基于DSP/BIOS的電能質(zhì)量監(jiān)測終端設(shè)計(jì)

DSP(數(shù)字信號處理器)在現(xiàn)今的工程應(yīng)用中使用越來越頻繁。其原因主要有三點(diǎn)：第一，它具有強(qiáng)大的運(yùn)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(shè)計(jì)了相關(guān)的IDE(集成開發(fā)環(huán)境)，使得DSP應(yīng)用程序的開發(fā)如虎添翼；第三，具有高性價(jià)比，相對于它強(qiáng)大的性能，不高的價(jià)格有著絕對的競爭力。

TI為本公司的DSP設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)上是一種基于TMS320系列DSP平臺的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，也是TI公司實(shí)時(shí)軟件技術(shù)——eXpress DSP技術(shù)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(shí)時(shí)分析工具、外設(shè)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)，長時(shí)間、短時(shí)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(shí)時(shí)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(dǎo)自檢模塊、采集任務(wù)執(zhí)行模塊、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、電能質(zhì)量分析運(yùn)算模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊、人機(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(guān)模塊的調(diào)用代碼，而且新增模塊也會(huì)明顯影響到原有系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)特性，使得升級、維護(hù)起來相當(dāng)麻煩。DSP／BIOS的出現(xiàn)提供了另外一種組織應(yīng)用程序各功能模塊的機(jī)制。它將各功能模塊作為任務(wù)線程來看待，通過可配置的內(nèi)核服務(wù)使各任務(wù)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(shí)復(fù)用CPU資源，各個(gè)任務(wù)線程之間通過同步、通信、數(shù)據(jù)交換等進(jìn)行協(xié)調(diào)。這種機(jī)制使得應(yīng)用程序可維護(hù)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(diǎn)，本系統(tǒng)采用DSP／BIOS作為實(shí)時(shí)內(nèi)核，并以此為基礎(chǔ)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(shè)計(jì)

2．1 執(zhí)行線程規(guī)劃

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行中，一些功能函數(shù)由外部控制信號驅(qū)動(dòng)或者按既定周期運(yùn)行，所以，函數(shù)的驅(qū)動(dòng)方式和執(zhí)行周期對實(shí)時(shí)系統(tǒng)非常重要。DSP／BIOS支持多線程應(yīng)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(shí)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(wù)(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(wù)中；但是，與外部設(shè)備密切相關(guān)、實(shí)時(shí)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(gè)子功能模塊設(shè)置為硬件中斷線程：A／D采集任務(wù)模塊和通信模塊(接收)。A／D采集是本系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，并且與系統(tǒng)底層硬件緊密相連，所以將它設(shè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后與DSP的McPSP口進(jìn)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(yùn)算作好準(zhǔn)備。通信模塊采用RS485與上位機(jī)通信，其與系統(tǒng)的底層硬件密切相關(guān)，而且DSP本身的SCI接口只有最大16個(gè)字的FIFO，如不及時(shí)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。

