入带限信号 最高频率的2 倍。更详细的前向通道可以用周2 . 5 表示。 d s p 芯片系统可能由一个d s p 及外围总线组成， 也可能由多个d s p 组成， 这完全 取决于d s p 处理的要求。 d s p 芯片系 统的主要任务是将前向 通道输出的信号按照一定 的算法进行处理， 然后将处理的结果以数据流的形式输出给后向通道。 后向通道主要由 d 从、f / v , 平滑池波器及功率放大等部分组成，如图2 . 6 所示。 此外，大多数系统还有通信 ( 串行 通信、并行通信) 、人机接口 等部分。系统还可 能通过c o m p a c t p c i , p c i , i s a , v x i 等总线插在计 算机上工作，甚至可以通过现场总 线将整个系统作为整个现场系统中的一个节点。 整个系统的协调运行主要依靠正确的逻 辑控制电路设计。 必须指出，上面给出的d s p系统模型是一个相对完备的系统模型，并不是所有的 d s p 系统都必须具有模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端井不是连续的波形， 而是识别结果， 如数字、 文字等: 有些 输入 信号 本身 就是 数字 信号( 如c d -. c o m p a c t d i s k ) , 因此根本不必有前向通道环节. 第二章d ,s p 系统设 计 图2 . 4d s p 典型系统 d s p a/d或v/f 抽样 值化抗叠波 幅变及混滤 传感器 一日目日 理号 物信 图2 卜 5前向通道示意图 d / a 或 f / v 信 号 转 换 平刻1 1-5- 11 滤波 州 !d c 少 卜 州 输 出 臼 吸i i 习i i a ir 变 换 图 2 . 6 后向 通道示意图 2 ) d s p 系统的特点 数字信号处理系统是以 数字信号处理为基础，因而具有数字处理的全部优点: ( u ) 接口 方便o d s p 系统与其它以 现代数字技术为 基础的系统或设备都是相互兼容 的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统接口 容易得多; ( 2 ) 稳定性好。 d s p 系统以数字处理为基础， 系统中只有“ 1 , 11 0 ” 两个电 平， 受 环境温度以及噪声的影响较小， 不像模拟系统的参数都有一定的温度系数， 易 受温度影响， 电磁振动等外界环境也会干扰模拟系统， 导致精度下降甚至系统 不能正常工作: 爹于d s p 的电力电且参数侧盘系统的研究和开发 ( 3 ) 精 度 高 。 模 拟 网 络 中 的 元 件 精 度 很 难 达 到 1 0 ， 以 上 ， 因 此 模 拟 系 统 要 达 到 1 0 - , 以 上 的 精 度 非 常 困 难 。 而1 6 位 数 字 系 统 即 可 达 到 1 0 - s 精 度 ; ( 4 )可重复性好。 模拟系统的性能受元器件参数性能变化影响较大， 而数字系统基 本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产; ( 5 )集成度高。在一些对于体积要求较高的场合 ( 如笔记本电脑、航空航天) .高 集成度的数字电路将不可缺少。 由于数字部件具有高度规范性， 便于大规模集 成和生产，产品的成品率高; ( 6 ) 编程方便。 d s p 系统中的d s p 芯片以 及f p g a , c p l d等都是可编程的， 设计 人员在开发过程中只要对对软件进行修改就可完成不同的功能， 并且可以灵活 方便地对软件进行升级。 不像模拟系统， 不同的功能必须重新设计， 这些优点 大大缩短了d s p 系统的开发周期; ( 7 ) 保 密 性 好。 保 密 性是 高 科 技 产品 的 一 个 重 要要 求。 d s p 系 统中d s p , f p g a c p l d等器件在保密性上具有优越的性能， 使其与模拟系统相比具有高度保密 性; ( 8 ) 时分复用。所谓 “ 时分复用”即使用一套d s p 系统分时处理几个通道的信号。 主要用于信号的采样频率与 d s p系统的运算速度比 起来相对较低或者实时性 要求不高的场合，这样可以节省成本。 当然， 数字信号处理也存在一定的缺点。 例如， 对简单的信号处理任务， 如与模拟 交换线的接口，若采用d s p则使成本增加。d s p系统中的高速时钟可能有高频千扰的 问题，而且d s p 系统功耗较大，开发和调试工具不太完善。 虽然 d s p系统存在一些缺点， 但其突出的优点使之在通信、语音、图像、雷达、 工业控制、仪器仪表等领域得到越来越广泛的应用。 2 . 