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1 引言 電力參數的測量與監控對于電能管理的科學(xué)化水平有著(zhù)至關(guān)重要的影響，于是研制了各種電力監測儀器。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，微型機、單片機以及DSP處理器的處理速度大大提高，為電力參數測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)操作系統的電力參數測量?jì)x器及硬、軟件設計方案。 2 系統硬件設計 2．1 系統硬件架構 電力參數測量?jì)x器系統的硬件部分是以TI公司的TMS320LF2407A為核心，其軟件部分是以μC／OS-II為執行軟件，在此基礎上開(kāi)發(fā)了一種具有電力參數測量、顯示和通訊功能的智能化檢測儀，給出了比較完整的外設擴展，包括電源電路、監控電路、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(xiàn)與外部(微機)通信，其原理框圖如圖1所示。 一般情況下，根據系統所需實(shí)現的功能、處理速度和存儲器尋址能力選擇合適的處理器及外圍器件。由于系統涉及信號處理和數學(xué)計算，因此選擇定點(diǎn)的DSP作為處理器，根據所選的處理器確定所需的外部設備。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／計數器，狀態(tài)LED指示和應用的專(zhuān)門(mén)硬件電路。 系統中選用了TI公司的TMS320LF2470A DSP作為主控制器，它是TMS320LF2407的增強型，其內部總線(xiàn)采用哈佛結構，指令執行速度為40 MI／s，絕大部分指令可以在單周期內執行完畢。在TI的240x系列的DSP中，TMS320LF2407A無(wú)論內部結構和外圍控制接口，都具有優(yōu)異性能，考慮到該型號的DSP內部集成有A／D轉換器，CAN模塊，高達32 K的Flash程序存儲器。應用這些資源可大大簡(jiǎn)化該系統的硬件結構，并且其高速處理特性可實(shí)現很多先進(jìn)的控制算法。 2．2 信號預處理電路 交流模擬量輸入電路由隔離電路和調理電路組成，隔離電路的作用是將交流電壓或電流轉換為直流信號，并把這些信號送給模擬量調理電路。由于TMS320LF2407A的模擬電壓輸入范圍為O～3.3 V，因此應首先通過(guò)傳感器或運算放大器將測量電壓轉換至合適的電壓范圍，同時(shí)在模擬電壓進(jìn)入DSP之前設計合理的電壓跟隨器，使電壓增益趨近于1。 2．3 電力參數測量算法 通常需監測的電力參數包括電壓、電流、頻率、有功功率等。對于電壓、電流參數的測量，常用的方法有直流采樣法和交流采樣法。對于頻率參數的監測方法采用DSP中的捕獲單元來(lái)監測。 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量電壓、電流時(shí)，均是通過(guò)測量平均絕對值來(lái)測量電參量有效值。此方法軟件設計簡(jiǎn)單，計算方便，對采樣值只需作比例變換即可得到被測量的數值。直流采樣法的缺點(diǎn)是：測量準確度直接受整流電路的準確度和穩定性的影響；整流電路參數調整困難，而且受波形因數的影響較大等。交流采樣法是按一定規律對被測信號的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，用一定的數值算法求得被測量。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：測量準確度和測量速度。交流采樣法包括同步采樣法、準同步采樣法、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)數過(guò)多，造成數據存儲量過(guò)大和計算時(shí)間太長(cháng)：但如果采樣頻率過(guò)低，FFT運算在頻域將會(huì )出現混淆現象，造成頻譜失真，使之不能真實(shí)反映原來(lái)的信號。 電力參數的頻率測量方法采用過(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)計數器計數，計算頻率。TMS320LF2407A的事件管理器共有6個(gè)捕獲單元。對于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)器的計數值裝入到相應的FIFO堆棧。與此同時(shí)，相應的中斷標志位被置位，如果該中斷標志沒(méi)有被屏蔽，則外設中斷將產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號。 每當將捕獲到的新計數值存入到FIFO堆棧時(shí)，捕獲FIFO狀態(tài)寄存器(CAPFIFOx)的相應位就進(jìn)行調整以反映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)器的計數值被鎖存之間的延時(shí)需要2個(gè)CPU時(shí)鐘周期。