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嵌入式DSP在监控中的应用与研究
摘要：分析了嵌入式系统的硬件技术和软件技术，介绍了嵌入式DSP的特点和功能，以及在电力系统监控中的应用，包括监控和信号采集两部分。分析了嵌入式系统的特点和发展方向，对其提出了新的要求。
关键词: 电力系统；嵌入式系统；DSP技术；
1 引言
随着各个应用领域对智能设备的需求迅速增长，嵌入式系统的开发也逐渐成为软硬件领域的研究热点，嵌入式的应用也越来越广泛。例如：洗衣机、电视机、汽车、数码相机，等等。近年来，嵌入式系统的发展呈现出几个特点。在硬件领域，SOC和SOPC技术发展迅速，两大FPGA厂商都推出了自己内含CPU及其外围电路的FPGA，与此相应的IP包技术也发展迅速；其次，嵌入式软件的开发工具和操作系统也日趋完善。另外，嵌入式系统的应用领域不断扩展，尤其是消费电子领域的扩张有力地推进了嵌入式系统的发展。
嵌入式技术在电力系统中也有广泛的应用，例如：电力系统监控，电力谐波分析，数据采集，仪表检测等。其中较为典型的是电力系统监控和电能量采集。本文分析了嵌入式DSP在电能量采集和电力系统监控两方面的应用，随着嵌入式系统的研究深度和广度不断增加，在电力系统方面的应用也会越来越广。
2 嵌入式技术的硬件技术
嵌入式系统是一种将嵌入了软件的计算机硬件作为其最重要的一部分的系统。它是一种专用于某个应用或者产品的基于计算机的系统。它可以是一个独立的系统，也可以是更大系统的一部分。由于其软件通常嵌入在ROM中，因此并不像计算机一样需要辅助存储器。一个嵌入式系统主要有三部分：
（1）硬件。
（2）主应用软件。
（3）实时操作系统。用来管理应用软件，并提供一种机制，使处理器在一次进程调度时运行一个进程，并在各个任务之间进行切换。
嵌入式处理器可分为嵌入式微控制器，嵌入式DSP处理器，嵌入式微处理器，嵌入式片上系统及其他一些硬件单元。嵌入式系统的外围设备是根据具体的设计要求而定，一般有LCD和LED显示，微型键盘，打印机，串口等。
目前许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了芯片的数量，增强了系统的功能。设计人员首先考虑的是系统所要求的一些硬件能否无须过多的胶合逻辑就可以连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片，如DMA控制器、内存管理器、中断控制器、串行设备和时钟等的配套。 图1中给出了嵌入式系统硬件中的组成单元。
3 嵌入式技术的软件设计
软件设计是嵌入式系统的核心，嵌入式软件开发的复杂性非常高，当在一个复杂应用中存在对多个设备的处理和服务，并且要对具有实时约束的多个任务进行处理和服务时，RTOS是必不可少的。它有高效的多任务优先级管理，微秒级的中断处理，有利于工业控制效率的提高。支持多处理器并行处理及任务间通信，引导方式灵活。嵌入式软件设计主要包括4个层次：
（1） 体系结构的设计。如何组织不同的元素——数据结构、数据库、算法、控制函数过程数据和程序流。
（2） 数据设计。看什么是最适合给定问题的数据结构和数据库的设计，将数据组织成树型结构是否合适等。
（3） 接口设计。如何从数据对象、数据结构 和数据库处得到输入以及传递输出的借口如何设计。
（4） 组件级设计。在嵌入式系统的设计中存在一个额外的需求，即每个组件都应该针对存储器的使用和开销进行优化。
4 嵌入式DSP在电力系统监控中的应用
正如微处理器是计算系统的一个最基本单元一样，数字信号处理器(DSP)在需要进行信号处理应用的嵌入式系统中也是一个基本单元。这些应用包括图像处理、多媒体、音频、视频、HDTV、DSP调制解调器和无线电通信处理系统。DSP提供，了快速的、离散时间的信号处理指令。它具有超长指令字处理功能，能够快速处理但指令多数据指令；能够快速处理离散余弦变换（DCT）和反离散余弦（IDCT）变换。对于信号分析、编码、过滤、噪声消除、回音消除、压缩和解压缩等算法的快速执行来说DCT和IDCT是必备的。数字信号处理器（DSP）的内核结构如图2所示。
4．1 嵌入式DSP在电力系统监控中的应用
电力设备的状态检测是保证电力系统正常运行、实现控制调度的基础。电力系统的监控都是各级调度中心向设备终端发送控制命令并从设备终端获取状态数据和运行数据。这些控制命令和数据的实时性要求与具体应用有关,通过具有优先级的通信来控制。嵌入式技术性能好，符合电力系统在线监控设备的要求。嵌入式系统在功能上可分为在线监控和数据处理两部分。在线监控部分负责监听端口，认证远端的客户用户并负责监测系统状态，负责上位机控制信息的输入和嵌入式设备数据向上位机的输出。数据处理部分包括信号采集、实时监控，以及对设备状态的LCD显示、打印、键盘等外部设备的支持。在调度控制中心，运行人员得到的信息都是由远方的RTU采集并传送过来，它们只需要完成数据的采样、再经过一定的滤波算法得到所需的形式并通过特定的RTU通信规约传走即可。嵌入式监控系统硬件系统构成如图3所示。
4．2 嵌入式DSP在信号采集中的应用
信号采集系统是电力运营管理部门进行用电分析、统计网损以及进行电费核算和制定发、售电计划的主要依据。我国正逐步进行电力市场化改革，电力商业化运营对发电厂运行和调度水平提出了更高的要求，因此，传统的计量方式已经不能满足商业化运营的要求，嵌入式系统在信号采集中的应用不仅可以实现发电厂电能量数据的自动远传，还可以检测发电厂的负荷曲线，而且智能化程度高，有良好的抗干扰能力。
在信号采集终端RTU采用嵌入式CPU和嵌入式实时多任务RTOS构成完整的嵌入式系统，在RTOS的基础上结合嵌入式Web服务器技术，可实现实时、动态的交互查询功能。总线式的设计，可较为方便的对接口进行扩充，以电子盘为存储介质，可确保掉电后数据的不丢失。信号采集系统采用功能模块插件式结构，主要由接口模块、RS-485采集模块、主控模块、远程通信模块（Modem）等组成，各模块之间通过主控模块进行连接和管理。采集装置采用定时启动抄表任务的方式，也可使用远程控制方式，通过RS-485总线读取智能型电表内存储的电能量信息，分时段存储在采集装置内的事件信息。
5 总结
嵌入式系统在电力系统监控中用于实现数据的采集、预处理和通信等功能来实现远程控制。目前，电力系统微机监控设计主要采用两种平台：专用的结构平台和通用的工控平台。专用的结构平台针对性强，整体性能和可靠性较好，但是在通用性和可扩充方面有一定的局限性。工控平台虽然有较好的扩充性但由于其采用通用结构，使系统有较多的冗余，降低了系统的可靠性。目前有的公司开发出了适合电力系统的工控机平台，系统采用模块化的插件结构，目前在以新监控方面已经开始应用。
电力系统是一个复杂的非线性系统，保证电力系统高度的可靠性、提高运行性能、灵活应用和便于扩展是嵌入式系统应用和设计的关键。随着嵌入式技术的不断发展，要求其实时性更强，可靠性更高，而且有良好的可扩展性，使其在各个方面的应用更加广泛。
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