【導(dǎo)讀】片在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。然后，介紹了諧波的基本概念、衡量指標。和數(shù)學(xué)分析方法。最后針對電力部門和實際應(yīng)用的需要，提出了以AD73360和。數(shù)字信號處理芯片TMS320C5402構(gòu)成的硬件系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)想。論文完成了基本的硬件電路設(shè)計和軟件算法設(shè)計。通道同時采樣，A/D和DSP芯片的處理速度快的優(yōu)勢，滿足了實時性的要求。流信號進行頻譜分析。初步設(shè)計了對采集。數(shù)據(jù)進行計算和處理的相關(guān)軟件算法，實現(xiàn)了對諧波的測量功能。

　　

【正文】 所需要考慮的一個主要因素。 DNil 芯片的運算速度可以用以下幾種性能指標來衡量 : (1)指令周期 :即執(zhí)行一條指令所需的時間，通常以 us(納秒 )為單位。如TMS320LC54980在主頻為 80M Hz 時的指令周期為 115ns； 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計（論文） (2) MAC 時間 :即一次乘法加上一次加法的時間。大部 分 DSP 芯片可在一個指令周期內(nèi)完成一次乘法和加法操作，如 TMS320LC54980的 MAC時間就是 ； (3) FFT 執(zhí)行時間 :即運行一個 N點 FFT 程序所需的時間。由于 FFT 運算涉及的運算在數(shù)字信號處理中很有代表性，因此 FFT 運算時間常作為衡量 DSP 芯片運算能力的一個指標； (4) MIPS:即每秒執(zhí)行百萬條指令。如 TMS320LC54980的處理能力為 80MIPS，即每秒可執(zhí)行八千萬條指令； (5) MOPS:即每秒執(zhí)行百萬次操作。如 TMS320C40 的運算能力為 275MOPS； (6)MFLOPS:即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作。如 TMS320C31 在主頻為 40MHz 時的處理能力為 40MFLOS； (7) BOPS:即每秒執(zhí)行十億次操作。如 TMS320C80 的處理能力為 2BOPS。 2. DSP 芯片的價格 DSP 芯片的價格也是選擇 DSP 芯片所需考慮的一個重要因素。如果采用價格昂貴的 DSP 芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍肯定會受到一定的限制，尤其是民用產(chǎn)品。因此根據(jù)實際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，需確定一個價格適中的 DSP 芯片。當然，由于 DSP 芯片發(fā)展迅速， DSP 芯片的價格往往下降較快，因此在開發(fā)階段選用某種價格稍貴的 DSP 芯片，等到系統(tǒng)開發(fā)完畢，其價格可能已經(jīng)下降一半甚至更多。 3. DSP 芯片的硬件資源 不同的 DSP 芯片所提供的硬件資源是不同的，如片內(nèi) RAM, ROM 的數(shù)量，外部可擴展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口， I/O 接口等。即使是同一系列的 DSP 芯片 (如 TI 的 TMS320C54x 系列 )中，不同 DSP 芯片也具有不同的內(nèi)部硬件資源，可以適應(yīng)不同的需要。 4. DSP 芯片的運算精度 一般的定點 DSP 芯片的字長為 16 位，如 TM320C54x 系列。但有的公司的定點芯片為 24位，如 Motorola 公司的 MC56001 等。浮點芯片的字長一般為 32 位，累加器為 40位。 芯片的開發(fā)工具 在 DSP 系統(tǒng)的開發(fā)過程中，開發(fā)工具是必不可少的。如果沒有開發(fā)工具的支持，要想開發(fā)一個復(fù)雜的 DSP 系統(tǒng)幾乎是不可能的。