摘  要：提出一種基于雙CPU架構(gòu)的微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計方法與實現(xiàn)過程。以LPC2468和TMS320F2812為硬件核心，以前后臺系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)為軟件平臺進(jìn)行微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計，具體介紹了系統(tǒng)的硬件功能以及軟件流程圖。具體闡述了一種基于CPLD的雙CPU通信的軟硬件實現(xiàn)過程，解決了傳統(tǒng)單CPU處理速度慢、功能單一的缺點，使保護(hù)裝置運行更加可靠、靈敏。
關(guān)鍵詞： ARM微處理器； DSP微處理器； μC/OS-II； 微機(jī)保護(hù)

　微機(jī)保護(hù)裝置對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。隨著電力網(wǎng)絡(luò)的日趨龐大，尤其是算法的日趨復(fù)雜，一般的微型計算機(jī)很難滿足速度上的要求，此外隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，網(wǎng)絡(luò)的通信和前沿的監(jiān)測都需要保護(hù)裝置來承擔(dān)，從而對保護(hù)裝置的CPU要求越來越高。本文介紹一種基于DSP和ARM的雙CPU架構(gòu)的微機(jī)保護(hù)平臺。將DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和ARM出色的控制能力結(jié)合起來，并且通過CPLD實現(xiàn)兩CPU間的數(shù)據(jù)交換，以此保證繼電保護(hù)裝置的可靠運行。
1 硬件設(shè)計
　本裝置適用于35 kV變電站及其以下電壓等級的廠站系統(tǒng)，實現(xiàn)保護(hù)、測量、控制、通信監(jiān)控、故障記憶、自診斷、人機(jī)交互等功能。裝置內(nèi)部采用插件結(jié)構(gòu)，各插件之間實現(xiàn)電氣聯(lián)系，裝置內(nèi)部包含五塊插件：顯示插件、CPU插件、模擬量采集插件、開入量與電源插件，以及開出量插件。系統(tǒng)框圖如圖1所示[1-2]。

    該硬件平臺采用雙CPU結(jié)構(gòu),且CPU間不分主從各自獨立運行，每個CPU有單獨的電源供電，各模塊系統(tǒng)相關(guān)性少，工作運行獨立。其中ARM主要用來實現(xiàn)人機(jī)界面、電能計量、時鐘較準(zhǔn)以及通信等功能。DSP利用其自身運算速度快、擅長數(shù)字處理的特點，主要實現(xiàn)模擬量的采集、濾波、繼電保護(hù)算法以及出口控制等功能。
 模擬量采集模塊共采樣12路模擬量，從現(xiàn)場互感器的二次側(cè)將電信號引入裝置內(nèi)部互感器，經(jīng)過調(diào)理濾波、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4053和模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7656轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后實現(xiàn)FFT運算和各種保護(hù)算法。測量信號通過調(diào)理電路直接輸入ADE7758。
　開關(guān)量及電源模塊。接口電路一律采用光耦隔離,避免外界干擾進(jìn)入CPU模塊。電源模塊采用兩級供電的方式，首先經(jīng)一層AC/DC將220 V電壓轉(zhuǎn)換成直流5 V、7.5 V、24 V的電壓，然后再經(jīng)過一層DC/DC，將電壓轉(zhuǎn)換成+3.3 V和+1.8 V供器件使用。
　看門狗電路以及存儲器模塊。本裝置采用雙CPU單獨復(fù)位?？撮T狗采用CAT1161，因其無上電復(fù)位功能，所以在復(fù)位端應(yīng)另加RC復(fù)位電路。此外給DSP和ARM分別外擴(kuò)了一片512 K的RAM和一片256 K的鐵定存儲器FM31256。其中鐵定存儲器為I2C接口，因其非易失性用來存儲一些設(shè)定值和故障錄播數(shù)據(jù)，F(xiàn)M31256內(nèi)部具有時鐘伴侶功能同時為系統(tǒng)提供實時時鐘。
　通信模塊，裝置包括兩個以太網(wǎng)接口，一路485和一路CAN接口。一路以太網(wǎng)實現(xiàn)與站控層連接，另外一路可以單獨組網(wǎng)構(gòu)成故障信息傳輸專網(wǎng)。在一些網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差，距離較短的場合下可直接使用485，CAN總線實現(xiàn)與變電站的通信。此外為了減少時間誤差，確保裝置的可靠性，不同場站的各臺裝置都裝設(shè)GPS對時接口。
　裝置除以上各模塊以外還有人機(jī)交互模塊和電能計量模塊，人機(jī)界面采用320×240大屏幕彩色LCD顯示器，配有3×2的按鍵。同時還有6個LED顯示燈來反應(yīng)裝置的運行情況。電能模塊采用ADE7758，采用SPI接口，通過校準(zhǔn)可直接讀出有功、無功和視在功率。
2軟件設(shè)計
2.1 ARM部分軟件設(shè)計
　ARM部分采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II作為軟件平臺，μC/OS-II是一種源碼公開的實時操作系統(tǒng)，具有易移植、可靠穩(wěn)定等特點。圖2為ARM部分軟件框圖[3]。

