基于DSP+单片机的FTU硬件系统设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业基于DSP+单片机的FTU硬件系统设计作者：朱静杰赵延帅来源：硅谷2013年第16期摘 要 介绍基于DSP TMS320F2812和单片机C8051F040双处理器架构的FTU设计方法，并给出了硬件系统各模块的设计方案。关键词 DSP；单片机；FTU；硬件设计中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）16-0069-02馈线终端单元（Feeder Terminal Unit，FTU）是实施馈线自动化建设必不可少的核心设备，能够实现馈线开

2、关状态的在线监视、馈线数据采集与处理、快速故障定位、事故隔离与恢复供电、网络通信等功能，对于提高供电可靠性及配电网自动化水平起着至关重要的作用。FTU需要采集、处理的数据包括电压、电流、有功功率、无功功率、频率、谐波分量等，还要与上级主站进行频繁的数据通信，包括向主站上传数据信息、接收主站发送的命令等，运算量大、算法复杂且实时性要求高。在以传统单片机为中央处理器的FTU中，对于大量数据的运算处理往往达不到实时性要求，同时占用系统资源较多，影响FTU的整体性能；在以DSP为中央处理器的FTU中，虽然数据处理能力有了较大的提高，但是仅仅依靠一片DSP同时进行大量的数据运算、频繁的网络通信以及开关状

3、态的实时监测等，处理器负担过重，事件处理周期也会大大延长，影响FTU的实时性能。为了能够同时充分发挥DSP强大的数据运算能力和单片机的控制与事务处理能力，本系统采用基于DSP+单片机双处理器的设计方法。其中DSP选用TI公司的TMS320F2812，作为从处理器；单片机选用新华龙公司的C8051F040，作为主处理器。1 硬件系统设计FTU硬件系统设计的整体框图如图1所示。主要包括以下8个模块：1）处理器模块：包括主处理器C8051F040，从处理器TMS320F2812。2）遥测模块：主要包括馈线电压、电流等模拟信号的采集与处理。3）遥信模块：主要包括开关位置、通信状态、储能完成情况等开关量

4、的采集。4）遥控模块：主要包括控制开关合闸和跳闸，以及启动储能过程等。5）通信模块：实现FTU和上级主站的双向通信。6）电源模块：无论在正常还是事故状态下，均保证对FTU可靠供电。7）存储器模块：用于保存正常状态及事故发生前后的馈线数据。8）人机接口模块：主要包括键盘输入和液晶显示。1.1 处理器模块间的通信设计TMS320F2812数字信号处理器是32位定点DSP控制器，采用哈弗结构，配有专用的硬件乘法-累加器，采用多总线、流水线结构，支持并行指令操作，频率高达150MHz，6.6ns的指令周期，每秒可以执行150M条指令。C8051F040是一款高集成度的单片机，高速、流水线结构的8051

5、兼容的CIP-51内核（可达25MIPS），具有64个数字I/O引脚，硬件实现的SPI、SMBus/ I2C和两个UART串行接口，片内还集成了一个CAN2.0B控制器。SPI（Serial Parallel Interface）总线是摩托罗拉公司提出的一种同步串行外设接口协议总线，本系统利用它实现了DSP和单片机之间的通信，其通信电路如图2所示。SPI通过一根时钟引线将DSP和单片机同步，可以直接将等待传送的信息写入DSP的SPI发送数据寄存器，这时DSP的发送过程自动启动，信息接收完毕后自动存入单片机的SPI接收数据寄存器。因此只需对SPI的数据寄存器进行读写操作就可以实现数据通信，相比双

6、口RAM通信方式，它有标准的传输协议，而且方法简单、速度快，能够同时收发，有效避免了争用RAM的现象。1.2 遥测模块设计从线路PT、CT获取的100 V、5 A交流信号是不能直接输入DSP进行数据处理的。一般情况下，必须经过信号调理电路进一步电量变送、低通滤波、采样保持，以满足AD转换的需要。而TMS320F2812内置了采样保持电路，并集成了一个增强型模数转换器（ADC），具有16个输入通道，12位转换精度，25 MHz ADC时钟，完全可以满足本系统对采样精度及转换速度的要求，因此只需考虑电量变送和低通滤波环节，大大简化了电路设计。1.3 遥信和遥控模块设计遥信模块较遥测模块简单的多，主

7、要采集馈线上的开关量，包括开关位置信号、工作电源的失电信号、弹簧储能信号等。开关量的采集容易受到电磁干扰或机械振动的影响而产生虚假变位现象，因此需要采取措施防止遥信误报。在硬件上一般增加低通滤波回路和光电隔离环节、在软件上一般采用变位记录并延时确认的方式来有效解决这一问题。开关量采集电路如图3所示。遥控模块的开关量输出信号首先锁存到数据缓冲器，再经过光电隔离驱动继电器，由继电器控制馈线开关的开/合。为了进一步提高可靠性，可以在继电器辅助触点处增加一个开关量反馈输入，以反映继电器的实际动作情况。开关量输出电路如图4所示。1.4 通信模块设计C8051F040内部集成了一个高性能CAN模块，数据传

8、输速率高达1M位/秒，并且通信协议的处理由CAN控制器独立完成，不需C8051内核干预，节省系统资源。只需在单片机和CAN总线之间加上CAN驱动芯片82C250即可实现远程通信接口电路的设计，如图5所示。设计中采用了6N137光电耦合器，在提高了电路抗干扰能力的同时还实现了3.3 V和5 V的电平转换。1.5 电源模块设计FTU的电源模块包括主电源和后备电源。当线路正常工作时，FTU由主电源供电，主电源取自线路互感器二次侧交流100V，通过整流转换为直流24 V。当线路发生故障时，FTU的工作电源迅速切换到后备电源，后备电源由充电器和24 V蓄电池组成，在线路正常供电时由主电源对其充电。24

9、V直流电压经过以PKG2611芯片为核心的直流斩波电路进一步降为5 V，本模块还采用了TPS767D318芯片，可以将5 V电压再转换为3.3 V和1.8 V，以满足系统内各芯片多样化的电源需求。1.6 存储器和人机接口模块设计虽然C8051F040已经具有了64 kB的FLASH存储空间，但考虑到系统要求对正常情况下长达90天的整点数据以及事故发生前后的馈线数据进行存储，以实现电网运行情况的记录与事故分析，因此还需要拓展更大的数据存储器空间。本系统采用了串行FLASH存储器AT45D021，存储容量高达256K字节，可由5 V电压供电，使用方便。人机接口模块主要包括键盘输入和液晶显示两部分。键盘输入接口选用8279接口芯片，可自动消除抖动，实现参数的就地设置；液晶显示选用点阵式FM12864J显示器，它体积小、重量轻、低功耗、功能丰富，配合键盘输入可以实现参数的就地显示与查看。2 结束语FTU的性能在很大程度上影响了馈线自动化建设的水平。本文以DSP和单片机双处理器结构为基础