如果有功能強大的開發(fā)工 具的支持，如 C 語言支持，則開發(fā)的時間就會大大縮短。所以，在選擇 DSP 芯片的同時必須注意其開發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開發(fā)工具。 6. DSP 芯片的功耗 在某些 DSP 應(yīng)用場合，功耗也是一個需要特別注意的問題。如便攜式的 DSP設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的 DSP 設(shè)備等都對功耗有特殊的要求。目前， 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計（論文） 供電的低功耗高速 DSP 芯片已大量使用。 除了上述因素外，選擇 DSP 芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標準、供貨情況、生命周期等。有的 DSP 芯片可能有 DIP, P GA, PLCC, PQFP 等多種封 裝形式。有些 DSP 系統(tǒng)可能最終要求的是工業(yè)級或軍用級標準，在選擇時就需要注意到所選的芯片是否有工業(yè)級或軍用級的同類產(chǎn)品。如果所設(shè)計的 DSP 系統(tǒng)不僅僅是一個實驗系統(tǒng)，而是需要批量生產(chǎn)并可能有幾年甚至十幾年的生命周期，那么需要考慮所選的 DSP 芯片供貨情況如何，是否也有同樣甚至更長的生命周期等。 在上述諸多因素中，一般而言，定點 DSP 芯片的價格較便宜，功耗較低，但運算精度稍低。而浮點 DSP 芯片的優(yōu)點是運算精度高，且 C語言編程調(diào)試方便，但價格稍貴，功耗也較大。例如 TI 的 TMS320C2xx/C54x 系列屬于定點 DSP芯片，低功耗和低成本是其主要的特點。而 TMS320C3x/C4x/C67x 屬于浮點 DSP 芯片，運算精度高，用 C語言編程方便，開發(fā)周期短，但同時其價格和功耗也相對較高。 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)的運算量是確定選用處理能力為多大的 DSP 芯片的基礎(chǔ)。運算量小則可以選用處理能力不是很強的 DSP芯片，從而可以降低系統(tǒng)成本。相反，運算量大的 DSP 系統(tǒng)則必須選用處理能力強的 DSP芯片、如果 DSP 芯片的處理能力達不到系統(tǒng)要求，則必須用多個 DSP 芯片并行處理。如何確定 DSP 系統(tǒng)的運算量以選擇 DSP 芯片主要考慮兩種情況。 （ 1） .按樣點處理 所謂按樣點處理就是 DSP 算法對每一個輸入樣點循環(huán)一次。數(shù)字濾波就是這種情況。在數(shù)字濾波器中，通常需要對每一個輸入樣點計算一次。例如，一個采用 LMS 算法的 256 抽頭的自適應(yīng) FIR濾波器，假定每個抽頭的計算需要 3個 MAC周期，則 256 抽頭計算需要 256? 3=768 個 MAC 周期。如果采樣頻率為 8kHz，即樣點之間的間隔為 125 s? ,DSP 芯片的 MAC 周期為 200ns，則 76MAC 周期需要 s? 的時間，顯然無法實時處理，需要選用速度更高的 DSP 芯片。 （ 2） .按幀處理 有些數(shù)字信號處理算法不是每個輸入樣點循環(huán)一次，而是每隔一定的時間間隔 (通常稱為幀 )循環(huán)一次。例如，中低速語音編碼算法通常以 1Oms 或 20ms 為一幀，每隔 1 VMS 或 20ms 語音編碼算法循環(huán)一次。所以，選擇 DSP 芯片時應(yīng)該比較一幀內(nèi) DSP 芯片的處理能力和 DSP算法的運算量。假設(shè) DSP 芯片的指令周期為p(ns)，一幀的時間為 ?? (ns)，則該 DNY 芯片在一幀內(nèi)所能提 供的最大運 p?? 條指令。例如 MS320LC54980 的指令周期為 ，設(shè)幀長為 20ms，則一幀內(nèi)TMS320LC54980 所能提供的最大運算量為 160 萬條指令。