　μC/OS-II的移植非常簡單，只需修改下面3個文件[4]：
　OS_CPU.H文件：定義數(shù)據(jù)類型和堆棧增長方向，這一部分與所使用的編譯器有關(guān)。
　OS_CPU_C.C文件：該文件定義在堆棧增長方向上寄存器保存的位置，該文件還需要實現(xiàn)幾個操作系統(tǒng)所規(guī)定的hook函數(shù)。通常都設(shè)計為空函數(shù)。
　OS_CPU A.S文件：該文件由匯編語言實現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)任務(wù)切換、臨界區(qū)指令定義以及時鐘中斷函數(shù)的處理。
　一個任務(wù)與其他任務(wù)或者中斷服務(wù)程序之間信息的交換有兩種途徑，一是通過全局變量另一個是采用消息隊列或者消息郵箱。用全局變量時，必須保證每個任務(wù)或者中斷服務(wù)子程序獨享該變量。中斷服務(wù)中保證獨享的唯一辦法就是關(guān)中斷。如果兩個任務(wù)共享某變量，各任務(wù)實現(xiàn)獨享的方法可以是先關(guān)中斷再開中斷或者是使用信號量。任務(wù)只能通過全局變量與中斷服務(wù)程序之間通信，而任務(wù)并不知道何時全局變量被中斷，服務(wù)程序修改了，除非中斷服務(wù)程序以信號量方式向任務(wù)發(fā)信號，或者該任務(wù)不斷地周期性地查詢該變量。為避免這種情況，可考慮使用郵箱和消息隊列。任務(wù)或中斷服務(wù)程序通過內(nèi)核服務(wù)，把一則消息(一個指針)放到郵箱里，一個或多個任務(wù)可以接收到該消息(指針指向的內(nèi)容就是該消息)。消息隊列實際上是郵箱陣列，遵循先進(jìn)先出原則，當(dāng)任務(wù)等待某個消息一定時限后，該任務(wù)自動進(jìn)入就緒態(tài)并開始運行，同時返回錯誤代碼。
    各任務(wù)的切換通過內(nèi)核來調(diào)度，內(nèi)核的調(diào)度一般是基于優(yōu)先級的，CPU總是讓處于就緒態(tài)且任務(wù)優(yōu)先級最高的任務(wù)運行。任務(wù)的優(yōu)先級一般根據(jù)各任務(wù)間的關(guān)聯(lián)性、任務(wù)的關(guān)鍵性以及任務(wù)執(zhí)行頻繁性來選定。在系統(tǒng)運行的過程中可能發(fā)生任務(wù)調(diào)度的時機(jī)有：
    (1)對任務(wù)操作時，包括創(chuàng)建或刪除任務(wù)、掛起或恢復(fù)任務(wù)，改變?nèi)蝿?wù)的優(yōu)先級。
    (2)任務(wù)主動使用OSTimeDly函數(shù)延時時。
    (3)發(fā)送（或等待）信號量、郵箱、消息時。
　 (4)中斷函數(shù)返回時，優(yōu)先級最高的任務(wù)進(jìn)入運行狀態(tài)。
    本系統(tǒng)總共有5個任務(wù)，各任務(wù)之間的關(guān)系如圖2所示，任務(wù)功能如表1所示，系統(tǒng)通過定時中斷服務(wù)程序釋放信號量定時掃描顯示任務(wù)和電度采樣任務(wù)。因為LCD顯示的是BCD碼，所以定值設(shè)定好以后系統(tǒng)通過消息隊列通知數(shù)據(jù)處理任務(wù)將BCD碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)傳送給DSP，ARM接收到DSP傳送的信息以及ADE7758所測的電度值和上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)包后也要通過數(shù)據(jù)處理任務(wù)解包并轉(zhuǎn)換成BCD碼顯示。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，DSP發(fā)送故障信息，ARM接收到故障信息以后通過信號量，主動進(jìn)行錄播、上傳以及顯示故障信息。運行人員可通過鍵盤輸入利用全局變量來設(shè)置通信端口的IP地址、MAC地址、波特率以及裝置地址等。

