OS-Ⅱ的电力参数智能监测仪的设计.pdf

l 9琵 4 j U V0 1 1 9 NO 4 计算 机与通信信号 O M PL I 1 E RN1 ) (O M M I N1 C A T 1 O N A ND l ( 一 N1 、 l 殳 编 ： 1 0 0 5 8 4 5 1 ( 2 o l o )0 4 0 0 4 9 0 3 基于 D S P和 L l C OS I I 的电力参数智能监测仪的设计 林辉 ，刘 军 ( 1 西安铁路职业技术学院，西安7 1 0 0 1 4 ；2 西安市地下铁道有限责任公司，西安7 1 0 6 0 0 ) 摘 婴： 本文采用 高速 、高性能 的 DS P作 为嵌入式 系统硬 件平 台的核 心微 处理 器，将嵌入 式操作 系统 C OS I I 移植 到DS P中， 开 发 了智能型 电力参数监测仪 ， 对 系统的硬 件设计和软件设 计做 了较 详细 的介 绍。 同时 ，该开 发平 台具有 强大的信号处理 速度和很 好 的实时性 ，适 用于 工业 用电量 采集等应 用场合 。 火 i l ! “ ：DS P； t C OS I I ；硬 件平 台 I l I 分类 I， ，I ：T P 2 7 3 殳献 标 I ：A De s i g n o n i n t e l l i g e n t mo ni t o r o f p o we r pa r a me t e l S b a s e d o n DSP a n d C OS I I I I N H L I i 1 LI U J L I D ( 1 Xi a n Ra i l wa y V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l I n s t i t u t e ， Xi a n 7 1 0 0 1 4 ， C h i n a ； 2 Xi a n Me t r o Co r p o r a t i o n L t d Xi a n 7 1 0 6 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e pa pe r wa s u s e d a s t h e c or e mi c r o p r o c e s s or o f Emb e d de d s y s t e m h a r d wa r e p l a t f o r m us e d h i gh s p e e d ，h i g h pe r f o rm a n c e DSP I t wa s t r a n s pl a nt e d t h e Embe d de d S ys t e m C OS I I i nt o DS P，d e ve l o pe d t h e i n t e l l i g e nt mon i t o r o f pa r a me t e r s I t wa s i nt r o d u c e d t he de s i g ni n g ha r d wa r e a n d s o ftwa r e Th e d e v e l o pi n g pl a t f o r m h a d t h e b e s t r e a l t i me ， t h e s t r o n g pr o c e s s i ng s p e e d a n d s u i l e d c o l l o e c t i ng t he i n d us t r i a l p o we r ， e t c Ke y、 、 0 r ds ：Di g i t a l Si g na l P r o c e s s i n g；u C OS - I I ； h ard ware p l a t f o rm 电力参数 的测 量与监控对 电网系统调节和管 理 自动 化有 着 重 要 的影 响 。 本文 介绍 一 种基 于 DS P的嵌 入式 系统 的电力参数测量仪 器的硬件和 软件设计 ， 可实现多任 务实时监测 ， 直观准确地反 映 电力 系统的 电能质量 。 1 什 没 1 1 系 统 蚀 仆 构 架 该 电力参 数测量仪 是在 由 DS P硬 件和 “C OS - I I 嵌 入式操作 系统相结合的平台上开发的 。采 用嵌入式操作系统 C OS I I 和 DS P相结合的开 发平台 ， 不仅具有 强大 的数字信号处理能力 ， 而且 系统的可靠性和实 时性 也得到一定 的提 高 。DS P 硬件采用 T I 公 司的 TMS 3 2 0 LF 2 4 0 7 A作 为为核 心 ，软 件是 以 “C OS I I 为执行软件 】 。在此基 础 上开发 了一种具 有 电力参数测量 、显示和通讯 功 能的智能化 检测仪 。本文给 出了比较完整的外 设扩展 ，包括电源供 电、监控 电路 、时钟 电路 ，模 拟量输入 电路等 接 口设计和频率采集 电路 及其通 收稿日期：2 0 0 9 0 7 1 7 作者简介：林辉，讲师；刘军 ，工程师。 讯 电路等 。该 系统还具有实时时 间显示和看门狗 功能 ， 且 可以通过 RS 2 3 2 总线与外部( 微机) 通信 ， 其结构框 图如 图 1 。 图 l 基于 C OS - I I 的电力参数监测仪原理框图 本系统 中 ，考虑到多信号采集处理和 功率计 算等需求 ，选择 DS P作为核心处理 器，同时配置 必需 的外设 电路 。 