基于Blackfin處理器的繼電保護(hù)完整解決方案解析

　　1. 高性能的核心組件

　　微機(jī)繼電保護(hù)設(shè)備除了擁有傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備基本的測試、保護(hù)功能外，還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、智能和通信能力，其優(yōu)越性在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)得到充分體現(xiàn)。但這同時(shí)對硬件平臺(tái)也提出了苛刻的要求，特別是作為核心器件的處理器的選擇至關(guān)重要。當(dāng)前采用單CPU結(jié)構(gòu)的繼電保護(hù)裝置在應(yīng)對微機(jī)繼電保護(hù)需求最明顯的缺點(diǎn)是容易造成任務(wù)之間的沖突，引入等待周期，因而很多方案提出了以DSP為核心處理器的雙處理器模式的微機(jī)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)方案，甚至一個(gè)DSP用于數(shù)據(jù)和算法處理、一個(gè)MCU用于系統(tǒng)控制、一個(gè)MCU用于LCD控制的三處理器解決方案。多處理器設(shè)計(jì)不僅帶來整體BOM成本增加，而且會(huì)降低系統(tǒng)可靠性并增大系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度(包括硬件和軟件)。

　　本參考設(shè)計(jì)的核心處理器采用了ADI公司于2009年初推出的針對工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化的Blackfin處理器BF518。BF518繼承了ADI公司Blackfin匯聚式處理器的獨(dú)特優(yōu)勢“基因”，兼具DSP的超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力和RISC微處理器用于系統(tǒng)控制的優(yōu)勢。相對于以往異構(gòu)MCU+DSP方案，BF518能夠減少器件數(shù)量，節(jié)約系統(tǒng)成本，縮小電路板空間并降低功耗。與傳統(tǒng)的DSP類似，BF518處理器的每個(gè)處理單元都具有高時(shí)鐘速率和低功耗。同時(shí)，就像傳統(tǒng)的MCU一樣，這些匯聚處理器都采用界面友好的操作系統(tǒng)和編譯器。低成本的BF518處理器具有處理儀表級原始實(shí)時(shí)電力數(shù)據(jù)采集以及實(shí)現(xiàn)繼保設(shè)備和電網(wǎng)之間通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解決方案。

　　在BF518推出之前，Blackfin處理器的獨(dú)特優(yōu)勢就在包括繼電保護(hù)在內(nèi)的電力系統(tǒng)的多種設(shè)備中廣泛采樣，Blackfin所采用的高性能16/32位嵌入式處理器內(nèi)核、靈活的高速緩存架構(gòu)、增強(qiáng)的DMA子系統(tǒng)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠設(shè)計(jì)靈活的平臺(tái)以解決多種面向連接的應(yīng)用。而BF518內(nèi)置的以太網(wǎng)10/100 MAC(媒體訪問控制)更首次在Blackfin處理器中引入了內(nèi)置的PTP_TSYNC引擎，實(shí)現(xiàn)了硬件支持的IEEE1588時(shí)鐘同步，與IEEE1588 version2標(biāo)準(zhǔn)完全兼容(通過硬件方式實(shí)現(xiàn)才能達(dá)到系統(tǒng)時(shí)鐘精度要求，是數(shù)字化變電站的發(fā)展趨勢)。BF518的這一特性與強(qiáng)大的數(shù)字信號處理及控制能力、多種其它外設(shè)的結(jié)合，使它成為要求苛刻的電力聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最具吸引力的選擇。在滿足新一代繼保設(shè)備的存儲(chǔ)需求方面，BF518的更具明顯優(yōu)勢，不僅具有NOR閃存、NAND閃存、鐵電存儲(chǔ)(FRAM)、SDRAM，還提供了支持Lockbox安全技術(shù)的一次性可編程存儲(chǔ)器(OTP)。隨著IEC61580規(guī)范的逐步推行，必將對處理器的處理能力提出更高的要求，包括更高的通信能力、存儲(chǔ)能力、智能特性的支持等。該參考設(shè)計(jì)所有的算法和程序僅占BF518處理器處理能力的30%，為客戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的智能化、各種算法的擴(kuò)展應(yīng)用預(yù)留了足夠的處理性能余量。此外，BF518能夠在-40℃～85℃的環(huán)境溫度下工作，非常適用于繼電保護(hù)產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境。

　　該解決方案另外采用的核心器件是兩塊ADI公司最新推出的高性能同步采樣ADC AD7606，可以簡化下一代電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供16位八通道的采用性能，滿足下一代電力線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的分辨率和性能要求，而其同步采樣特性也是高性能電力監(jiān)測應(yīng)用所要求的。AD7606可實(shí)現(xiàn)90dB的信噪比(SNR)?？蛇x的過采樣模式進(jìn)一步提高了SNR的性能，該參考設(shè)計(jì)的實(shí)際測量表明，通過過采樣可以將ADC轉(zhuǎn)換精度提高到19.5位，并增強(qiáng)了抗混疊能力。此外，與同類解決方案相比，AD7606內(nèi)置了基準(zhǔn)電壓，僅需很少的去耦電容，因此實(shí)現(xiàn)了更高的集成度。用戶在采用該參考設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)產(chǎn)品的最終成本、性能目標(biāo)，自由選擇AD7606或其它替代器件。

　　圖1：基于匯聚式處理器BF518的繼電保護(hù)方案電路框圖。