基于雙數(shù)字信號處理器的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

胡恒錚

（無錫技師學(xué)院，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

雙數(shù)字信號處理器是以大規(guī)模電路集成芯片作為核心組成元件的任務(wù)型信號處理器設(shè)備，可以用數(shù)字流表示傳輸信號參量。在既定電氣處理環(huán)境中，該項應(yīng)用元件始終具備較強的信號承載能力。在不考慮其他干擾條件的情況下，雙數(shù)字信號處理可濾波或測量真實存在的連續(xù)模擬信號。因此，在數(shù)字域應(yīng)用范圍中，雙數(shù)字信號處理器可直接實現(xiàn)由模擬參量到應(yīng)用參量的轉(zhuǎn)化處理，是模數(shù)轉(zhuǎn)換器始終具備較強應(yīng)用能力的主要原因[1,2]。在電氣控制領(lǐng)域中，隨外界信號傳輸行為的改變，雙數(shù)字型處理器的實用范圍也會逐漸擴大，且隨著轉(zhuǎn)換電路中應(yīng)用電子傳輸流量的提升，相關(guān)信號主控模塊的實際表現(xiàn)行為也會出現(xiàn)變化。

1 基于雙數(shù)字信號處理器的電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由D/A轉(zhuǎn)換電路、信號主控模塊以及復(fù)雜可編程邏輯器3部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 D/A轉(zhuǎn)換電路

D/A轉(zhuǎn)換電路是電氣控制系統(tǒng)中唯一的點電子輸出元件。在雙數(shù)字信號處理器的調(diào)度作用下，它可將束狀交變電流整合成直流傳輸形式，再借助各級應(yīng)用導(dǎo)線傳輸至下級應(yīng)用設(shè)備結(jié)構(gòu)體中。與其他電子傳輸設(shè)備相比，D/A轉(zhuǎn)換電路具備的電量匯總能力相對較強，可在交直流電子同時存在的情況下快速調(diào)取其中的有效應(yīng)用成分，并按照不同的傳輸需求將其規(guī)劃成復(fù)雜的可編程調(diào)度形式。在信號主控模塊不被完全占用的前提下，由D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的應(yīng)用電子流可直接被轉(zhuǎn)存至邏輯器結(jié)構(gòu)體中，并以電子參量的形式被長期存儲[3]。從功能性角度來看，D/A轉(zhuǎn)換電路直接與系統(tǒng)的外界電源相連，一方面將外接電量整合成既定傳輸應(yīng)用形式，另一方面可借助系統(tǒng)信道結(jié)構(gòu)體，現(xiàn)對待調(diào)度電氣傳輸電子的定向化控制。

1.2 信號主控模塊

電氣控制系統(tǒng)的信號主控模塊以TMS320F2812芯片作為核心搭建設(shè)備，將處理器內(nèi)核中的雙數(shù)字信號直接轉(zhuǎn)化成微控制應(yīng)用形式，再利用D/A轉(zhuǎn)換電路的電子輸送功能，將這些信號參量由頂層處理單元分配至底層處理單元，從而實現(xiàn)對信號結(jié)構(gòu)體的集中化處理與調(diào)度[4]。在DSP內(nèi)核的實踐作用下，信號主控模塊外部的微型調(diào)節(jié)器可直接建立與TMS320F2812芯片的應(yīng)用連接，并可在互相傳遞電氣控制信號的同時，將多余數(shù)據(jù)信息參量傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體中，以供后續(xù)控制任務(wù)指令的直接調(diào)取與利用。一般情況下，TMS320F2812芯片始終保持32位×32位與16位×16位并存的信號編碼形式。在傳輸信號總量不斷增大的情況下，該結(jié)構(gòu)體可長時間保持附加式的32位信號累加處置原則，并可分多次將已存儲的信號參量傳輸至其他系統(tǒng)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體中，從而解決與電氣化設(shè)備相關(guān)的應(yīng)用控制問題。

1.3 復(fù)雜可編程邏輯器

復(fù)雜可編程邏輯器可在EPM7512AETC144-7型CPLD設(shè)備的作用下實現(xiàn)對D/A轉(zhuǎn)換接口與信號主控接口的粘合處理，借助雙數(shù)字信號處理器解決系統(tǒng)內(nèi)部的電氣應(yīng)用參量高速化編程處理問題。為提高電氣輸出信號的實際應(yīng)用精度值，復(fù)雜可編程邏輯器可同時整合8路并行波形數(shù)據(jù)，并在保持其原始傳輸波形的情況下，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的輸出流量調(diào)節(jié)至最大應(yīng)用水平[5,6]。從譯碼處理的角度來看，復(fù)雜可編程邏輯器在單位控制時間內(nèi)可最多開放10個目標(biāo)地址節(jié)點，且隨著待傳輸數(shù)據(jù)總量的提升，已開放應(yīng)用節(jié)點的實際數(shù)值水平會適當(dāng)降低，直至1 bit數(shù)據(jù)所占據(jù)的信號傳輸空間達(dá)到16 bit。當(dāng)系統(tǒng)中斷器保持連續(xù)運行的情況下，復(fù)雜可編程邏輯器會根據(jù)DSP中斷行為的執(zhí)行方向，讀取與電氣控制指令相關(guān)的按鍵觸發(fā)條件，并在下一個控制周期中去除已中斷的信號參量結(jié)構(gòu)體。

2 基于雙數(shù)字信號處理器的電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在硬件執(zhí)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，按照波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生、雙數(shù)字信號監(jiān)控處置以及上機位控制軟件連接的處理流程搭建系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境，從而實現(xiàn)基于雙數(shù)字信號處理器電氣控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