主要包括R AM、 E P R OM、 闪存 、 串行和并行通信接 口、网络接 口、可编程定时 器 计数器 、状态 L E D指示及其硬件 电路等 3 。 在本检测 系统 中， DS P 芯片T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 作为主控制器 ， 它是 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 的增 强型。 其 内部总线采用哈佛结构 ， 指令执行速度为4 0 MI P S ， 绝大部分指令可以在单周期内执行完毕 。在 T I 的 2 4 0 X系列的 DS P控制芯片中 ，T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 在 内部 结构和外 围控制接 口上都达到 了很好的水 圆2 t ) 4 总 l 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 计算机 与通信信 号 平 ，该型号的 DS P芯片 内部还集成有 ADC模块 、 C AN模块 、3 2 K的 F L AS H程序存储 器 ，并且它 的高速处理特性可以使得很 多先进 的控制算法得 以实现 ，这样就可以简化整个检测 系统 的硬件结 构设 计。在系统软 件设计 中，软件功能模块设 置 如 图 2。 图 2 电力参数智能检测仪软件功能模块设 置 1 2 0 ，预处 I 踏 电力参数交流模拟量输入 电路包括 隔离电路 和调 理电路两部 分。隔离 电路的作用是将高 电压 交流 电压转换为可直接测量的较低 电压 ，同时避 免 电网干扰对后续 测量电路 的冲击和影响 。调理 电路是把 隔离电路的输 出电压调理 到 AD采集所 允许的范 围内。本 系统采用的 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 模拟 电压输入范 围为 0 V 3 3 V，因此应首先通 过调理 电路将测量 电压转换至该 电压范 围内 ，同 时在模拟电压进入 DS P之前增设电压跟随 器，使 电压增益趋近于 1 ，以提高带负载能力 。 i 3 I 也 参 数 测 ； f _ ” 法 电力系统通 常需 监测电力参数包括 电压 、电 流 、频率 、有功功率 等。电压 、电流参数的测量常 用的方法有直流采样法和交流采样法 。采用直流 采样算法测量电压、电流时 ， 软件设计 简单 、 计算 方便 ，对采样值只需作 比例变换即可得到被测量 的数 值。直流采样法 的缺 点是 ：测量 准确 度直接 受整流电路的准确度和稳定性的影响 ，整流 电路 参数调整 困难 ， 而且受波形 因数的影响较大等 。 交 流采样法是按一定规律对被测信号 的瞬时 值进行 采样 ， 用一定的数值算法求得被测量 。 它与直流采 样的差别是用软件功能 代替 硬件功能 。是否采用 交流采样取决于两个条件 ：测量准 确度和测量 速 度 。交流采样法包括同步采样法 、准同步采样法 、 非整周期采样法和非 同步采样法等 。采样 点数 的 选择和 采样频率的选择很 重要 。如果采样频 率选 择得过 高 ，即采样 间隔小 ，则一 个周期里采样 点 数过 多 ，将 造 成数 据 存储 量过 大 和计 算时 间太 长 ；但如 果采样 频率 过 低 ，F FT运算 在频 域 会 出现 混 淆现 象 ，造 成频 谱 失真 ，不能 真实 反映 原 来 的信 号 。 频率参数的监测方法可用 DS P的多周期捕获 单元来监测 。具体方法是采 用过零 比较 器产生 方 波 ，利用 DS P中的捕获单 元 C AP，捕获上升沿或 下降沿 ，通过计数 器计数来计算频率。T MS 3 2 0 一 L F 2 4 0 7 A的事件 管理器共有 6个捕获单 元。对于 E VA模块 ，与它相关的捕获单元引脚有 3个 ，分 别是 C AP l 、 C AP 2 和 C AP 3 ， 可以选择通用定时 器 1 或 2作为它们 的时基 ，然而 C AP l 和 C AP 2 一定 要选择相同的定时器作为时基 。与 E VB模块相关 的捕获单元引脚也有 3 个 ， 分别为CAP 4 、 C AP 5 和 C AP 6 ，可以选择通用定时 器 3或 4作为它们的时 基 ，C AP 4 和 C AP 5 也要选择相 同的定时器作为时 基 。 在捕获单元使能后 ， 输入 引脚上的指定跳变将 所选通 用定时器的计数值 装入到相应的 F I F O堆 栈。 相应的中断标志位被置位 ， 如该中断标志没有 被屏蔽 ，外设中断将 产生一个 中断请求信号。 将捕获到的新计数值存入到 F I F O堆栈时 ，捕 获 F I F O状态寄存器 ( C AP F I F Ox )的相应位就进 行调整以反映 F I F O堆栈新的状态。从捕获单元输 入引脚处发生跳变到所选通用定时 器的计数值 被 锁存之间的延时需要 2个 C P U时钟 周期 。通过以 上方法可计算 出频率 。 2 软仆 嫂汁 本检 测仪器的 系统软 件编制采用 C OS I I 操作系统。 C 0S I I 是一种源码公开、可移植 、 可 固化、可裁剪 、占先式 的实时多任务操作 系统 ， 符合RT C A( 航空无线 电技术委 员会 ) DO一 1 7 8 B标 准 ( 该标 准为航空 电子设备所使用软 件的性 能要 求而制定的) 4 1 。