孫瑞正

（山東科匯電力自動化有限公司 山東 淄博 255087）

國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對能源尤其是電能的要求也有所提高。因此，電力系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品也朝著精度更高，功能更強，響應更快發(fā)展。

當前電力系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品如配網(wǎng)自動化控制器、電能質(zhì)量監(jiān)測、故障錄波、繼電保護等一般都采用DSP+MCU的設計方案，目的是將DSP的高速數(shù)字信號處理功能和MCU完善的管理、通訊、豐富的接口等功能相結合，從而使得產(chǎn)品功能更豐富，擴展更靈活。

對于電力系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品來說，模擬量的獲取是一個非常重要的環(huán)節(jié)。以每周波采樣32點，6路模擬量計，每秒需要讀取的原始數(shù)據(jù)約為9.6 k字。顯然，頻繁的讀取工作非常繁復，不管是對DSP還是MCU。更何況許多產(chǎn)品需要更高的采樣速度和更多的模擬量輸入。而DSP與MCU之間的數(shù)據(jù)交換同樣很繁復。

文中提出了一種基于ADSP-218X[1-3]的模擬量數(shù)據(jù)流接口方法，可以避免因為頻繁讀取模擬量相關數(shù)據(jù)而造成的資源浪費。經(jīng)產(chǎn)品驗證，本方法更靈活，更合理。

1 接口原理

圖1為模擬量接口框圖。其中，ADSP-2185M[6]主要負責AD轉換器輸入數(shù)據(jù)的收集和實時計算。由Actel公司的FPGA（APA150）實現(xiàn)采樣控制和接口邏輯。ADS8509是TI公司的一款SAR型AD轉換器，其精度為16位，采樣速度最高250KSPS，接口為串行接口。圖1也反映了模擬量數(shù)據(jù)流程。ADS8509在FPGA的控制下完成模擬量采集，其數(shù)據(jù)經(jīng)SPORT0口進入ADSP-2185M。DSP在完成計算后，其計算結果經(jīng)IDMA口讀入MCU。

圖1 模擬量接口框圖Fig.1 ADC data-flow path

1.1 模擬量轉換結果輸入接口

SPORT[3-5]口是AD公司獨有的一種同步串行口。在ADSP-218x[6]系列、Blackfin等系列產(chǎn)品中都有提供。SPORT口有5根信號線，其定義為：

SCLK：時鐘信號

RFS：接收幀同步信號

TFS：發(fā)送幀同步信號

DR：串行數(shù)據(jù)接收

DT：串行數(shù)據(jù)發(fā)送

SPORT口有幾個突出的特點，包括：SPORT口是雙向的，具有獨立的雙緩沖發(fā)送或接收數(shù)據(jù)區(qū)即Double-buffered功能；Autobuffering即自動緩沖功能；幀長可變，串行數(shù)據(jù)長度從3到16位可選；時鐘信號可變，而且可以外部輸入，也可以內(nèi)部產(chǎn)生等。

Double-buffered即雙緩沖功能，實際是指發(fā)送和接收均有發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和移位寄存器共兩個寄存器，避免了因響應不及時導致的數(shù)據(jù)丟失；Autobuffering即發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)可以基于DMA操作自動讀出/寫入環(huán)形緩沖區(qū)，而不需要外部干預。一旦發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)完/接收緩沖區(qū)收滿，即可以引發(fā)中斷。如果在中斷服務程序中將緩沖區(qū)設為另一個，則可以兩個緩沖區(qū)輪流工作，從而為數(shù)據(jù)處理留出足夠的時間。

