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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