3 d s p 系统设计 总的来说， d s p 系统设计还没有非常好的正规设计方法。 图2 . 7 所示是d s p 系统 设计的一般过程 1 2 1 第二章d s p 系统设计 根据需求写出任务说明书 根据任务说明书确定技术指标 确定d s p 芯片及外围芯片 总体设计确定软硬件分工 软件设计说明书硬件设计说明书 软件编程与调试硬件 ( . s c h / . p c h ) 系统集成硬件调试 系统测试、样机完成、产评测试与生产 图2 . 7 d s p 系统设计过程 在设计d s p 系统之前， 首先必须根据应用系统的目 标确定系统的性能指标、 信号 处理的要求， 通常可用数据流程图、 数学运算序列或自 然语言来描述。 根据系统要求选 择合适的d s p 芯片. 接着采用高级语言或m a t l a b 对算法进行仿真， 确定最佳算法， 确 定系统中哪些功能用软件实现，哪些功能用硬件实现。 在完成第二步之后就可以设计实时d s p系统。 设计d s p 芯片的外围电路和其它电 路，软件设计主要根据系统要求和所选择的d s p芯片编写相应的程序， 如果系统对实 时性要求不是很高运算t不是很大， 且有高级语言编译器支持， 也可以用高级语言 ( 如 c语言) 编程。 但现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编写的 汇编程序的效率， 因此在实际系统中常采用汇编语言和高级语言混合编程的方法， 这样既可以缩短开发周 期，提高程序的可读性和可移植性，又能满足实时系统的要求. d s p软硬件设计完成以后，就需要进行软硬件的调试。软件调试一般借助于 d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p开发系统或仿真器等。硬件一般采用硬件仿真器结合 万用表、 示波器、 逻辑分析仪等进行调试， 如果没有合适的硬件仿真器， 且系统不是很 复杂，也可以借助一般的工具进行调试。 软硬件分别调试完成以后. 要进行系统的整体联调， 将程序脱离开发系统直接在应 用 系 统 中 运 行 ， 解 决 相 应 的 问 题 3 5 9 1 2 . 3 . 1 硬件设计 本系统中 硬件采用 p ro t e 9 9 s e设计， p r o t e 1 9 9 s e是一种基于wi n d o w s 系统的具有 高度集成性和扩展性的计算机辅助设计软件.其主要功能包括:原理图 ( s c h )设计、 荃子d s p 的电力电 最参数测里 系统的研究和开发 印制电路板 ( p c b )设计、可编程逻辑器件 ( p l d )设计以及电路仿真 ( s i m u l a t i o n ) 等 10 1 1 )原理图设计 s c h e m a t i c 9 9 s e 模块是一个功能完备的电 路原理图 编辑器， 可以 实现各种复合分层 次式电路图。 根据所设计电路图决定图纸的大小， 从元件库中取出相应的器件， 将其布 置好以后对所有元器件自 动编号并加载相应的封装， 然后用导线或端口将器件连结起来 组成完整的电路图。其设计流程如图2 . 8 所示。 2 ) 电路板设计 参数化设计是e d a发展的潮流. p c b 9 9 s e中的设计规则由设计参数全面控制。 在 电 路 板制 作之前， 用i n te g r i ty 9 9 s e 进行 信号 完整 性分 析是非常 重要的。 它可以 对电 路中 的传输延迟、 网络阻抗、 信号反射和串 扰等问题进行分析。 当仿真分析和信号完整性分 析 的 结 果 达 到 预 期目 的 ， 即 可 进 行 电 路 板 设 计 d 1e l 电路板设计流程如图2 . 9 所示。 设置电 路图纸大小 电路元器件的录入 加载元器件封装 自 动元件编号 导线连接 电 器规则检查( e r c 输出 规划电路板 设置设计规划参数 装入网络表与封装 自 动布局、手工调整 自 动布线、手工调整 整体手工调整 输出 图2 . 8 原理图设计流程图2 . 9电路板设计流程 在设计高 速印 刷电 路板时 ，应注意以 下 几点臼 1 : ( i ) 在装入网络表文件之前应先将所需的器件封装库添加到当前的活动库; ( 2 ) 由 于高 速电 路集 成度高， 布线 密 度大， 可以 考虑使 用多 层板; ( 3 ) 减少高 频信号对 外的 发 射和 相互间 的祸 合， 最 好避免导 线直 接穿 过高速电 路器 件，管脚间的引线弯折越少越好: 第二章d s p 系统设计 ( 4 ) 采取最短的距离进行自 动布线; ( 5 ) 对 有特殊要求的 高 速网 络以 及一些电 流 较大的 线 路可以 加大 其 布线宽 度， 电 源 线和地线宽度至少为普通信号线宽的3 倍以上: ( 6 ) 尽量避免平行布线，因为近距离 平行布线在高频电路中 会产生“ 交叉干扰” ， 解决办法可以在其反面布置大面积 “ 地”以减少干扰; ( 7 ) 在手工调 整元器件布局时， 注意将芯片与 相应的去祸电 容调整到合适的 位置， 以 减少高频干扰。 