因，只要語音編碼算法的運算量不超過 !60 萬條指令，就可以在 TMS320LC54980 上實時運行。本裝攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計（論文） 置選擇的是 TI 公司的 TMS320C5402。 TMS320C54xx 具有以下硬件優(yōu)點 (1)圍繞 1組程序總線、 3組數(shù)據(jù)總線和 4組地址總線建立的改進型哈佛結(jié)構(gòu)，解決了馮諾伊曼 (VonNeumann)結(jié)構(gòu)中高速數(shù)據(jù)傳輸時的傳輸通道上的瓶頸現(xiàn)象。 （ 2）內(nèi)部多總線結(jié)構(gòu)保證在一個機器周期內(nèi)可以多次訪問程序空間和數(shù)據(jù)空間。 （ 3）指令執(zhí)行時的多重流水線結(jié)構(gòu)將指令周期降低到了最小值。 （ 4）高度專業(yè)化指令集，更適用于快速算法的實現(xiàn)和高級語言編程的優(yōu)化。 （ 5）多處理單元可以在一個指令周期內(nèi)同時進行運算，而這種結(jié)構(gòu)恰好滿足了數(shù)字信號處理中的一些特殊要求如 FIR, IIR, FFT 等運算。 （ 6）尤為值得一提的是 TMS320C5402 的軟件特點， 7種有效靈活的尋址方式，僅為 lOns 的指令 執(zhí)行周期，還有一些特殊的運算指令更好地滿足了數(shù)字信號處理中特有的運算需要。 （ 7）最新的 IC 制造工藝，提高了芯片性能，降低了功耗。 （ 8）最新的靜態(tài)設(shè)計技術(shù)使得芯片具有更低的功耗和更強的輻射能力。 TMS320C54xx DSP 芯片的硬件結(jié)構(gòu) 總線結(jié)構(gòu)采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)， C54xx(即 TMS320C54xx，以下類同 )的結(jié)構(gòu)是圍繞 8組主要的 l6bit 總線 ((4 組程序 /數(shù)據(jù)總線， 4組地址總線 )建立的其內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如下 : 攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計（論文） 圖 TMS320C54xx內(nèi)部硬件框圖 (CPU) C54xx芯片的 CPU包括 :一個 40bit的算術(shù)邏輯單元 (ALU)。兩個 40bit的累加器 (ACC 和 ACCB)。一個 40bit 的桶形移位器 :17? 17bit 乘法器 (MAC)。40bit 加法器 (ADD)。較、選擇和存儲單元 (CSSU)。指數(shù)編碼器和各種 CPU 寄存器 (CPU 寄存器是存儲器映射的，能快速恢復(fù)和保存 )。 C54xx 存儲器有三個獨立的可 選擇空間組成 :程序、數(shù)據(jù)和 I/O 空間。所有的C54xx 芯片都包括隨機訪問存儲器 (RAM)和只讀存儲器 (ROM)。 (1)片內(nèi) ROM TMS320C5402 有 4K 的片上 ROM。在標準的 C54xx 的片內(nèi) ROM 中有一個引導(dǎo)程序 BOOTLOAD 程序和中斷向量表。 BOOTLOAD 程序起 DSP 復(fù)位后自動載入用戶程序的作用。當 DSP 復(fù)位后，如果其 MP/ MC 弓 l 腳為高電平，系統(tǒng)將等待從 JTAG仿真口下載程序。如果 MP/ MC 弓 l腳為低電平，程序從內(nèi)部 ROM的 OFF80H 單元開始執(zhí)行，這個單元存有轉(zhuǎn)移到引導(dǎo)程序開始處狗轉(zhuǎn) 移指令。片內(nèi) ROM 的引導(dǎo)程序是芯片出廠是固化好的，用戶一般不能直接使用。 (2)片內(nèi) RAM 所有的 DSP 器件都有較大的片內(nèi) RAM, TMS320C5402 有 16K 的片上 DARAM。為攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計（論文） 了便于管理，片內(nèi) RAM 分成幾個部分，可以分別用來保存數(shù)據(jù)或程序，片內(nèi) RAM優(yōu)先用來存儲數(shù)據(jù)值，但也可以映射到程序空間來存儲程序代碼。片內(nèi) RAM 又分為單口 SARAM 和雙口 DARAM 和雙口 DARAM 主要用于保存數(shù)據(jù)，需要時也可以保存程序。每個機器周期可以對它進行兩次存取， CPU 和外設(shè)，如緩沖串口 ((BSP)和主機接口 (HPI)可以 在一周期中同時對它進行讀和寫，所以存取速度得到了很大的提高。存儲器地址分配圖如下 : 圖 MS320C5402存儲器地址分配圖 存儲器映射寄存器包括輔助寄存器、堆棧指針、中斷寄存器等一些常用的寄存器。不同型號的 DSP，其映射寄存器的地址可能不一樣。一些專用的 DSP 還自帶一些專用的映射寄存器。 (1)通用 I/O 引腳 每一種 C54xx 芯片都有兩個通用 I/O 引腳 :/BI0 和 XF 。 /BIO 可用來監(jiān)測外部設(shè)備狀態(tài)的輸入引腳。根據(jù) /BIO 輸入的狀態(tài)來執(zhí)行一個轉(zhuǎn)移，對時間要求很嚴格的循環(huán)，而且不能被外部終端所打斷的時候，可以用 /BIO 腳代替中斷與外圍設(shè)備相連。 XF用于發(fā)信號給外部設(shè)備，通過軟件進行控制。 (2)主機接口 主機接口 (HPI)是一個 8bit或 16bit 的并口，提供 C54xx 與主處理機的接口。C54xx 和主處理機都可以訪問 C54xx 的片內(nèi)存儲器，并且通過它進行信息交換。 (3)硬件定時器 保留 （ OVLY = 1）外部 （ OVLY = 0 ）0000 H007 FH0080 H 片內(nèi) DRAM ：16 K（ OVLY = 1 ）外部 （ OVLY = 0 ）3 FFFH4000 H保留 （ OVLY = 1）外部 （ OVLY = 0 ）0000 H007 FH0080 H 片內(nèi) DRAM ：16 K（ OVLY = 1 ）外部 （ OVLY = 0 ）3 FFFH4000 H程序空間 ： 頁 0 程序空間 ： 頁 0FF 7 FHFF 80 HFFFFHFF 7 FHFF 80 HFFFFHEFFFHF 000 HFEFFHFF 00 H片外中斷矢量（ 外部 ）中斷矢量（ 片內(nèi) ）片外片內(nèi) ROM : 4 K保留存儲器映象寄存器0000 H005 FH0080 H片內(nèi) DRAM ：16 K3 FFFH4000 H數(shù)據(jù)空間FF 7 FHFF 80 HFFFFH片外EFFFHF 000 HFEFFHFF 00 H片內(nèi)ROM （ DROM = 1 ）外部 （ DROM = 0 ） 保留（ DROM = 1 ）外部 （ DROM = 0 ）0060 H007 FH暫存器 S P R AMMP / MC = 1（ 微處理器模式 ）MP / MC = 0（ 微型計算機模式 ）攀枝花學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計（論文） C54xx 有一個帶有 4bit 預(yù)定標器的 l6bit 的定時電路。這個計時計數(shù)器在每個時鐘周期結(jié)束后減 l，每當計數(shù)器置 0時就會產(chǎn)生一個定時中斷 。可以通過設(shè)定特定的狀態(tài)位來使定時器停止、恢復(fù)運行、復(fù)位或禁止。 (4)時鐘發(fā)生器 時鐘發(fā)生器由一個內(nèi)部振蕩器和一個鎖相環(huán)電路組成。它可以由內(nèi)部的晶振或外部的時鐘源驅(qū)動。鎖相環(huán)電路能使時鐘源乘以一個特定的系數(shù)，來得到一個比內(nèi)部 CPU 時鐘低的時鐘源。 (5)串口 各種 C54xx 芯片配有不同的串口，但總的來說分為 3 種類型 :同步、緩沖和時分多路 (TDM)。 同步串口是高速、全雙工串口，提供與編碼器， A/D 轉(zhuǎn)換器等串行設(shè)備之間的通信。當一塊 C54xx 芯片中有多個同步串口時，它們是相同的，但又是獨 立的。