基于DSP/BIOS的電能質(zhì)量監(jiān)測終端設計

DSP(數(shù)字信號處理器)在現(xiàn)今的工程應用中使用越來越頻繁。其原因主要有三點：第一，它具有強大的運算能力，能夠勝任FFT、數(shù)字濾波等各種數(shù)字信號處理算法；第二，各大DSP廠商都為自己的產(chǎn)品設計了相關的IDE(集成開發(fā)環(huán)境)，使得DSP應用程序的開發(fā)如虎添翼；第三，具有高性價比，相對于它強大的性能，不高的價格有著絕對的競爭力。

TI為本公司的DSP設計了集成可視化開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)，而DSP／BIOS是CCS的重要組成部分。它實質(zhì)上是一種基于TMS320系列DSP平臺的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，也是TI公司實時軟件技術——eXpress DSP技術的核心部分。DSP／BIOS主要包含三方面的內(nèi)容：多線程內(nèi)核、實時分析工具、外設配置庫。

1 系統(tǒng)功能需求

電能質(zhì)量監(jiān)測終端主要功能是對電網(wǎng)(三相電壓、電流)的電能質(zhì)量進行實時監(jiān)測與分析。其主要監(jiān)測量有：電壓、電流有效值，有功、無功功率，電壓頻率，三相不平衡，各次諧波電壓、電流含有率，功率因素，相移功率因素，電壓波動，長時間、短時間閃變。

系統(tǒng)選用TI公司的高性能DSP芯片TMS320F2812作為處理核心，其150 MIPS的處理速度足以滿足本系統(tǒng)的實時性要求。按照系統(tǒng)需求，將本系統(tǒng)分成以下功能模塊：引導自檢模塊、采集任務執(zhí)行模塊、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預處理模塊、電能質(zhì)量分析運算模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊、人機交互模塊。按照傳統(tǒng)的編程方式，這些功能模塊將以順序結構形式組織在一起，各模塊之間的調(diào)用和切換都由各模塊自身的代碼來完成，使得應用程序各模塊之間處于一種耦合狀態(tài)。如果要添加新的功能模塊或者修改已有的功能模塊，不但要修改與之相關模塊的調(diào)用代碼，而且新增模塊也會明顯影響到原有系統(tǒng)的時間響應特性，使得升級、維護起來相當麻煩。DSP／BIOS的出現(xiàn)提供了另外一種組織應用程序各功能模塊的機制。它將各功能模塊作為任務線程來看待，通過可配置的內(nèi)核服務使各任務線程在系統(tǒng)調(diào)度器的安排下按照優(yōu)先級的高低分時復用CPU資源，各個任務線程之間通過同步、通信、數(shù)據(jù)交換等進行協(xié)調(diào)。這種機制使得應用程序可維護性提高，并且提供了更方便、更高級的謫試手段。根據(jù)以上特點，本系統(tǒng)采用DSP／BIOS作為實時內(nèi)核，并以此為基礎對整個系統(tǒng)進行設計。

圖1為系統(tǒng)在DSP／BIOS下的功能模塊分類。



2 基于DSP／BIOS的軟件設計

2．1 執(zhí)行線程規(guī)劃

系統(tǒng)的實時運行中，一些功能函數(shù)由外部控制信號驅(qū)動或者按既定周期運行，所以，函數(shù)的驅(qū)動方式和執(zhí)行周期對實時系統(tǒng)非常重要。DSP／BIOS支持多線程應用，線程可以定義為不同的優(yōu)先級。高優(yōu)先級線程可以中斷低優(yōu)先級的線程，而且不同的線程之間可以實現(xiàn)交互，比如阻塞、通信和同步，線程分為以下4種類型(優(yōu)先級由高到低)：硬件中斷(HWI)、軟件中斷(SWI)、任務(TSK)、后臺線程(IDL)。按照電能質(zhì)量監(jiān)測終端系統(tǒng)的功能需求，將系統(tǒng)各子功能模塊分為以上4種類型線程。

