基于Blackfin处理器的继电保护完整解决方案解析

　　1. 高性能的核心组件

　　微机继电保护设备除了拥有传统的继电保护设备基本的测试、保护功能外，还具有强大的数据处理能力、智能和通信能力，其优越性在电力系统实际应用中已经得到充分体现。但这同时对硬件平台也提出了苛刻的要求，特别是作为核心器件的处理器的选择至关重要。当前采用单CPU结构的继电保护装置在应对微机继电保护需求最明显的缺点是容易造成任务之间的冲突，引入等待周期，因而很多方案提出了以DSP为核心处理器的双处理器模式的微机继电保护设计方案，甚至一个DSP用于数据和算法处理、一个MCU用于系统控制、一个MCU用于LCD控制的三处理器解决方案。多处理器设计不仅带来整体BOM成本增加，而且会降低系统可靠性并增大系统设计复杂程度(包括硬件和软件)。

　　本参考设计的核心处理器采用了ADI公司于2009年初推出的针对工业应用优化的Blackfin处理器BF518。BF518继承了ADI公司Blackfin汇聚式处理器的独特优势“基因”，兼具DSP的超强数据处理能力和RISC微处理器用于系统控制的优势。相对于以往异构MCU+DSP方案，BF518能够减少器件数量，节约系统成本，缩小电路板空间并降低功耗。与传统的DSP类似，BF518处理器的每个处理单元都具有高时钟速率和低功耗。同时，就像传统的MCU一样，这些汇聚处理器都采用界面友好的操作系统和编译器。低成本的BF518处理器具有处理仪表级原始实时电力数据采集以及实现继保设备和电网之间通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解决方案。

　　在BF518推出之前，Blackfin处理器的独特优势就在包括继电保护在内的电力系统的多种设备中广泛采样，Blackfin所采用的高性能16/32位嵌入式处理器内核、灵活的高速缓存架构、增强的DMA子系统使系统设计人员能够设计灵活的平台以解决多种面向连接的应用。而BF518内置的以太网10/100 MAC(媒体访问控制)更首次在Blackfin处理器中引入了内置的PTP_TSYNC引擎，实现了硬件支持的IEEE1588时钟同步，与IEEE1588 version2标准完全兼容(通过硬件方式实现才能达到系统时钟精度要求，是数字化变电站的发展趋势)。BF518的这一特性与强大的数字信号处理及控制能力、多种其它外设的结合，使它成为要求苛刻的电力联网应用最具吸引力的选择。在满足新一代继保设备的存储需求方面，BF518的更具明显优势，不仅具有NOR闪存、NAND闪存、铁电存储(FRAM)、SDRAM，还提供了支持Lockbox安全技术的一次性可编程存储器(OTP)。随着IEC61580规范的逐步推行，必将对处理器的处理能力提出更高的要求，包括更高的通信能力、存储能力、智能特性的支持等。该参考设计所有的算法和程序仅占BF518处理器处理能力的30%，为客户进行产品设计中的智能化、各种算法的扩展应用预留了足够的处理性能余量。此外，BF518能够在-40℃～85℃的环境温度下工作，非常适用于继电保护产品的应用环境。

　　该解决方案另外采用的核心器件是两块ADI公司最新推出的高性能同步采样ADC AD7606，可以简化下一代电力监控系统设计，提供16位八通道的采用性能，满足下一代电力线监控系统设计所需的分辨率和性能要求，而其同步采样特性也是高性能电力监测应用所要求的。AD7606可实现90dB的信噪比(SNR)。可选的过采样模式进一步提高了SNR的性能，该参考设计的实际测量表明，通过过采样可以将ADC转换精度提高到19.5位，并增强了抗混叠能力。此外，与同类解决方案相比，AD7606内置了基准电压，仅需很少的去耦电容，因此实现了更高的集成度。用户在采用该参考设计时，可以根据产品的最终成本、性能目标，自由选择AD7606或其它替代器件。

　　图1：基于汇聚式处理器BF518的继电保护方案电路框图。