文中，SPORT0的時鐘由ADC提供，數(shù)據(jù)位長為16位。設置方法如下：

asm（“I2=^RxBuff0_；”）； /*I2 contains the address of RxBuffer0*/

asm（“M1=0x0001；”）； /*Fill every Location */

asm （“L2=0x0500；”）； /*L2 set to receive 1 cycle for each channel*/

asm （“AX0=0x0025；”）； /*RX autobuffer enable；use I2 and M1*/

asm （“DM （0x3ff3 ）=AX0；”）；/*Write the AutoBuffer Control Register*/

/*Setup Sport 0 for External Serial Clock， */

/*Receive Framing Signal for every word， */

/*External Framing Signal， Alternate Framing Mode， */

/*Active Low framing Signal， */

/*Right Justify sign extension， */

/*16-bit word length */

asm（“AX0=0x305f；”）；

asm（“DM（ 0x3ff6 ） =AX0；”）；

asm（“AX0=0x0000；”）；

asm（“DM（ 0x3ffd ） =AX0；”）； /*Timer Not Used */

asm（“DM（ 0x3ffc ） =AX0；”）；

asm（“DM（ 0x3ffb ） =AX0；”）；

asm（“DM（ 0x3ffe ） =AX0；”）； /*No DM wait States */

asm （“IFC =0x0021；”）； /*Clear any extraneous SPORT0 Int（Rx/Tx）*/

asm （“ICNTL = 0x0000；”）； /* interruptnesting disabled */

asm（“AX0=0x1000；”）； /*Enable SPORT0-Rx only*/asm（“DM（ 0x3fff） =AX0；”）；

asm （“IMASK=0x0021；”）； /*Enable SPORT0 Recv-Interrupt */

/*and Timer interrupt */

SPORT0接收中斷服務程序不再詳敘，其基本內(nèi)容如下：

/*ping-pongs in the alternate DMA buffer*/

/*check the data error or not*/

/*set the buffer OK flag*/

1.2 MCU與DSP間接口

IDMA[3-4，7]口 ， 即 Internal Direct Memory Access 口 ，是 ADSP-218x系列產(chǎn)品的一個16位并行DMA接口。由于電力系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品中的原始模擬數(shù)據(jù)為12位或16位，IDMA的位寬正好滿足要求。

IDMA接口信號如下：

IS： IDMA接口片選信號

IRD：IDMA接口讀信號。當IS和IRD同時有效時，開始一個IDMA讀周期

IWR：IDMA接口寫信號。當IS和IWR同時有效時，開始一個IDMA寫周期

IAL：IDMA接口地址鎖存信號。當IS和IAL同時有效時，開始一個IDMA地址鎖存序列。此時主機應將訪問IDMA的起臺地址送到IAD0～15上

IACK：IDMA接口允許訪問的確認信號

IAD0～15：IDMA接口的 16位地址/數(shù)據(jù)總線

通常可以用地址線A1接到IAL。此時，實際上對主MCU來說，ADSP-2185M只占用了兩個地址即：

#define IDMA_DSPAddr * （（unsigned short *）（DSPIF_ADDRESS+2））

#define IDMA_DSPData * （（unsigned short *）（DSPIF_ADDRESS））

IACK接到主MCU的IO口PA14，通過查詢該口，即可確定是否可以訪問DSP。

通過IDMA接口，主MCU可以下載DSP程序（Boot Loading through the IDMA Port），讀取數(shù)據(jù)，也可以用來交換控制及狀態(tài)信息。

為了能使DSP從IDMA自舉，需對相關信號加以配置，對于 ADSP-2185M， 可以將 MODE_D：MODE_C：MODE_B：MODE_A設為0101B。

IDMA接口有一個突出的優(yōu)點，即只需要在開始訪問時設定一次地址，隨后的讀/寫操作可以不再重設地址，IDMA會自動將該地址值遞加1，直到主機通過IAL和IS鎖存新的地址。對于需要實時重復讀取數(shù)據(jù)的應用，如電力系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品，這個功能無疑會大量節(jié)省主MCU資源。