由于 C O S I I 采用多任务机制 ， 采用优先级调 度算 法完 成任务问的调 度 ，并支持 抢 占式调度 ， 通过任务调 度和任务监视 ， 系统具有 较好的实时性和安全性 ，“C OS I I 具有 可裁减的 体 系结构 ， 并具有内存管理 、 中断管理和任务控制 块( T C B)扩展的功能 ，有较好的可扩 展性 。 系统 任务分为模拟量采集任务 、电力参数计 算任务 、 通讯任务和显示任务等 ， 并对任务分配不 同的任务优先级 。当确定了任务后 ， 系统即可按 照 C OS J J 的调度机理进 行任务调度 ， 具 体任务分 配工作是由调度器 ( s c h e d u l e r )完成 。任务调度分 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 卷 4蝴 蚺 I D S P千 C OS 一 1 1 的电力参数智能监测仪的设计 计算机与通信信号 为中断级调 度和任务级调度 ，中断级调度 由 “C OS I I 中的 OS I n t E x t( )函数完成 ；任务级调度由 C OS I I 中的 OS S c h e d ( )函数来完成 。本系统 中 ，时 间片段的产生、通讯接收 中断 、ADC采集 中断都属中断级调度 ，其余任务均属任务级调度 。 在 实际应 用中 ，首先将实时 多任务操作系统 C 0s I I 移植到 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A中。主程序采 用 C语言编写 ，主程序流程 图如 图 3 。 调 用蚕 缚 墼O S I n i t 炻1 承 ， O S T a s k e r e a 。 t e E x t ， 口 置 用 i 日 tu1 r J 调 甩 a r t 始 图 3 主程序流程 示意图 关于 C OS I I 移植到 该处理器上的源 代码 较多 ， 具体可参照相 关文献资料【 ，此处不对移植 程序代码 详细分析 ，只将移植 时需用户 自己编写 几个 函数如下：( 1 ) 编写 OS C P U A AS M； 包括 4 个子程序一0S S t a r t Hi g h Rd y( ) ； 一OS Ct r x S w ( ) ； 一OS I n t C t x s w ( )和 OS T i c k I S R ( ) ；这部分需要 对处理器 的寄 存器进行操作 ，所以 必须 用汇编语 言编写。 ( 2 )编写 OS CPU C C；本文件仅包括 OS T a s k S t k l n i t( )子程序 ，该 函数模仿 T I 公 司的 I $ $ S AVE库 函数对任务堆栈进行初始化。 ( 3 )编 写 OS CP U H；包括用 # d e f i n e 定义的与处理 器相 关的常量 、宏和类型 定义。有系统数据类型定义、 栈增长方向定义 ， 关 中断和开 中断定义 、 系统软 中 断的定义等。 ( 4 )按需 配置 OS C F G H，按需修 改 C P U 中断 向量表 和外设 向量表 。 在成功移植 “C OS I I ，就可添加相应的应用 任务子程序 ， 逐个任务调试 ， 完成系统的软件设计。 3 结束 语 本 系统是基于实时嵌入式操作系统 C OS I I 设计的电力参数监测仪 器， 具 有结构简单 、 成本低 廉等优点 。 实验表 明该系统在数据处理 、转换 、 通 讯等方面 ， 具有实时性好 、系统抗干扰能力强、可 扩展性好 等特 点 ，易于在类似 的工业用以及 民用 的测控 系统 中推广使用 。 参考 殳献 ： 1 】 1 MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 ， 1 MS 3 2 0 L F 2 4 O 6 ， 1 Ms 3 2 O L F 2 4 O 2 DS P C o n t r o l l e r s R S P RS O 9 4 H， T e x a s I n s t r u me n t s 2 0 0 2 2 】 刘和平 ，严利平 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 x DS P结构、原理及应 用 M 北京： 北京航 空航 天大学出版社 ，2 0 0 2 【 3 】 张雄 伟，陈 亮 D S P集成开 发与应 用实例【 M 北京 ：电 子 工 业 出版 社 2 O o 2 4 】 L AB R OS S E J J 嵌入 式实 时操 作 系统 C OS - I I M】 邵贝 贝 2版 北京：北京航 空航天大学 出版社 ，2 0 0 3 5 】 陈是知 C OS I I 系统 内核 分析 、移植 与驱动程序开 发 【 M】 北京 ：人 民邮 电出版社 ，2 0 0 8 哈尔滨铁路局信息 技术所 沈 阳铁路局信息技术所 北京铁路局信息技术处 太 原 铁路 局 信 息 技术 处 呼和浩特铁路局信息技术所 郑州铁路局信息技术处 武汉铁路局信息技术所 西安铁路局信息技术处 济南铁路局 信息技术所 王静 魏 孝 忠 姚 晓冬 李华 李霞 左 长 进 李 明 慧 刘 金 香 宫树 业 南昌铁路局信息技术处 广州铁路( 集团)公司信息技术处 南宁铁路局信息技术所 成都铁路局信息技术所 昆明铁路局信息技术处 兰州铁路局信息技术处 乌鲁木齐铁路局信息技术所 余 柏 铭 周 凌 符 明燕 严慕 富 彭毅 潘云松 王 云 凤 张轩 张立春 圆2 0 1 o 4 总 1 5 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m