首先，安排硬件中斷線程(HWI)。一般情況下，系統(tǒng)的主要程序代碼放在軟件中斷或任務中；但是，與外部設備密切相關、實時性要求很高的功能模塊程序代碼必須放置在硬件中斷中。本系統(tǒng)按照上述要求，將以下幾個子功能模塊設置為硬件中斷線程：A／D采集任務模塊和通信模塊(接收)。A／D采集是本系統(tǒng)的重要基礎，并且與系統(tǒng)底層硬件緊密相連，所以將它設置為硬件中斷線程(HWI)。其主要流程是：A／D芯片以一定的頻率采集電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)，然后與DSP的McPSP口進行通信。DSP接收A／D芯片采集的數(shù)據(jù)，并存儲在片內(nèi)RAM的特定區(qū)域，為其他線程的運算作好準備。通信模塊采用RS485與上位機通信，其與系統(tǒng)的底層硬件密切相關，而且DSP本身的SCI接口只有最大16個字的FIFO，如不及時對接收數(shù)據(jù)進行處理，將會造成數(shù)據(jù)丟失。

下面介紹HWI模塊在DSP／BIOS中的參數(shù)設置。McBSP串口的接收中斷放在HWI模塊的HWI_INT6位置上，并且將接收中斷的ISR函數(shù)ad_rx_isr()填寫到HWI_INT6中斷的函數(shù)調(diào)用項中；同時選擇使用DSP／RI-OS的HWI調(diào)度功能，當響應McBSP串口接收中斷時，系統(tǒng)將自動調(diào)用ad_rx_isr()函數(shù)。McBSP串口接收中斷設置如圖2所示。與McBSP串口接收中斷設置類似，設置SCIA接收中斷為通信接收中斷，將其ISR函數(shù)scia_rx_isr()填寫到HWI_INT9中斷的函數(shù)調(diào)用項中。響應接收中斷時，系統(tǒng)調(diào)用scia_rx_isr()函數(shù)進行處理。CLK線程也屬于HWI硬件中斷線程之一，它為整個系統(tǒng)的運行提供了時間基準，為用戶周期性地調(diào)用函數(shù)提供了方法，同時為一些代碼評估工具提供了時間參考。CLK模塊完全依賴于DSP的定時器中斷，TMS320C2812為DSP／BIOS提供了2個定時器。

其次，安排軟件中斷線程(SWI)。所有的軟件中斷都是通過DSP／BIOS內(nèi)核的API調(diào)用來啟動的，為了便于控制，系統(tǒng)為每個SWI對象都設置一個16位的郵箱(Mailbox)，可以利用這個郵箱的值有條件地啟動對應的軟件中斷?？梢詫⑾鄬τ谄胀ㄈ蝿毡容^重要的、發(fā)生頻率比較頻繁的子功能模塊安排在軟件中斷線程(SWI)中。其子功能模塊包括：電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預處理模塊、通信模塊(發(fā)送)。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預處理模塊主要完成對A／D轉(zhuǎn)換結果的后續(xù)處理。對A／D轉(zhuǎn)換結果進行預處理是必要的。因為A／D芯片選用固定頻率進行采集，但是電網(wǎng)的頻率fo是波動的，所以直接對采集數(shù)據(jù)進行FFT運算會產(chǎn)生頻譜泄漏，因此，必須對采集數(shù)據(jù)進行預處理。例如，對4個周波每個周渡256點一共l024個數(shù)據(jù)進行1024點的FFT運算。假設4個周波的平均頻率為f,則頻率分辨率為f/4，F(xiàn)FT運算結果依次為f／4、2f/4、3f/4、f、5f/4……頻率上的強度。因此，當電網(wǎng)頻率fo發(fā)生變化時，進行FFT運算的電網(wǎng)數(shù)據(jù)頻率f也要隨之變化，使得進行FFT運算前的電網(wǎng)數(shù)據(jù)頻率f始終與當前電網(wǎng)的頻率fo保持一致。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預處理模塊具體操作是對A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行插值，插值算法采用線性插值。經(jīng)過驗證，額定電壓下，線性插值算法造成的FFT運算的誤差在O．1‰以內(nèi)。除此之外，該模塊還有一個功能就是計算一個周波內(nèi)的電壓有效值。這是計算電壓波動和長時間、短時間閃變的必要數(shù)據(jù)。通信模塊(發(fā)送)負責向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，雖然其實時性要求不高，但是與硬件底層密切聯(lián)系，所以設置為軟件中斷線程。當串口接收中斷發(fā)生時，調(diào)用scia_rx_isr()函數(shù)對接收數(shù)據(jù)命令進行處理，根據(jù)相關的命令發(fā)送相應的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。DSP／BIOS為軟件中斷對象提供了O～14的優(yōu)先級，按照上述線程的重要程度，將采集數(shù)據(jù)處理線程優(yōu)先級設為14，主機通信線程設為8，其他優(yōu)先級預留以便將來軟件升級。