通過(guò)以上方法計算頻率。 3 系統軟件設計 系統軟件分為執行軟件和應用軟件，執行軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統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，并且已經(jīng)通過(guò)了聯(lián)邦航空局(FAA)商用航行器認證，符合RTCA(航空無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì ))D0一l78B標準(該標準是為航空電子設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)機制，采用優(yōu)先級調度算法完成任務(wù)間的調度，并支持搶占式調度，通過(guò)任務(wù)調度和任務(wù)監視，系統具有較好的實(shí)時(shí)性和安全性。同時(shí)μC／OS—II具有可裁減的體系結構，并具有內存管理、中斷管理和任務(wù)控制塊(TCB)擴展的功能，該軟件具有較好的可擴展性，因此選擇μC／OS—II作為系統執行軟件。 將系統任務(wù)分為模擬量采集任務(wù)、電力參數計算任務(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。 當確定μC／OS—II中的任務(wù)，并給任務(wù)賦予優(yōu)先級，系統即可按照μC／OS-II的調度機理進(jìn)行任務(wù)調度，具體由哪個(gè)任務(wù)工作是由調度器(scheduler)完成。任務(wù)調度分為中斷級調度和任務(wù)級調度，中斷級調度由μC／OS—II中的OSIntExt()函數完成；任務(wù)級調度由μC／0S—II中的OSSched()函數來(lái)完成。系統中，時(shí)間片的產(chǎn)生，通訊接收中斷，A／D轉換器采集中斷都是屬中斷級調度，其余的任務(wù)均屬任務(wù)級調度。 μC／OS—II的任務(wù)調度機制：屬于基于優(yōu)先級的占先式任務(wù)調度算法，系統中的任務(wù)都有一個(gè)固定的優(yōu)先級，在任意時(shí)刻內核總是將CPU的控制權分配給就緒狀態(tài)的最高優(yōu)先級的任務(wù)，如果系統內核在某刻發(fā)現有比當前任務(wù)優(yōu)先級更高的任務(wù)處于就緒狀態(tài)，內核立即保存上下文，并切換到優(yōu)先級更高任務(wù)的上下文執行。 在實(shí)際應用中，首先將實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統μC／OS—II移植到TMS320LF2407A中，現在關(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(hù)自己編寫(xiě)幾個(gè)函數列出：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，該函數模仿TI公司的I$$SAVE庫函數對任務(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。有系統數據類(lèi)型定義，棧增長(cháng)方向定義，關(guān)中斷和開(kāi)中斷定義，系統軟中斷的定義等等。④按需配置OS_CFG．H，按需修改CPU中斷向量表和外設向量表。在成功移植μC／OS一Ⅱ后，就可添加相應的應用任務(wù)子程序，然后逐個(gè)任務(wù)調試，最后完成系統的軟件設計。 4 應用 系統在實(shí)際應用中除了實(shí)時(shí)獲得和顯示操作系統的電力參數以外，可實(shí)現必要的保護功能。例如在實(shí)現電力線(xiàn)路微機保護中，*價(jià)系統性能好壞很重要的一項指標就是跳閘出口時(shí)間，即從故障發(fā)生時(shí)刻到裝置動(dòng)作輸出跳閘信號所用的時(shí)間。下面以過(guò)電壓保護為例分析采用μC／OS—II的保護裝置對故障的響應速度。 對于速斷保護，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、等待保護中斷時(shí)間、保護任務(wù)運行時(shí)間及保護繼電器動(dòng)作時(shí)間。其中繼電器動(dòng)作時(shí)間和等待保護中斷時(shí)間占整個(gè)響應時(shí)間的90％，其他幾個(gè)時(shí)間可以忽略。在保護裝置中采用的繼電器動(dòng)作時(shí)間約為10 ms，等待保護任務(wù)需5 ms，故理論上講出口時(shí)間為15 ms，表1為實(shí)際測量中得到的數據，結果表明2類(lèi)數據基本相符。 5 結語(yǔ) 系統是基于實(shí)時(shí)嵌入式操作系統μC／OS—II設計的電力參數監測儀器，具有結構簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗表明，該系統在數據處理、轉換、通訊等方面，具有實(shí)時(shí)性高，系統抗干擾能力強，可擴展性好，易于在類(lèi)似的工業(yè)及民用的測控系統使用。 |
