林 輝，劉 軍

（1.西安鐵路職業(yè)技術學院，西安710014；2.西安市地下鐵道有限責任公司，西安710600）

電力參數(shù)的測量與監(jiān)控對電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和管理自動化有著重要的影響。本文介紹一種基于DSP的嵌入式系統(tǒng)的電力參數(shù)測量儀器的硬件和軟件設計，可實現(xiàn)多任務實時監(jiān)測，直觀準確地反映電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

該電力參數(shù)測量儀是在由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，不僅具有強大的數(shù)字信號處理能力，而且系統(tǒng)的可靠性和實時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]。在此基礎上開發(fā)了一種具有電力參數(shù)測量、顯示和通訊功能的智能化檢測儀。本文給出了比較完整的外設擴展，包括電源供電、監(jiān)控電路、時鐘電路，模擬量輸入電路等接口設計和頻率采集電路及其通訊電路等。該系統(tǒng)還具有實時時間顯示和看門狗功能，且可以通過RS232總線與外部(微機) 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)測儀原理框圖

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

在本檢測系統(tǒng)中， DSP芯片TMS320LF2407A作為主控制器，它是TMS320LF2407的增強型。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到了很好的水平，該型號的DSP芯片內(nèi)部還集成有ADC模塊、CAN模塊、32 K的FLASH程序存儲器，并且它的高速處理特性可以使得很多先進的控制算法得以實現(xiàn)，這樣就可以簡化整個檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計。在系統(tǒng)軟件設計中，軟件功能模塊設置如圖2。

圖2 電力參數(shù)智能檢測儀軟件功能模塊設置

1.2 信號預處理電路

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)換為可直接測量的較低電壓，同時避免電網(wǎng)干擾對后續(xù)測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，因此應首先通過調(diào)理電路將測量電壓轉(zhuǎn)換至該電壓范圍內(nèi)，同時在模擬電壓進入DSP之前增設電壓跟隨器，使電壓增益趨近于1，以提高帶負載能力。

1.3 電力參數(shù)測量算法

電力系統(tǒng)通常需監(jiān)測電力參數(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量電壓、電流時，軟件設計簡單、計算方便，對采樣值只需作比例變換即可得到被測量的數(shù)值。直流采樣法的缺點是：測量準確度直接受整流電路的準確度和穩(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)律對被測信號的瞬時值進行采樣，用一定的數(shù)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。采樣點數(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，則一個周期里采樣點數(shù)過多，將造成數(shù)據(jù)存儲量過大和計算時間太長；但如果采樣頻率過低，F(xiàn)FT 運算在頻域會出現(xiàn)混淆現(xiàn)象，造成頻譜失真，不能真實反映原來的信號。

頻率參數(shù)的監(jiān)測方法可用DSP的多周期捕獲單元來監(jiān)測。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，通過計數(shù)器計數(shù)來計算頻率。TMS320-LF2407A的事件管理器共有6個捕獲單元。對于EVA模塊，與它相關的捕獲單元引腳有3個，分別是CAP1、CAP2和CAP3，可以選擇通用定時器1或2作為它們的時基，然而CAP1和CAP2一定要選擇相同的定時器作為時基。與EVB模塊相關的捕獲單元引腳也有3個，分別為CAP4、CAP5和CAP6，可以選擇通用定時器3或4作為它們的時基， CAP4和CAP5也要選擇相同的定時器作為時基。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器的計數(shù)值裝入到相應的FIFO堆棧。相應的中斷標志位被置位，如該中斷標志沒有被屏蔽，外設中斷將產(chǎn)生一個中斷請求信號。

將捕獲到的新計數(shù)值存入到FIFO堆棧時，捕獲FIFO狀態(tài)寄存器（CAP FIFOx）的相應位就進行調(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器的計數(shù)值被鎖存之間的延時需要2個CPU時鐘周期。通過以上方法可計算出頻率。

2 軟件設計

本檢測儀器的系統(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、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)，符合RTCA（航空無線電技術委員會）DO-178B標準（該標準為航空電子設備所使用軟件的性能要求而制定的）[4]。由于μC/OS-II采用多任務機制，采用優(yōu)先級調(diào)度算法完成任務間的調(diào)度，并支持搶占式調(diào)度，通過任務調(diào)度和任務監(jiān)視，系統(tǒng)具有較好的實時性和安全性，μC/OS-II具有可裁減的體系結(jié)構(gòu)，并具有內(nèi)存管理、中斷管理和任務控制塊（TCB）擴展的功能，有較好的可擴展性。

系統(tǒng)任務分為模擬量采集任務、電力參數(shù)計算任務、通訊任務和顯示任務等，并對任務分配不同的任務優(yōu)先級。當確定了任務后，系統(tǒng)即可按照μC/OS-II的調(diào)度機理進行任務調(diào)度，具體任務分配工作是由調(diào)度器（scheduler）完成。任務調(diào)度分為中斷級調(diào)度和任務級調(diào)度，中斷級調(diào)度由μC/OS-II中的OSIntExt（）函數(shù)完成；任務級調(diào)度由μC/OS-II中的OSSched（）函數(shù)來完成。本系統(tǒng)中，時間片段的產(chǎn)生、通訊接收中斷、ADC采集中斷都屬中斷級調(diào)度，其余任務均屬任務級調(diào)度。

在實際應用中，首先將實時多任務操作系統(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，具體可參照相關文獻資料[5]，此處不對移植程序代碼詳細分析，只將移植時需用戶自己編寫幾個函數(shù)如下：（1）編寫OS_CPU_A.ASM； 包括4個子程序_OSStartHighRdy（）；_OSCtrxSw（）；_OSIntCtxsw（）和OSTickISR（）；這部分需要對處理器的寄存器進行操作，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庫函數(shù)對任務堆棧進行初始化。（3）編寫OS_CPU.H；包括用#define定義的與處理器相關的常量、宏和類型定義。有系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型定義、棧增長方向定義，關中斷和開中斷定義、系統(tǒng)軟中斷的定義等。（4）按需配置OS_CFG.H，按需修改CPU中斷向量表和外設向量表。

在成功移植μC/OS-II，就可添加相應的應用任務子程序，逐個任務調(diào)試，完成系統(tǒng)的軟件設計。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)是基于實時嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II設計的電力參數(shù)監(jiān)測儀器，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點。實驗表明該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、通訊等方面，具有實時性好、系統(tǒng)抗干擾能力強、可擴展性好等特點，易于在類似的工業(yè)用以及民用的測控系統(tǒng)中推廣使用。

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

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

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

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

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