CN103454492A - 电能计量信号处理器的运算频率控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种电能计量信号处理器的运算频率控制系统与方法，应用于面向电能计量领域的数字信号处理器，该方法首先通过获取系统计数器的指定比特位来得到当前运算步位置，其中该系统计数器用以记录数字信号处理器在开始工作后执行的指令数量；之后将该数字和预设的数字进行比较来确定是否到达指定的运算频率点而决定是否进行更低运算频率的运算，利用此方法，可令该信号处理器方便地实现各个工作频率下滤波器的工作调度，从而利于降低功耗。

Description

电能计量信号处理器的运算频率控制系统与方法

【技术领域】

本发明涉及数字信号处理器的控制系统与方法，特别适用于电能计量领域，方便实现对多路信号的多次降采样运算的运算频率控制系统与方法。

【背景技术】

电能计量表从早期的机械式电能表、计度器数字电能表、液晶简单数字电能表逐渐向智能电表发展。其功能从简单的计量能量逐渐增加，逐步加入了无功计量、有效值测量、基波功率计量、基波有效值测量。在最近的发展趋势中，又增加了继电器状态、外部电磁场等直流、交流信号的测量和监控等。这些对电能计量系统的功能、模拟数字转换电路的个数及性能都提出了更高的要求。

目前电能计量处理核的实现有多种方法：特别定制电路、数字信号处理器、强大的通用微处理器等。特别定制电路的方法可以最大程度的降低单颗芯片的成本，但开发周期相对较长并且灵活性不够。通用微处理器的实现方式比较灵活，但是成本偏高。数字信号处理器的实现方法介于上述两者之间。

传统的数字信号处理器的跳转指令为无条件跳转或者条件跳转，其中条件跳转的输入来自内部通用寄存器或者外部其他存储体。在严格需要按照特定频率的跳转需求时，用户需要通过计数器外设或者软件执行代码的长度计算出频率并设置相应的跳转条件，然后完成不同工作频率间的跳转，这对软件编程提出了相对高的要求。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种电能计量信号处理器的运算频率控制方法，用以解决现有的电能计量信号处理器无法实现对同一信号多重运算频率下进行计算，从而导致功耗较高的问题。

为实现上述目的，实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制系统包括指令存储器、信号处理器及系统计数器，其中指令存储器存储有该电能计量信号处理器的所有控制指令，信号处理器从该指令存储器读取指令，系统计数器用以记录数字信号处理器在开始工作后执行的指令数量，信号处理器首先通过获取系统计数器的指定比特位的值来得到当前运算步位置，其中该系统计数器用以记录信号处理器在开始工作后执行的指令数量；之后信号处理器将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点而决定是否进行更低运算频率的运算。

依据上述主要特征，该电能计量信号处理器的运算频率控制系统还包括一寄存器，信号处理器将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点时，如满足条件则改变一寄存器的值，当寄存器的值一改变，则信号处理器执行对应的程序，更低运算频率的运算，如果不满足条件，则不改变寄存器的值。

为实现上述目的，实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制方法，应用于面向电能计量领域的数字信号处理器，该方法首先通过获取系统计数器的指定比特位的值来得到当前运算步位置，其中该系统计数器用以记录数字信号处理器在开始工作后执行的指令数量；之后将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点而决定是否进行更低运算频率的运算。

依据上述主要特征，信号处理器将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点时，如满足条件则改变一寄存器的值，当寄存器的值一改变，则信号处理器执行对应的程序，更低运算频率的运算，如果不满足条件，则不改变寄存器的值，系统计数器继续进行累加。

依据上述主要特征，信号处理器完成当前运算步之后到进行下一次运算步之前时，先停止程序计数器的单向累加，并同时读取系统计数器的指定比特位来得到当前是否为运算步终点，如果为终点时，将程序计数器复位，再次启动最高频率下的信号处理运算。

依据上述主要特征，该电能计量信号处理器的运算频率控制方法通过设置频次跳转截取指令、条件跳转指令及停止指令实现，其中多频次跳转截取指令包括指令标识,截取位置、截取宽度与比较数据四个部分，其中指令标识的编码组合是预先定义好的，而截取位置、截取宽度与比较数据三个部分都是可编程的，即根据程序的需要进行设置，电能计量信号处理器从指令存储器中读到指令后，如读取到多频次跳转截取指令指令标识的编码组合时，则表示此条指令为多频次跳转截取指令，此时信号处理器依照该指令中截取位置从系统计数器的相应位置获取信息，截取宽表示了周期的个数，比较数据表征了具体第几个周期，信号处理器判断当前运算步是否为比较数据表征的周期的运算步，如果是则将一预定的寄存器的值变为1，否则为0。