一般去祸电 容为。 . 1 p f : 3 ) 电路设计中的常见问题 要想成功设计电 路板， 不但需要深厚的理论功底， 还需要丰富的实践经验。 电 路设 计中的常见问题和注意事 项包括: 尖峰干扰、 元器件布局、 抗千 扰设计等 i z 7 _ z a 尖峰干扰 d i a 转换的尖峰干扰出现在两种情况下: ( 1 ) 当 输入的 数字信号 发生 变化的 瞬间，由 于d a c电 路 触发 器的 通断时间 不同 步 而引 起.当某位由“ 1 ”变为 “0 的速度快于 “ 0 变为 “ 1 ”的速度时， 会发生尖峰 脉冲. 解决方法是在输出端加小电容。 ( 2 ) 另一种情况， 当1 2 位d / a转换器与8 位c p u连接时， 数据分低8 位和高4 位 两次送出， 在送完低8 位数据而高4 位数据还没送出的瞬间， d / a转换器的输出既不是 与原来的1 2 位数据相对应， 也不是与后来的1 2 位数据相对应， 例如: 第一个数据是0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ( 模拟量v 1 ) ， 第二 个数 据是1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( 模拟 量v 2 ) 。 当 开 始转换第二个 数 据时， c p u先送出低8 位0 0 0 0 0 0 0 0 ，而高4 位数据还没送出， 这时候， 1 2 位d / a转换 器的 数 据是0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 ( 模 拟量v 3 ) ， 待高4 位数 据送出 后， 才 输出 与1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 相对应的模拟量. 像这样最高位数变化时，最容易发生尖峰干扰。 解决方法是采用2 级锁存器， 写程序时当两个字节的数据都被送入第一级锁存器后 再打开第二级锁存器，同时转换。 元器件布局 元器件的布局应遵循以下几个原则: ( 1 )互相有关的元器件尽量靠近， 使元器件间的引线尽量短， 以获得较好的抗干扰 效果; ( 2 ) 把模拟电 路、 高 速 数字电 路、 干 扰源 ( 如: 功 率电 路 ) 合 理分开， 使 相互间 的 祸 合减至最小。注意:时钟回路应远离干扰源: ( 3 ) 1 / 0驱动电路尽量靠近板的边缘: 基于d s p 的电力电量参数测量系 统的研究和开发 p c b 抗干扰设计 在p c b设计中，布线是完成产品设计的重要步骤. 可以说前面的准备工作都是为 它而做的.在整个p c b中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。 在高速电路板设计中， 由于高速时钟芯片、 高速开关器件以及采取高密度布线方式 等各种因素的影响， 使得电磁兼容( e m c ) 成为p c b设计时必须考虑的问 题。电 磁兼容 技术的设计就是要从电磁兼容的三个基本要素: 干扰源、 传输途径和被干扰体着手使电 子设备或系统满足电磁兼容标准的规定、具有两方面的能力: 能在预期的电磁环境中正常工作。无性能降低或故障: 不会对其他系统或设备的正常工作产生影响， 成为其电磁环境中的电磁污染源。 p c b设计过程中的e mc问题可以从以下几方面着手: ( 1 ) 电 源线的 布置 电源线布置应与地线结合起来考虑. 以 便构成特性阻抗尽可能小的线路. 电源线与 地线应尽可能粗， 并相互靠近， 使供电 环面积最小， 增强抗噪声能力 1 b ) ( 2 ) 地线的布置 接地是抑制电子产品e mi 重要的一环，接地的主要目的是防止电磁千扰，消除公 共电路阻抗的祸合， 也是为了 保障人身和设备的安全。 良 好的接地处理可以 抑制大部分 的e mi 信号，其基本原理是 “ 零阻抗即零骚扰” 。 基本接地技术有单点接地、多点接地和混合接地三种。 单点接地是所有需要接地的引 线全部接到一个点， 再由这个点直接与地相连接。 一般用于抑制频率在 1 m h z 以下的干扰信号; 多点接地是指系统或设备中所需接地的引线直接接到离它们最近的地上.一般 用于抑制频率在 1 o mh z 以上的干扰信号: 混合接地是在复杂情况下，设备或单元电路的接地难以通过一个简单的接地形 式来解决而采取的混合形式，用于千扰信号频率在i m h z 至l o mh z 的情况.