2.2 DSP部分軟件設(shè)計[5]
    DSP部分因任務(wù)較少采用前后臺程序，運行速度快。圖3為DSP部分軟件框圖。本套裝置充分利用了DSP強(qiáng)大的中斷功能和高效的數(shù)據(jù)處理能力。在程序開始時，DSP向ARM請求定值和時間。設(shè)置采樣周期，每個周期采樣32點，以工頻50 Hz為例，采樣周期為0.625 ms。一個周期內(nèi)必須完成模擬量的采集、fft運算、算法判斷、開關(guān)量的讀入以及與ARM的通信等功能。

2.3雙CPU通信部分軟件設(shè)計[6]
　雙CPU間的通信是本系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵，兩CPU雖然獨立運行，但運行時需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。因為兩CPU的運行速度不一致，而數(shù)據(jù)在傳輸過程中必須要保持同步，兩CPU間數(shù)據(jù)交換和通信是影響整個系統(tǒng)正常工作的重要環(huán)節(jié)。
　CPU間的通信大致可分為：并行通信和串行通信。本裝置對實時性要求較高且數(shù)據(jù)傳輸量較大，所以采用的是一種基于CPLD的并行通信。如圖4所示,在CPLD內(nèi)部實現(xiàn)一對D觸發(fā)器(74HC74)，其中DSP_H1端接DSP的GPIO口，ARM_H2接ARM的一個中斷引腳。系統(tǒng)在初始化或者復(fù)位后，DSP和ARM各空讀一次，使得DSP_H2(DSP的輸入緩沖器滿信號，圖中未畫出)和ARM_H2無效(低電平)。當(dāng)DSP開始寫時，寫選通經(jīng)過反相器后形成一個上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器，引起ARM_H2狀態(tài)改變通知ARM寫操作完成,可以開始讀數(shù)據(jù)，同時在寫完時使DSP_H1變低，為下一次寫操作做準(zhǔn)備。ARM開始讀，當(dāng)ARM將一次數(shù)據(jù)讀走后，ARM的讀選通端形成一個上升沿，觸發(fā)D觸發(fā)器，使DSP_H1狀態(tài)改變（變?yōu)楦唠娖剑┩ㄖ狣SP讀操作完成，同時將ARM_H2變低為下一次讀操作做準(zhǔn)備。ARM向DSP傳輸數(shù)據(jù)時的握手信號原理同上。

    接收數(shù)據(jù)通過中斷來實現(xiàn)如圖5所示。當(dāng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，CPU應(yīng)先關(guān)中斷將外部中斷引腳設(shè)置成GPIO口，通過查詢方式接收數(shù)據(jù)以避免因多次中斷造成的系統(tǒng)崩潰。數(shù)據(jù)接收完后，再將GPIO口設(shè)置為中斷引腳，開放中斷。如果CRC校驗碼驗證錯誤，接收方重新發(fā)送請求命令。發(fā)送數(shù)據(jù)是通過查詢輸出緩沖器狀態(tài)來發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時如果發(fā)送方輸出緩沖器在20個指令周期內(nèi)無效，則退出發(fā)送程序。

　CPU間數(shù)據(jù)傳輸時，先發(fā)送命令字，高字節(jié)為數(shù)據(jù)類型如表2所示，低字節(jié)為數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)發(fā)送完后，發(fā)一個字的CRC校驗碼。如圖6所示。

     無論數(shù)據(jù)接收方還是發(fā)送方均采用循環(huán)隊列作為緩沖區(qū)，這樣可以避免CPU在處理數(shù)據(jù)時被新的數(shù)據(jù)沖掉，使數(shù)據(jù)交換更加可靠，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
    struct CPU_IN_OUT
    { 
          struct CPU_IN_OUT *next;
          uint16 com_len;//命令字
          uint16 data[120]; //數(shù)據(jù)區(qū)
          uint16 CRC; //CRC校驗碼
    };
    上述方法在軟硬件上均已實現(xiàn)，各種試驗表明本文所介紹的雙CPU間的通信方法，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。從現(xiàn)場運行的狀況來看各種功能基本實現(xiàn)，動作可靠、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng),具有極好的推廣價值。
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