需要注意的是：中斷線程(包括硬件中斷和軟件中斷)都運行于相同的堆棧。當高優(yōu)先級中斷發(fā)生導致系統(tǒng)進行任務切換時，高優(yōu)先級中斷線程會中斷低優(yōu)先級中斷線程；在運行高優(yōu)先級中斷線程前會保存低優(yōu)先級中斷線程相關寄存器內(nèi)容，在高優(yōu)先級中斷線程運行結束后，寄存器會恢復為原先的內(nèi)容，繼續(xù)完成原先低優(yōu)先級線程。所以，如果設置硬件中斷或軟件中斷線程過多，則堆棧將會溢出，為此必須將大部分任務模塊放置在任務線程中。接下來，安排任務線程(TSK)。如同絕大多數(shù)實時系統(tǒng)，任務線程是整個系統(tǒng)的主要組成部分。任務線程中的函數(shù)可以獨立運行，也可以并行運行。DSP／BIOS任務管理模塊根據(jù)任務線程的優(yōu)先級安排運行，并通過切換函數(shù)完成從一項任務到另一項任務的轉(zhuǎn)換。每個任務有4種執(zhí)行狀態(tài)：運行(run)、就緒(ready)、暫停(blocked)和終止(terminated)。一月任務被創(chuàng)建，它總是處在4個狀態(tài)之一。DSP／BIOS為每個任務對象提供了-l～15的優(yōu)先級。任務會按照嚴格的優(yōu)先級順序來執(zhí)行，相同優(yōu)先級的任務會按照“先來先服務”的原則來安排執(zhí)行順序。需要注意的足，當創(chuàng)建一個任務線程時，需要同時建立一個屬于該任務的專用堆棧。該堆棧用于存儲奉地局部變量或進一步的函數(shù)調(diào)用嵌套。

我們將電能質(zhì)量分析運算模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機交互模塊設置在任務線程(TSK)中。電能質(zhì)量分析運算模塊又可以分為諧波計算任務線程、電壓波動計算任務線程、閃變計算任務線程3部分。諧波計算任務線程主要負責對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預處理后的結果進行FFT運算。FFT運算主要包括位轉(zhuǎn)換運算、加窗運算、以2為基的蝶形運算、分裂基運算、平方和運算5個部分。電壓波動計算任務線程負責記錄3 min內(nèi)電網(wǎng)電壓的波動情況。前面電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預處理模塊已經(jīng)得出每個周波的電壓有效值，這樣，只須記錄3min內(nèi)電壓有效值最大值和最小值，兩者之差就是電壓波動。閃變計算仟務線程包括計算短時間閃變和長時間閃變?，F(xiàn)在一般采用IEC閃變儀設計方法，輸入適配自檢信號通過平方解調(diào)器、帶通加權濾波、平方一階低通濾波、在線統(tǒng)計評價4個過程最終得到閃變值；但足此方法復雜、耗時多。通過算法簡化，得出一種簡單可行的運算方法：對連續(xù)256個周波的電壓有效值進行FFT運算，結果再經(jīng)過加權等一系列運算后可以得到12．8s的閃變值，10min內(nèi)閃變值經(jīng)過相關運算就可得到短時間閃變，12次連續(xù)短時間閃變(2 h內(nèi))經(jīng)過運算可以得到長時間閃變。經(jīng)過驗證，此種算法與IEC閃變儀算法相比，誤差在l‰以內(nèi)。