2.1 波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生算法

波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生是一個相對主觀的雙數(shù)字信號處理環(huán)節(jié)，可按照復(fù)雜可編程邏輯器內(nèi)傳輸信息的實際處理需求建立關(guān)鍵的電氣控制定義表達(dá)式，約束信號主控模塊內(nèi)數(shù)據(jù)信息參量的實際傳輸速率。在雙數(shù)字信號處理器的作用下，波形數(shù)據(jù)的變化形式能夠完全滿足D/A電氣參量的實際合成需求，且隨著系統(tǒng)控制應(yīng)用時間的延長，這些信號參量會在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體中大量堆積，直至達(dá)到系統(tǒng)對雙數(shù)字信號的額定承載極限數(shù)值[7]。假設(shè)在一個完整的電信號控制周期內(nèi)，電氣參量的最大傳輸數(shù)量只能達(dá)到Nmax，且該參數(shù)的實際取值條件始終受到上行波動量λ1與下行波動量λ0的共同作用影響。結(jié)合上述物理量，可將系統(tǒng)內(nèi)的波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生算法F定義為：

式中，代表電氣信號的波動運行均值；k1,k2,…,kn代表n個不同的雙數(shù)字信號節(jié)點參量值；代表節(jié)點信號量的平均數(shù)值。

2.2 雙數(shù)字信號監(jiān)控處置流程

雙數(shù)字信號監(jiān)控處置流程以波形數(shù)據(jù)獲取作為起始應(yīng)用環(huán)節(jié)。在D/A轉(zhuǎn)換電路和信號主控模塊等多個硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體的作用下，它可在調(diào)取復(fù)雜可編程邏輯器內(nèi)已存儲電氣信號參量的同時，實時控制數(shù)據(jù)信號的傳輸均值量，使系統(tǒng)具備更強的實際應(yīng)用價值。假設(shè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)已存儲的電氣信號參量值始終不會發(fā)生改變，且隨著系統(tǒng)控制應(yīng)用時間的延長，信號參量也始終不會傳輸至系統(tǒng)實用環(huán)境外部，始終在內(nèi)部執(zhí)行環(huán)境中保持不斷循環(huán)的傳輸狀態(tài)[8,9]。完成信號的初步傳輸后，復(fù)雜可編程邏輯器內(nèi)的雙數(shù)字信號參量可被完全清空，有效促進了此系統(tǒng)對電氣信號的控制能力，能夠在一定程度上實現(xiàn)對個別信號參量的定向化控制與管理。具體信號監(jiān)控處置流程如圖1所示。

2.3 上機位控制軟件

上機位控制軟件連接是電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的末尾處理環(huán)節(jié)。出于對雙數(shù)字信號處理器調(diào)度能力的考慮，上機位控制軟件的編寫必須建立在Windows XP平臺之上，且需要在C+Builder編程語句的作用下將電氣信號參量的開銷值水平控制在最低應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。尤其是在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體中，隨著上機位控制軟件的應(yīng)用，雙數(shù)字信號的監(jiān)控指令能夠得到更好的協(xié)調(diào)與維護，直至將所有信號參量完全轉(zhuǎn)存至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。由于波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生算法的存在，上機位控制軟件的實際作用范圍受到嚴(yán)格限制，且在一定情況下很難實現(xiàn)對定點電氣參量的實時檢測[10]。為解決此問題，在進行軟件編碼的同時必須同步編譯上機位的頭結(jié)點與尾節(jié)點，當(dāng)中間參量的編碼形式趨于穩(wěn)定后，從而實現(xiàn)上機位控制軟件的連接與應(yīng)用。

圖1 雙數(shù)字信號監(jiān)控處置流程圖

3 系統(tǒng)實用性檢測

為驗證基于雙數(shù)字信號處理器電氣控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值，設(shè)計如下的對比實驗。在既定電氣應(yīng)用平臺中，以兩臺完全相同的信號處理主機作為實驗監(jiān)測對象，其中實驗組主機搭載新型電氣控制系統(tǒng)，對照組主機搭載常規(guī)繼電保護系統(tǒng)?？刂破渌蓴_條件始終保持不變，在相同實驗環(huán)境下記錄兩組SDI指標(biāo)的實際變化情況。已知SDI指標(biāo)能夠反映系統(tǒng)對于個別信號參量的定向化控制與管理能力。通常情況下，SDI指標(biāo)數(shù)值越大，系統(tǒng)所具備的控制與管理能力越強，反之則越弱。實驗組和對照組SDI指標(biāo)數(shù)值的具體變化情況如表1所示。分析表1可知，隨著實驗時間的延長，實驗組SDI指標(biāo)保持先上升再穩(wěn)定的變化趨勢，全局最大值達(dá)到84.0%，且能夠呈現(xiàn)10 min的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)。對照組SDI指標(biāo)在一段時間的穩(wěn)定狀態(tài)后開始不斷下降，全局最大值僅達(dá)到66.3%，與實驗組極值相比下降了17.7%。綜上可知，隨著基于雙數(shù)字信號處理器電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用，SDI指標(biāo)出現(xiàn)了明顯上升的變化趨勢，驗證了系統(tǒng)在個別信號參量定向化控制與管理方面具有較強實用能力的原始猜想。

4 結(jié) 論

與常規(guī)繼電保護系統(tǒng)相比，新型電氣控制系統(tǒng)在個別信號處理方面具有更強的實用處理能力，能夠在提升SDI指標(biāo)數(shù)值的同時避免不良控制對系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)造成的影響，具備較強的實用性。

表1 SDI指標(biāo)數(shù)值對比表