下載DSP程序的子程序如下：

//download IDMA-Format DSP Code

unsigned char IDMA_DLCode（unsigned short*SourcePtr）

{

unsigned short count，temp，loop1；

unsigned char flag；

unsigned short DataNo；

DataNo=*SourcePtr++；

while （DataNo!=0xffff）{

if（（DataNo==0） ||（DataNo>0x2000））return FALSE；

flag=IDMA_WaitAck（）；

if（flag==TRUE）{ //IDMA Control

IDMA_DSPAddr=*SourcePtr++；

}

else return FALSE；

flag=IDMA_WaitAck（）；

if（flag==TRUE）{ //IDMA Ovlay

IDMA_DSPAddr=*SourcePtr++；

}

else return FALSE；

count=0；

do{

flag=IDMA_WaitAck（）；

if（flag==TRUE ）{

IDMA_DSPData=*SourcePtr++；count++；

}

}while （（flag==TRUE） && （count

if（flag==FALSE） return FALSE；

DataNo=*SourcePtr++；

}

return TRUE；

}

讀取數(shù)據(jù)子程序如下：

//Long Read a segment Data，StartAddr should include PM/DM flag

unsigned char IDMA_LReadData （unsigned short*DestinPtr，unsigned short StartAddr，unsigned short IDMAOvlay，unsigned short DataNo）

{

unsigned short count，temp；

unsigned char flag；

if（（DataNo==0） ||（DataNo>0x2000））return FALSE；

flag=IDMA_WaitAck（）；

if（flag==TRUE）{ //IDMA Control

IDMA_DSPAddr=StartAddr；

}

else return FALSE；

flag=IDMA_WaitAck（）；

if（flag==TRUE）{ //IDMA Ovlay

IDMA_DSPAddr=IDMAOvlay；}

else return FALSE；

count=0；

do{

flag=IDMA_WaitAck（）；

if（flag==TRUE ）{

*DestinPtr++=IDMA_DSPData；

count++；

}

}while （（flag==TRUE） && （count

if（flag==FALSE） return FALSE；

return TRUE；

}

2 結 論

相比于ADC直接連接MCU（無論是串行方式還是并行方式）和基于雙口RAM的ADC數(shù)據(jù)接口方案，基于SPORT口的串行ADC數(shù)據(jù)接口方案有許多優(yōu)點。比如，其控制邏輯相對簡單，串行數(shù)據(jù)更有利于進行電的隔離，價格更便宜等。在電力系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品中使用SPORT口和IDMA口，可以減少因?qū)崟r數(shù)據(jù)讀取及計算結果傳輸造成的MCU和DSP資源浪費，為數(shù)字信號處理留出足夠的時間，為更復雜的算法采用提供可能性。隨著產(chǎn)品模擬量數(shù)量的增加以及對實時性要求的提高，該方法的優(yōu)勢更加明顯。該方法已在我公司的多種電力系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品中使用，并已有數(shù)千套產(chǎn)品應用于工程現(xiàn)場。

[1]Analog Devices.ADSP 2100 Family User’s Manual[EB/OL].http://www.analog.com/static/imported-files/processor_manuals_legacy/160158757adsp_21xx_um_rev3_0.zip.

[2]Analog Devices.ADSP-218x DSP Instruction Set Reference.[EB/OL].（2004）.http://www.analog.com/static/imported-files/processor_manuals/5876423468xinset.pdf.

[3]Analog Devices.ADSP-218x DSP Hardware Reference[EB/OL].（2001）.http://www.analog.com/static/imported-files/processor_manuals/3110043388x_hardware.zip.

[4]袁璟，高明.ADSP-218X的IDMA接口自舉設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用， 2004（10）：24-26.YUAN Jing，GAO Ming.Self-bootingdesign ofIDMA interface of ADSP-218X[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2004（10）:24-26.

[5]Analog Devices.Autobuffering，C and FFTs on the ADSP-218x[EB/OL].（2001）.http://www.analog.com/static/importedfiles/application_notes/ee_142.pdf.

[6]Analog Devices.ADSP-2185M DataSheet[EB/OL].（2000）.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADSP-2185M.pdf.

[7]Analog Devices.ADSP-2189 IDMA Interface to Motorola MC68300 Family of Microprocessors [EB/OL].2000.http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/EE-115.pdf.