与现有技术相比较，本发明免除了用户额外的计算或者配置频率的过程以及设置跳转条件的步骤，用户可以使用很少的指令直接实现不同频率间的相互跳转,这样做的好处是简化了软件编程的难度并且相应的降低了多余操作带来的功耗。

【附表说明】

图1为实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制方法的系统架构图。

图2为实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制方法的流程图。

图3为实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制方法的具体应用示意图。

【具体实施方式】

请参阅图1所示，为实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制方法的系统架构图，实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制方法的系统主要包括指令存储器、信号处理器、系统计数器及一寄存器。其中指令存储器存储有该电能计量信号处理器的所有控制指令，信号处理器从该指令存储器读取指令，系统计数器用以记录数字信号处理器在开始工作后执行的指令数量，信号处理器首先通过获取系统计数器的指定比特位的值来得到当前运算步位置，其中该系统计数器用以记录信号处理器在开始工作后执行的指令数量；之后信号处理器将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点时，如满足条件则改变一寄存器的值，当寄存器的值一改变，则信号处理器执行对应的程序，更低运算频率的运算，如果不满足条件，则不改变寄存器的值，系统计数器继续进行累加。

请参阅图2所示，为实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制方法的流程图，该电能计量信号处理器的运算频率控制方法，应用于面向电能计量领域的数字信号处理器，其首先通过获取系统计数器的指定比特位的值来得到当前运算步位置，其中该系统计数器用以记录数字信号处理器在开始工作后执行的指令数量；之后将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点而决定是否进行更低运算频率的运算。

在具体实施时，信号处理器将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点时，如满足条件则改变一寄存器的值，当寄存器的值一改变，则信号处理器执行对应的程序，更低运算频率的运算，如果不满足条件，则不改变寄存器的值，系统计数器继续进行累加。当信号处理器完成当前运算步之后到进行下一次运算步之前时，先停止程序计数器的单向累加，并同时读取系统计数器的指定比特位来得到当前是否为运算步终点，如果为终点时，将程序计数器复位，再次启动最高频率下的信号处理运算。

以下对实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制方法结合实例进行详细的说明。

在数字信号处理过程中，存在同一个信号数据会在不同的工作频率下进行运算的情况。例如，某一个信号输入在一秒钟内会被做8次累加运算，之后再做1次减法运算，如果加法运算的工作频率为8Hz，而减法运算的工作频率为1Hz，此时则需要进行降频，从而符合运算要求并且可以降低功耗，这里指的降频即为从工作频率从8Hz的加法运算跳转到工作频率为1Hz的减法运算，即在做完第8次加法运算之后需要跳转到1次减法运算的过程，此时降频幅度为8倍。传统的数字信号处理器的跳转指令为无条件跳转或者条件跳转，其中条件跳转的输入来自内部通用寄存器或者外部其他存储体。在严格需要按照特定频率的跳转需求时，用户需要通过计数器外设或者软件执行代码的长度计算出频率并设置相应的跳转条件，然后完成不同工作频率间的跳转，这对软件编程提出了相对高的要求。本发明正是针对此问题提出另一种解决方案。

再者，电能计量信号处理器通常均设有一系统计数器，该系统计数器为16位，该系统计数器根据系统主频进行工作记录数字信号处理器在开始工作后执行的指令数量。该系统计数器每个时钟周期加1，假设系统主频为32768Hz，当系统计数器计数到达32768（即0x8000）时，表示系统运行了1秒钟，即每过1秒钟，系统计数器的第15位都会发生一次翻转，如此可以认为系统计数器的第15位的翻转频率即为1Hz，以此类推，系统计数器的第14位的翻转频率为2Hz，第13位为4Hz，……，本发明正是利用系统计数器各位的翻转频率的不同实现频率跳转的控制。

在具体实现时，本发明通过指令的控制实现频率跳转的控制，具体有多频次跳转截取指令、条件跳转指令及停止指令，具体介绍如下。

其中多频次跳转截取指令格式如下：

该多频次跳转截取指令包括指令标识ARS与CND,截取位置CND_POS、截取宽度CND_WIDTH与比较数据CND_DATA四个部分，其中该指令的宽度达到32位，可支持截取位置为64位任意位置，截取宽度为64位宽，对比数据为16位，即支持最大降频幅度达到65536倍。其中指令标识ARS与CND的编码组合是预先定义好的，比如定义4个比特序列为0101时，表示指令译码屏蔽操作。当信号处理器从指令存储器中读到的此指令的高4位为0101时，表示此条指令为多频次跳转截取指令。其中01代表的是ARS指令大类，01代表的是CND指令小类，CND包含在了ARS指令类型中。另外，该指令的截取位置CND_POS、截取宽度CND_WIDTH与比较数据CND_DATA三个部分都是可编程的，即根据程序的需要进行设置。

