基于DSP和μC/OS-II的電力參數(shù)智能監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

林 輝，劉 軍

（1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安710014；2.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，西安710600）

電力參數(shù)的測(cè)量與監(jiān)控對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和管理自動(dòng)化有著重要的影響。本文介紹一種基于DSP的嵌入式系統(tǒng)的電力參數(shù)測(cè)量?jī)x器的硬件和軟件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直觀準(zhǔn)確地反映電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

該電力參數(shù)測(cè)量?jī)x是在由DSP硬件和μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合的平臺(tái)上開發(fā)的。采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II和DSP相結(jié)合的開發(fā)平臺(tái)，不僅具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，而且系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性也得到一定的提高。DSP硬件采用TI公司的TMS320LF2407A作為為核心，軟件是以μC/OS-II為執(zhí)行軟件[1-2]。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種具有電力參數(shù)測(cè)量、顯示和通訊功能的智能化檢測(cè)儀。本文給出了比較完整的外設(shè)擴(kuò)展，包括電源供電、監(jiān)控電路、時(shí)鐘電路，模擬量輸入電路等接口設(shè)計(jì)和頻率采集電路及其通訊電路等。該系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)時(shí)間顯示和看門狗功能，且可以通過RS232總線與外部(微機(jī)) 通信，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 基于μC/OS-II的電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀原理框圖

本系統(tǒng)中，考慮到多信號(hào)采集處理和功率計(jì)算等需求，選擇DSP 作為核心處理器，同時(shí)配置必需的外設(shè)電路。主要包括RAM、EPROM、閃存、串行和并行通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、狀態(tài)LED指示及其硬件電路等[3]。

在本檢測(cè)系統(tǒng)中， DSP芯片TMS320LF2407A作為主控制器，它是TMS320LF2407的增強(qiáng)型。其內(nèi)部總線采用哈佛結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度為40 MIPS，絕大部分指令可以在單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。在TI 的240X系列的DSP控制芯片中，TMS320LF2407A在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍控制接口上都達(dá)到了很好的水平，該型號(hào)的DSP芯片內(nèi)部還集成有ADC模塊、CAN模塊、32 K的FLASH程序存儲(chǔ)器，并且它的高速處理特性可以使得很多先進(jìn)的控制算法得以實(shí)現(xiàn)，這樣就可以簡(jiǎn)化整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，軟件功能模塊設(shè)置如圖2。

圖2 電力參數(shù)智能檢測(cè)儀軟件功能模塊設(shè)置

1.2 信號(hào)預(yù)處理電路

電力參數(shù)交流模擬量輸入電路包括隔離電路和調(diào)理電路兩部分。隔離電路的作用是將高電壓交流電壓轉(zhuǎn)換為可直接測(cè)量的較低電壓，同時(shí)避免電網(wǎng)干擾對(duì)后續(xù)測(cè)量電路的沖擊和影響。調(diào)理電路是把隔離電路的輸出電壓調(diào)理到AD采集所允許的范圍內(nèi)。本系統(tǒng)采用的TMS320LF2407A模擬電壓輸入范圍為0 V～3.3 V，因此應(yīng)首先通過調(diào)理電路將測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換至該電壓范圍內(nèi)，同時(shí)在模擬電壓進(jìn)入DSP之前增設(shè)電壓跟隨器，使電壓增益趨近于1，以提高帶負(fù)載能力。

1.3 電力參數(shù)測(cè)量算法

電力系統(tǒng)通常需監(jiān)測(cè)電力參數(shù)包括電壓、電流、頻率、有功功率等。電壓、電流參數(shù)的測(cè)量常用的方法有直流采樣法和交流采樣法。采用直流采樣算法測(cè)量電壓、電流時(shí)，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，對(duì)采樣值只需作比例變換即可得到被測(cè)量的數(shù)值。直流采樣法的缺點(diǎn)是：測(cè)量準(zhǔn)確度直接受整流電路的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響，整流電路參數(shù)調(diào)整困難，而且受波形因數(shù)的影響較大等。交流采樣法是按一定規(guī)律對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，用一定的數(shù)值算法求得被測(cè)量。它與直流采樣的差別是用軟件功能代替硬件功能。是否采用交流采樣取決于兩個(gè)條件：測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量速度。交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、非整周期采樣法和非同步采樣法等。采樣點(diǎn)數(shù)的選擇和采樣頻率的選擇很重要。如果采樣頻率選擇得過高，即采樣間隔小，則一個(gè)周期里采樣點(diǎn)數(shù)過多，將造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量過大和計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)；但如果采樣頻率過低，F(xiàn)FT 運(yùn)算在頻域會(huì)出現(xiàn)混淆現(xiàn)象，造成頻譜失真，不能真實(shí)反映原來的信號(hào)。