數(shù)據(jù)存儲模塊也放置在任務線程中，其過程是將電能質(zhì)量分析結果、電壓波動以及閃變值存儲在FIash中。人機交互模塊包括鍵盤檢測任務和液晶顯示任務兩部分。鍵盤檢測任務線程可以通過周期函數(shù)PRD來完成。PRD可以根據(jù)實時時鐘來確定函數(shù)運行的時間。這里，設置鍵盤檢測任務100ms運行1次，檢測按鍵。根據(jù)按鍵情況，液晶顯示任務顯示當前最新電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。

最后，就是后臺線程(IDL)。后臺線程(IDL)的優(yōu)先級最低，一般，將實時分析模塊(TRA)放在其中運行，其可以在應用程序執(zhí)行期間對DSP應用程序進行實時交互與診斷。CCS巾有CPU負載圖、執(zhí)行圖示、主機通道控制、信息記錄、統(tǒng)計觀察、實時控制板和內(nèi)核／對象觀察等實時分析工具。這一系列功能模塊都可以放置在IDL線程中，通過這些工具，整個DSP系統(tǒng)的運行情況將一目了然。

2．2 線程之間的通信與同步

在這個多線程系統(tǒng)中，對共享資源的訪問需要線程之間的相互協(xié)調(diào)來解決。

DSP/BIOS環(huán)境下有3種通信方式，即基于管道(PIPE)的通信、基于流(SIO)通道的通信以及基于主機(HST)通道的通信。
表l顯示了4種線程共享數(shù)據(jù)和實現(xiàn)同步的途徑。


本系統(tǒng)中，選用數(shù)據(jù)管道來管理線程之間的數(shù)據(jù)交換，因為它適用于高速實時或大批量的數(shù)據(jù)交換。每個數(shù)據(jù)管道對象保留一個緩存，并將該緩存分成一定數(shù)據(jù)的定長幀，所有通過數(shù)據(jù)管道的I/O操作1次處理l幀。多線程之間的同步主要采用郵箱方式。

3 系統(tǒng)實時分析與調(diào)試

DSP/BIOS內(nèi)核本身的開銷對系統(tǒng)程序?qū)崟r性會有影響，為此需要對DSP/BIOS內(nèi)核進行優(yōu)化?？梢允褂肅CS中提供的DSP／BIOS分析工具確定DSP／BIOS的開銷以及整個應用系統(tǒng)的運算量。比如，DSP／BIOS提供的實時分析工具中的CPU負載圖就是常用工具之一。

在最后的集成階段，由于實時交互等原因，會經(jīng)常出現(xiàn)一些錯誤或者響應不及時的現(xiàn)象。一般來說，由于這些現(xiàn)象是非周期性的并且出現(xiàn)的頻率很低，因此難于發(fā)現(xiàn)和跟蹤。然而，由于DSP／BIOS中的RTA模塊是嵌入到其內(nèi)核中去的，再結合開發(fā)人員所提供的定制檢測向量，從而提供了對錯誤產(chǎn)生根源的獨一無二的町視性。該可視化功能極大地幫助了隔離和修正錯誤，是一般嵌入式開發(fā)系統(tǒng)所不具備的。

可以從下面四個方面提高整個系統(tǒng)中應用程序的執(zhí)行性能：為不同的程序函數(shù)仔細選擇線程的類型；把系統(tǒng)堆棧放置在片上內(nèi)存中；降低時鐘中斷頻率；增加流式輸入輸出緩沖器的大小。

4 總 結

DSP/BIOS作為CCS提供的一套工具，其本身僅占用極少的CPU資源，但卻提供相當高的性能，加快了開發(fā)進度。采用DSP／BIOS作為電能質(zhì)量監(jiān)測終端實時操作系統(tǒng)，編寫DSP程序時控制硬件資源容易、協(xié)調(diào)各個軟件模塊靈活，大幅加快軟件的開發(fā)、調(diào)試進度。最終實驗證明，整個系統(tǒng)實時性好，運行穩(wěn)定可靠。（許康平 陳建元 韋海鋒）