混合接地 在低频时类似于单点接地，高频时类似于多点接地。 ( 3 ) 滤波 滤波是利用滤波器来抑制电 磁干扰的。 滤波器是由 集中参数的电阻、电容和电感， 或者是 分布参 数的电 阻、 电 容、 电 感构成的 一 种网 络。 这种网 络只允 许有用信号的 频率 分量通过，同时阻止其他干扰频率分量通过，使电磁千扰减少到满意的工作电平上。 ( 4 ) 去祸 p c b中供电线路的寄生阻抗有可能产生电磁干扰， 应采用去祸电容来防止和减轻 这些影响( 如图2 . 1 0 ) 0 第二章d s ? 系 统设计 + v . 寄生 r . l 电派去辘电容 成 芯 i c eno 图2 . 1 0 加在电源端和地端之间的去辐电容 去祸电容的一般配置原则是: 源输入端跨接 1 0 -1 0 0 i, f 的电解电容器。 如有可能，接 1 0 0 u f以上的更好: 则 上每个集 成电 路芯片 都 应该布 置 一个o .0 1 p f 的 瓷片电 容， 如遇印 制 板空间 不 够， 可 每4 - 8 个芯片 布置一 个 1 一1 o p f 的 钮电 容; 对于抗噪能力弱和关断时电源变化大的器件， 如 r a m, r o m存储器件， 应在 芯片的电 源线和地线之间直接接入去祸电容; 电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。 ( 5 ) 屏蔽 屏蔽设计是为了克服经过 “ 场” 祸合引起的干扰， 对两个指定的空间区域进行金属 隔离，以控制电 场、磁场和电磁波由 一个区域对另一个区域的感应和传播。 ( 6 ) 光电隔离 光电隔离就是将干扰线路隔离开一定距离， 以切断或削弱它们之间的电磁祸合。 隔 离的原则和方法是: 干扰线路和其他线路尽可能不要平行排列， 如必须平行，导线间距l与导线直 径 d之比 应不小于4 0 ( l / d_ 4 0 ) ， 在可能 情况下导线间距应尽量大 些，并且 平行部 分的长度越小越好; 敏感线路与一般线路如平行排列，其间距应大于5 0 m m ; 电 源馈线与信号线应予隔离，当他们平行排列时，其间距应大于5 0 m m 高频导线是对其他线路干扰最大的线路，一般都要屏蔽。 光电祸合的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声千扰， 从而使过程通道的 信噪比大大提高。 刀 “ 看门 狗”电路 为了 防止 死机现象发生， 在硬件上 应采用“ 看门 狗” ( w a t c h d o g ) 电 路。 “ 看门 狗” 电路的核心是一个可重触发单稳态电路。 要使“ 看门狗” 电路能够正常工作， 在软件设 计上，在c p u正常执行程序期间，定时给 “ 看门狗”电路发送重触发脉冲使其复位， 一旦因干扰使c p u程序 “ 跑飞” ， “ 看门狗”电路不应再收到定时触发脉冲， “ 看门 狗” 电 路在暂态过程结束后发生翻转，输出一个宽度足以引起 c p u重新复位或产生不可屏 蔽中断的脉冲信号，它由 单稳电路中电阻、电容元件参数确定。 1 7 基于d s p 的电力电量参数测量系统的研究和开发 4 ) 硬件调试步骤 ( 1 ) 上电之前先观察有无短路、断路情况， 再用万用表检查电源、 地以及一些关键的信 号线，如读写、时钟、复 位、片选等是否正确; ( 2 ) 上电 后检查有无异常:是否有芯片 特别热: ( 3 ) 排除上述问题后， 接下来检查时钟能否长时间稳定工作， 这可通过示波器观察晶振 输出波形的质量和精度来检验，然后检查系统复位是否正常: ( 4 ) 关闭电 源。插上仿真接口，进行系统调试。 2 . 3 . 2软件设计 1 ) 开发工具 可编程d s p 芯片的开发需要一套完整的软硬件开发工具。通常，d s p 芯片开发工 具可以分为代码生成工具和代码调试工具两大类。代码生成工具的作用是将用 c或汇 编语言编写的程序通过编译、 汇编及链接， 最后生成可执行程序. 如果需要将程序写入 到用户 d s p系统的e p r o m中.使系统可以脱机运行，那么还需要代码转换工具。本 系统即需要将可执行程序通过 f 2 0 6自 带的符合 i e e e 1 1 4 9 . 1 标准的j t a g接口 烧到 f l a s h 中。代码调试工具的作用是对 d s p 程序在t i 公司提供的环境中进行调试以达到 预 定 的 设 计 目 标 3 15)f9 123 1 ( 1 ) 代码生成工具 代码生成工具程序主要包括以下几种类型的程序:c编译器、汇编器和链接器、 r t s ( r u n t im e -