頻率參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法可用DSP的多周期捕獲單元來監(jiān)測(cè)。具體方法是采用過零比較器產(chǎn)生方波，利用DSP中的捕獲單元CAP，捕獲上升沿或下降沿，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)來計(jì)算頻率。TMS320-LF2407A的事件管理器共有6個(gè)捕獲單元。對(duì)于EVA模塊，與它相關(guān)的捕獲單元引腳有3個(gè)，分別是CAP1、CAP2和CAP3，可以選擇通用定時(shí)器1或2作為它們的時(shí)基，然而CAP1和CAP2一定要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基。與EVB模塊相關(guān)的捕獲單元引腳也有3個(gè)，分別為CAP4、CAP5和CAP6，可以選擇通用定時(shí)器3或4作為它們的時(shí)基， CAP4和CAP5也要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基。在捕獲單元使能后，輸入引腳上的指定跳變將所選通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值裝入到相應(yīng)的FIFO堆棧。相應(yīng)的中斷標(biāo)志位被置位，如該中斷標(biāo)志沒有被屏蔽，外設(shè)中斷將產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。

將捕獲到的新計(jì)數(shù)值存入到FIFO堆棧時(shí)，捕獲FIFO狀態(tài)寄存器（CAP FIFOx）的相應(yīng)位就進(jìn)行調(diào)整以反映FIFO堆棧新的狀態(tài)。從捕獲單元輸入引腳處發(fā)生跳變到所選通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值被鎖存之間的延時(shí)需要2個(gè)CPU時(shí)鐘周期。通過以上方法可計(jì)算出頻率。

2 軟件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)儀器的系統(tǒng)軟件編制采用μC/OS-II操作系統(tǒng)。 μC/OS-II是一種源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，符合RTCA（航空無線電技術(shù)委員會(huì)）DO-178B標(biāo)準(zhǔn)（該標(biāo)準(zhǔn)為航空電子設(shè)備所使用軟件的性能要求而制定的）[4]。由于μC/OS-II采用多任務(wù)機(jī)制，采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法完成任務(wù)間的調(diào)度，并支持搶占式調(diào)度，通過任務(wù)調(diào)度和任務(wù)監(jiān)視，系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性和安全性，μC/OS-II具有可裁減的體系結(jié)構(gòu)，并具有內(nèi)存管理、中斷管理和任務(wù)控制塊（TCB）擴(kuò)展的功能，有較好的可擴(kuò)展性。

系統(tǒng)任務(wù)分為模擬量采集任務(wù)、電力參數(shù)計(jì)算任務(wù)、通訊任務(wù)和顯示任務(wù)等，并對(duì)任務(wù)分配不同的任務(wù)優(yōu)先級(jí)。當(dāng)確定了任務(wù)后，系統(tǒng)即可按照μC/OS-II的調(diào)度機(jī)理進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，具體任務(wù)分配工作是由調(diào)度器（scheduler）完成。任務(wù)調(diào)度分為中斷級(jí)調(diào)度和任務(wù)級(jí)調(diào)度，中斷級(jí)調(diào)度由μC/OS-II中的OSIntExt（）函數(shù)完成；任務(wù)級(jí)調(diào)度由μC/OS-II中的OSSched（）函數(shù)來完成。本系統(tǒng)中，時(shí)間片段的產(chǎn)生、通訊接收中斷、ADC采集中斷都屬中斷級(jí)調(diào)度，其余任務(wù)均屬任務(wù)級(jí)調(diào)度。

在實(shí)際應(yīng)用中，首先將實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II移植到TMS320LF2407A中。主程序采用C語言編寫，主程序流程圖如圖3。

圖3 主程序流程示意圖

關(guān)于μC/OS-II移植到該處理器上的源代碼較多，具體可參照相關(guān)文獻(xiàn)資料[5]，此處不對(duì)移植程序代碼詳細(xì)分析，只將移植時(shí)需用戶自己編寫幾個(gè)函數(shù)如下：（1）編寫OS_CPU_A.ASM； 包括4個(gè)子程序_OSStartHighRdy（）；_OSCtrxSw（）；_OSIntCtxsw（）和OSTickISR（）；這部分需要對(duì)處理器的寄存器進(jìn)行操作，所以必須用匯編語言編寫。（2）編寫OS_CPU_C.C；本文件僅包括OSTaskStkInit（）子程序，該函數(shù)模仿TI公司的I$$SAVE庫(kù)函數(shù)對(duì)任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化。（3）編寫OS_CPU.H；包括用#define定義的與處理器相關(guān)的常量、宏和類型定義。有系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型定義、棧增長(zhǎng)方向定義，關(guān)中斷和開中斷定義、系統(tǒng)軟中斷的定義等。（4）按需配置OS_CFG.H，按需修改CPU中斷向量表和外設(shè)向量表。

在成功移植μC/OS-II，就可添加相應(yīng)的應(yīng)用任務(wù)子程序，逐個(gè)任務(wù)調(diào)試，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)是基于實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II設(shè)計(jì)的電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、通訊等方面，具有實(shí)時(shí)性好、系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，易于在類似的工業(yè)用以及民用的測(cè)控系統(tǒng)中推廣使用。

[1] TMS320LF2407,TMS320LF2406, TMS320LF2402 DSP Controllers[R] . SPRS094H,Texas Instruments, 2002.

[2] 劉和平，嚴(yán)利平. TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M] . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[3] 張雄偉，陳亮. DSP集成開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例[M] . 北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[4] LABROSSE J J. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II [M] . 邵貝貝. 2版. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[5] 陳是知. μC/OS-II系統(tǒng)內(nèi)核分析、移植與驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)[M] . 北京：人民郵電出版社，2008.