电能计量信号处理器从指令存储器中读到指令后，如读取到的指令的高4位为0101时，则表示此条指令为多频次跳转截取指令，此时信号处理器依照该指令中截取位置CND_POS从系统计数器的相应位置获取信息，此信息即为当前的工作频率段，其中截取位置CND_POS表征了频率的大小，比如当截取位置CND_POS为第10位时，表示当前按照32Hz进行统计，因为第10位的翻转频率为32Hz。截取宽度CND_WIDTH表示了周期的个数，即一共有几个这样的频率下的周期，如截取宽度为3时，表示共有8（2的3次方）个32Hz频率下的周期为循环单位，即每8个32Hz频率下周期时间做一次操作。比较数据CND_DATA表征了具体第几个周期，如比较数据CND_DATA为3时，表示比较的是当前运行的是否为第3个32Hz频率下的周期。当把上述信息同时考虑时，这条CND指令做的操作即为：判断当前运算步是否为第8*x+3（x=0,1,2,3……）个以32Hz频率下的周期的运算步。如果是则将一预定的寄存器C的值变为1，否则为0。

另外，该多频次跳转截取指令还与一条件跳转指令配合使用，该条件跳转指令的格式如下：

该条件跳转指令包括指令标识PCC与JPC与跳转地址ADDR_PC二个部分，其中指令标识PCC与JPC的编码组合是预先定义好的，从而以此指令进行判断，跳转地址ADDR_PC表示需要让PC指针指向的地址。

按上面的描述，数字信号处理器根据多频次跳转截取指令修改寄存器C的值，之后依据寄存器C的值判断是否调用该条件跳转指令实现跳转。当寄存器C为1时，数字信号处理器执行该条件跳转指令，将PC指针指向该条件跳转指令的跳转地址ADDR_PC所表示的地址。当寄存器C为0时，该条件跳转指令的执行不改变任何状态，即不进行跳转，此时PC指针加1，即执行下一条指令。

另外，如不不进行跳转，则还涉及到一停止指令，该停止指令的格式如下：

其中该停止指令包括指令标识PCC与STOP与跳转频率FREQ_STOP二个部分，其中指令标识PCC与STOP的编码组合是预先定义好的，从而以此指令进行判断。该停止指令将锁定PC指针不再进行累加操作，直到clk_cntAND FREQ_STOP=FREQ_STOP，即为将系统计数器clk_cnt和FREQ_STOP位置的数据进行了逻辑与操作，并判断操作结果为FREQ_STOP位置的数据时，复位PC指针。当数字信号处理工作时，clk_cnt为系统计数器保持计数。例：FREQ_STOP=12’b000011111111时，表示256个运算步复位一次PC指针。这条指令最大可实现的运算步为4096，如果需要增加其可表征的运算步长度，需要重新修改FREQ_STOP的译码方式。

以下结合例子对其工作方式进行说明，还是以上述的是8次加法运算和1次减法运算为例说明：

（1）首先数字信号处理器首先执行1次加法，之后数字信号处理器判断当前是否到达了需要8倍降频的运算步（即第8次加法），在第1次加法的时候，显然不需要执行减法，此时数字信号处理器将寄存器C的值变为0。

（2）当执行到第8次加法时，需要执行1次减法，数字信号处理器将寄存器C的值变为1。

（3）之后数字信号处理器执行条件跳转指令（JPC指令），当寄存器C的值为0时，做第4步操作，当寄存器C的值为1时，跳转到JPC指令跳转地址ADDR_PC指示的位置，做第5步操作。

（4）执行停止指令（STOP指令），当前执行周期没有到达8Hz时，继续执行4，否则执行1。

（5）执行一次减法运算，然后做第4步操作。

请参阅图3所示，为实施本发明的电能计量信号处理器的运算频率控制方法的具体应用示意图，信号处理器读取到多频次跳转截取指令后，则此指令设置的条件读取系统计数器相应位置的数据，并且不断与该多频次跳转截取指令中设置的条件进行比较，如满足条件则改变寄存器的值，当寄存器的值一改变，则信号处理器立即调用条件跳转指令，并根据条件跳转指令中的跳转地址ADDR_PC跳到相应的地址执行对应的程序，如果不满足条件，则不必改变寄存器的值，此时系统计数器继续进行累加，而信号处理器则判断系统计数器的值是否与跳转频率FREQ_STOP相等，如相等则复位PC指针，从而进行下一轮的计数与比较过程。

