基于μC／OS-II的電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

1 引言

電力參數(shù)的測(cè)量與監(jiān)控對(duì)于電能管理的科學(xué)化水平有著至關(guān)重要的影響，于是研制了各種電力監(jiān)測(cè)儀器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微型機(jī)、單片機(jī)以及DSP處理器的處理速度大大提高，為電力參數(shù)測(cè)量方法提供了有利的硬件支持Ⅲ。因此，提出了一種基于DSP嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的電力參數(shù)測(cè)量?jī)x器及硬、軟件設(shè)計(jì)方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

電力參數(shù)測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)的硬件部分是以TI公司的TMS320LF2407A為核心，其軟件部分是以μC/OS-II為執(zhí)行軟件，在此基礎(chǔ)上開(kāi)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，給出了比較完整的外設(shè)擴(kuò)展，包括電源電路、監(jiān)控電路、時(shí)鐘電路、JTAG端口電路、模擬量輸入電路、頻率采集電路及通訊電路等，同時(shí)該系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)時(shí)間顯示和看門(mén)狗功能，且可通過(guò)RS232或CAN總線與外部(微機(jī))通信，其原理框圖如圖1所示。

一般情況下，根據(jù)系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能、處理速度和存儲(chǔ)器尋址能力選擇合適的處理器及外圍器件。由于系統(tǒng)涉及信號(hào)處理和數(shù)學(xué)計(jì)算，因此選擇定點(diǎn)的 DSP作為處理器，根據(jù)所選的處理器確定所需的外部設(shè)備。包括定態(tài)RAM，E一PROM，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指示和應(yīng)用的專(zhuān)門(mén)硬件電路。

系統(tǒng)中選用了TI公司的TMS320LF2470A DSP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 MI/s，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中，TMS320LF2407A無(wú)論內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍控制接口，都具有優(yōu)異性能，考慮到該型號(hào)的DSP內(nèi)部集成有A/D轉(zhuǎn)換器，CAN模塊，高達(dá)32 K的Flash程序存儲(chǔ)器。應(yīng)用這些資源可大大簡(jiǎn)化該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并且其高速處理特性可實(shí)現(xiàn)很多先進(jìn)的控制算法。

2.2 信號(hào)預(yù)處理電路

交流模擬量輸入電路由隔離電路和調(diào)理電路組成，隔離電路的作用是將交流電壓或電流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，并把這些信號(hào)送給模擬量調(diào)理電路。由于 TMS320LF2407A的模擬電壓輸入范圍為O～3.3 V，因此應(yīng)首先通過(guò)傳感器或運(yùn)算放大器將測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換至合適的電壓范圍，同時(shí)在模擬電壓進(jìn)入DSP之前設(shè)計(jì)合理的電壓跟隨器，使電壓增益趨近于1。

2.3 電力參數(shù)測(cè)量算法

通常需監(jiān)測(cè)的電力參數(shù)包括電壓、電流、頻率、有功功率等。對(duì)于電壓、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。對(duì)于頻率參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法采用DSP中的捕獲單元來(lái)監(jiān)測(cè)。

電壓電流的直流采樣法，是指采集經(jīng)整流后的直流量。采用直流采樣算法測(cè)量電壓、電流時(shí)，均是通過(guò)測(cè)量平均絕對(duì)值來(lái)測(cè)量電參量有效值。此方法軟件設(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。通常，采樣點(diǎn)數(shù)的選擇和采樣頻率的選擇很重要。如果采樣頻率選擇過(guò)高，即采樣間隔小，則一個(gè)周期里采樣點(diǎn)數(shù)過(guò)多，造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量過(guò)大和計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)：但如果采樣頻率過(guò)低，F(xiàn)FT運(yùn)算在頻域?qū)?huì)出現(xiàn)混淆現(xiàn)象，造成頻譜失真，使之不能真實(shí)反映原來(lái)的信號(hào)。

電力參數(shù)的頻率測(cè)量方法采用過(guò)零比較器產(chǎn)生方波，然后利用DSP中的捕獲單元CAP，捕獲上升沿或下降沿，通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)算頻率。 TMS320LF2407A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CAPl、CAP2和CAP3，可以選擇通用定時(shí)器l或2作為其時(shí)基，然而CAPl和CAP2一定要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基。對(duì)于EVB模塊，與它相關(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作為其時(shí)基，然而CAP4和CAP5也一定要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基。在捕獲單元使能后，輸入引腳上的指令跳變，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。與此同時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位被置位，如果該中斷標(biāo)志沒(méi)有被屏蔽，則外設(shè)中斷將產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。