信号处理器判断系统计数器的值是否与跳转频率FREQ_STOP相等时，处理器判断的是当前是否计数到达了某一个频率的尾端，需要重新开始下一个频率的开始并执行相应的代码。如前文所述，某一个比特位的翻转频率代表了某一种工作频率，那么当这个比特位翻转之前的那个计数值出现的时候，即表征了该频率的分界点。例：0x1ff表示了第一个512个时钟周期（32Hz）的结束，0x3ff表示了第二个512个时钟周期的结束，以此类推。由此可发现每个32Hz周期的结束的特征为系统计数器的低9位为0x1ff。那么STOP指令的FREQ_STOP位置填入的数据即为0x1ff，信号处理器判断时只要简单的将系统计数器的低9位取出来和0x1ff进行比较即可。提取低9位的操作理论上是系统计数器和0x1ff做逻辑与操作，而FREQ_STOP正好为这个数值，所以才通过clk_cnt AND FREQ_STOP==FREQ_STOP公式进行判断。

与现有技术相比较，本发明免除了用户额外的计算或者配置频率的过程以及设置跳转条件的步骤，用户可以使用很少的指令直接实现不同频率间的相互跳转,这样做的好处是简化了软件编程的难度并且相应的降低了多余操作带来的功耗。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种电能计量信号处理器的运算频率控制系统，其特征在于该系统包括指令存储器、信号处理器及系统计数器，其中指令存储器存储有该电能计量信号处理器的所有控制指令，信号处理器从该指令存储器读取指令，系统计数器用以记录数字信号处理器在开始工作后执行的指令数量，信号处理器首先通过获取系统计数器的指定比特位的值来得到当前运算步位置，其中该系统计数器用以记录信号处理器在开始工作后执行的指令数量；之后信号处理器将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点而决定是否进行更低运算频率的运算。

2.如权利要求1所述的电能计量信号处理器的运算频率控制系统，其特征在于：该电能计量信号处理器的运算频率控制系统还包括一寄存器，信号处理器将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点时，如满足条件则改变一寄存器的值，当寄存器的值一改变，则信号处理器执行对应的程序，更低运算频率的运算，如果不满足条件，则不改变寄存器的值。

3.一种电能计量信号处理器的运算频率控制方法，应用于面向电能计量领域的数字信号处理器，其特征在于：该方法首先通过获取系统计数器的指定比特位的值来得到当前运算步位置，其中该系统计数器用以记录数字信号处理器在开始工作后执行的指令数量；之后将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点而决定是否进行更低运算频率的运算。

4.如权利要求3所述的电能计量信号处理器的运算频率控制方法，其特征在于：信号处理器将该指定比特位的值和一预设值进行比较来确定是否到达指定的运算频率点时，如满足条件则改变一寄存器的值，当寄存器的值一改变，则信号处理器执行对应的程序，更低运算频率的运算，如果不满足条件，则不改变寄存器的值，系统计数器继续进行累加。

5.如权利要求4所述的电能计量信号处理器的运算频率控制方法，其特征在于：信号处理器完成当前运算步之后到进行下一次运算步之前时，先停止程序计数器的单向累加，并同时读取系统计数器的指定比特位来得到当前是否为运算步终点，如果为终点时，将程序计数器复位，再次启动最高频率下的信号处理运算。

6.如权利要求5所述的电能计量信号处理器的运算频率控制方法，其特征在于：该电能计量信号处理器的运算频率控制方法通过设置频次跳转截取指令、条件跳转指令及停止指令实现，其中多频次跳转截取指令包括指令标识,截取位置、截取宽度与比较数据四个部分，其中指令标识的编码组合是预先定义好的，而截取位置、截取宽度与比较数据三个部分都是可编程的，即根据程序的需要进行设置，电能计量信号处理器从指令存储器中读到指令后，如读取到多频次跳转截取指令指令标识的编码组合时，则表示此条指令为多频次跳转截取指令，此时信号处理器依照该指令中截取位置从系统计数器的相应位置获取信息，截取宽表示了周期的个数，比较数据表征了具体第几个周期，信号处理器判断当前运算步是否为比较数据表征的周期的运算步，如果是则将一预定的寄存器的值变为1，否则为0。

7.如权利要求6所述的电能计量信号处理器的运算频率控制方法，其特征在于：该条件跳转指令包括指令标识与跳转地址二个部分，其中指令标识的编码组合是预先定义好的，从而以此指令进行判断，跳转地址表示需要让PC指针指向的地址，数字信号处理器根据多频次跳转截取指令修改寄存器的值，之后依据寄存器的值判断是否调用该条件跳转指令实现跳转当寄存器为1时，数字信号处理器执行该条件跳转指令，将PC指针指向该条件跳转指令的跳转地址所表示的地址，当寄存器C为0时，该条件跳转指令的执行不改变任何状态，此时PC指针加1，即执行下一条指令。

8.如权利要求7所述的电能计量信号处理器的运算频率控制方法，其特征在于：该停止指令包括指令标识与跳转频率二个部分，其中指令标识的编码组合是预先定义好的，信号处理器将系统计数器的值和跳转频率进行了逻辑与操作，并判断操作结果为跳转频率时，复位PC指针。

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