每當(dāng)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(CAPFIFOx)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(guò)以上方法計(jì)算頻率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為執(zhí)行軟件和應(yīng)用軟件，執(zhí)行軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II。μC/OS-II是一種源碼公開(kāi)、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)，并且已經(jīng)通過(guò)了聯(lián)邦航空局(FAA)商用航行器認(rèn)證，符合RTCA(航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì))D0一l78B標(biāo)準(zhǔn)(該標(biāo)準(zhǔn)是為航空電子設(shè)備所使用軟件的性能要求而制定的)。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(guò)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。同時(shí)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，該軟件具有較好的可擴(kuò)展性，因此選擇μC/OS—II作為系統(tǒng)執(zhí)行軟件。

將系統(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，并分配不同的任務(wù)優(yōu)先級(jí)。

當(dāng)確定μC/OS—II中的任務(wù)，并給任務(wù)賦予優(yōu)先級(jí)，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，具體由哪個(gè)任務(wù)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/0S—II中的OSSched()函數(shù)來(lái)完成。系統(tǒng)中，時(shí)間片的產(chǎn)生，通訊接收中斷，A/D轉(zhuǎn)換器采集中斷都是屬中斷級(jí)調(diào)度，其余的任務(wù)均屬任務(wù)級(jí)調(diào)度。

μC/OS—II的任務(wù)調(diào)度機(jī)制：屬于基于優(yōu)先級(jí)的占先式任務(wù)調(diào)度算法，系統(tǒng)中的任務(wù)都有一個(gè)固定的優(yōu)先級(jí)，在任意時(shí)刻內(nèi)核總是將CPU的控制權(quán)分配給就緒狀態(tài)的最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，如果系統(tǒng)內(nèi)核在某刻發(fā)現(xiàn)有比當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)處于就緒狀態(tài)，內(nèi)核立即保存上下文，并切換到優(yōu)先級(jí)更高任務(wù)的上下文執(zhí)行。[!--empirenews.page--]

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，現(xiàn)在關(guān)于μC/OS—II移植到該處理器的源代碼較多，此處不作分析，只將移植時(shí)需用戶自己編寫(xiě)幾個(gè)函數(shù)列出：①編寫(xiě)OS_CPU_A.ASM;包括4個(gè)子程序 _OSStartHighRdy();_OSCtrxSw();_OSIntCtxsw()和0STickISR();這需對(duì)處理器的寄存器進(jìn)行操作，所以必須用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。②編寫(xiě)0S_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)堆棧初始化。③編寫(xiě)OS_CPU.H;包括了用#define定義的與處理器相關(guān)的常量、宏和類(lèi)型定義。有系統(tǒng)數(shù)據(jù)類(lèi)型定義，棧增長(zhǎng)方向定義，關(guān)中斷和開(kāi)中斷定義，系統(tǒng)軟中斷的定義等等。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一Ⅱ后，就可添加相應(yīng)的應(yīng)用任務(wù)子程序，然后逐個(gè)任務(wù)調(diào)試，最后完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

4 應(yīng)用

系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中除了實(shí)時(shí)獲得和顯示操作系統(tǒng)的電力參數(shù)以外，可實(shí)現(xiàn)必要的保護(hù)功能。例如在實(shí)現(xiàn)電力線路微機(jī)保護(hù)中，評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能好壞很重要的一項(xiàng)指標(biāo)就是跳閘出口時(shí)間，即從故障發(fā)生時(shí)刻到裝置動(dòng)作輸出跳閘信號(hào)所用的時(shí)間。下面以過(guò)電壓保護(hù)為例分析采用μC/OS—II的保護(hù)裝置對(duì)故障的響應(yīng)速度。

對(duì)于速斷保護(hù)，跳閘出口時(shí)間一般包括等待A/D采樣中斷時(shí)間、A/D采樣時(shí)間、等待保護(hù)中斷時(shí)間、保護(hù)任務(wù)運(yùn)行時(shí)間及保護(hù)繼電器動(dòng)作時(shí)間。其中繼電器動(dòng)作時(shí)間和等待保護(hù)中斷時(shí)間占整個(gè)響應(yīng)時(shí)間的90%，其他幾個(gè)時(shí)間可以忽略。在保護(hù)裝置中采用的繼電器動(dòng)作時(shí)間約為10 ms，等待保護(hù)任務(wù)需5 ms，故理論上講出口時(shí)間為15 ms，表1為實(shí)際測(cè)量中得到的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明2類(lèi)數(shù)據(jù)基本相符。

5 結(jié)語(yǔ)

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)性高，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性好，易于在類(lèi)似的工業(yè)及民用的測(cè)控系統(tǒng)使用。