下面介紹HWI模塊在DSP／BIOS中的參數(shù)設(shè)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(xiàng)中；同時(shí)選擇使用DSP／RI-OS的HWI調(diào)度功能，當(dāng)響應(yīng)McBSP串口接收中斷時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)用ad_rx_isr()函數(shù)。McBSP串口接收中斷設(shè)置如圖2所示。與McBSP串口接收中斷設(shè)置類似，設(shè)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(xiàng)中。響應(yīng)接收中斷時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用scia_rx_isr()函數(shù)進(jìn)行處理。CLK線程也屬于HWI硬件中斷線程之一，它為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供了時(shí)間基準(zhǔn)，為用戶周期性地調(diào)用函數(shù)提供了方法，同時(shí)為一些代碼評估工具提供了時(shí)間參考。CLK模塊完全依賴于DSP的定時(shí)器中斷，TMS320C2812為DSP／BIOS提供了2個(gè)定時(shí)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(dòng)的，為了便于控制，系統(tǒng)為每個(gè)SWI對象都設(shè)置一個(gè)16位的郵箱(Mailbox)，可以利用這個(gè)郵箱的值有條件地啟動(dòng)對應(yīng)的軟件中斷?？梢詫⑾鄬τ谄胀ㄈ蝿?wù)比較重要的、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(yù)處理模塊、通信模塊(發(fā)送)。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要完成對A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的后續(xù)處理。對A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理是必要的。因?yàn)锳／D芯片選用固定頻率進(jìn)行采集，但是電網(wǎng)的頻率fo是波動(dòng)的，所以直接對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏，因此，必須對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。例如，對4個(gè)周波每個(gè)周渡256點(diǎn)一共l024個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行1024點(diǎn)的FFT運(yùn)算。假設(shè)4個(gè)周波的平均頻率為f,則頻率分辨率為f/4，F(xiàn)FT運(yùn)算結(jié)果依次為f／4、2f/4、3f/4、f、5f/4……頻率上的強(qiáng)度。因此，當(dāng)電網(wǎng)頻率fo發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)行FFT運(yùn)算的電網(wǎng)數(shù)據(jù)頻率f也要隨之變化，使得進(jìn)行FFT運(yùn)算前的電網(wǎng)數(shù)據(jù)頻率f始終與當(dāng)前電網(wǎng)的頻率fo保持一致。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊具體操作是對A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，插值算法采用線性插值。經(jīng)過驗(yàn)證，額定電壓下，線性插值算法造成的FFT運(yùn)算的誤差在O．1‰以內(nèi)。除此之外，該模塊還有一個(gè)功能就是計(jì)算一個(gè)周波內(nèi)的電壓有效值。這是計(jì)算電壓波動(dòng)和長時(shí)間、短時(shí)間閃變的必要數(shù)據(jù)。通信模塊(發(fā)送)負(fù)責(zé)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，雖然其實(shí)時(shí)性要求不高，但是與硬件底層密切聯(lián)系，所以設(shè)置為軟件中斷線程。當(dāng)串口接收中斷發(fā)生時(shí)，調(diào)用scia_rx_isr()函數(shù)對接收數(shù)據(jù)命令進(jìn)行處理，根據(jù)相關(guān)的命令發(fā)送相應(yīng)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(shè)為14，主機(jī)通信線程設(shè)為8，其他優(yōu)先級預(yù)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(yùn)行于相同的堆棧。當(dāng)高優(yōu)先級中斷發(fā)生導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)切換時(shí)，高優(yōu)先級中斷線程會(huì)中斷低優(yōu)先級中斷線程；在運(yùn)行高優(yōu)先級中斷線程前會(huì)保存低優(yōu)先級中斷線程相關(guān)寄存器內(nèi)容，在高優(yōu)先級中斷線程運(yùn)行結(jié)束后，寄存器會(huì)恢復(fù)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(shè)置硬件中斷或軟件中斷線程過多，則堆棧將會(huì)溢出，為此必須將大部分任務(wù)模塊放置在任務(wù)線程中。接下來，安排任務(wù)線程(TSK)。如同絕大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，任務(wù)線程是整個(gè)系統(tǒng)的主要組成部分。任務(wù)線程中的函數(shù)可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以并行運(yùn)行。DSP／BIOS任務(wù)管理模塊根據(jù)任務(wù)線程的優(yōu)先級安排運(yùn)行，并通過切換函數(shù)完成從一項(xiàng)任務(wù)到另一項(xiàng)任務(wù)的轉(zhuǎn)換。每個(gè)任務(wù)有4種執(zhí)行狀態(tài)：運(yùn)行(run)、就緒(ready)、暫停(blocked)和終止(terminated)。一月任務(wù)被創(chuàng)建，它總是處在4個(gè)狀態(tài)之一。DSP／BIOS為每個(gè)任務(wù)對象提供了-l～15的優(yōu)先級。任務(wù)會(huì)按照嚴(yán)格的優(yōu)先級順序來執(zhí)行，相同優(yōu)先級的任務(wù)會(huì)按照“先來先服務(wù)”的原則來安排執(zhí)行順序。需要注意的足，當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)線程時(shí)，需要同時(shí)建立一個(gè)屬于該任務(wù)的專用堆棧。該堆棧用于存儲奉地局部變量或進(jìn)一步的函數(shù)調(diào)用嵌套。

我們將電能質(zhì)量分析運(yùn)算模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機(jī)交互模塊設(shè)置在任務(wù)線程(TSK)中。電能質(zhì)量分析運(yùn)算模塊又可以分為諧波計(jì)算任務(wù)線程、電壓波動(dòng)計(jì)算任務(wù)線程、閃變計(jì)算任務(wù)線程3部分。諧波計(jì)算任務(wù)線程主要負(fù)責(zé)對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)處理后的結(jié)果進(jìn)行FFT運(yùn)算。FFT運(yùn)算主要包括位轉(zhuǎn)換運(yùn)算、加窗運(yùn)算、以2為基的蝶形運(yùn)算、分裂基運(yùn)算、平方和運(yùn)算5個(gè)部分。電壓波動(dòng)計(jì)算任務(wù)線程負(fù)責(zé)記錄3 min內(nèi)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)情況。前面電能質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊已經(jīng)得出每個(gè)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(dòng)。閃變計(jì)算仟?jiǎng)?wù)線程包括計(jì)算短時(shí)間閃變和長時(shí)間閃變?，F(xiàn)在一般采用IEC閃變儀設(shè)計(jì)方法，輸入適配自檢信號通過平方解調(diào)器、帶通加權(quán)濾波、平方一階低通濾波、在線統(tǒng)計(jì)評價(jià)4個(gè)過程最終得到閃變值；但足此方法復(fù)雜、耗時(shí)多。通過算法簡化，得出一種簡單可行的運(yùn)算方法：對連續(xù)256個(gè)周波的電壓有效值進(jìn)行FFT運(yùn)算，結(jié)果再經(jīng)過加權(quán)等一系列運(yùn)算后可以得到12．8s的閃變值，10min內(nèi)閃變值經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算就可得到短時(shí)間閃變，12次連續(xù)短時(shí)間閃變(2 h內(nèi))經(jīng)過運(yùn)算可以得到長時(shí)間閃變。經(jīng)過驗(yàn)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(wù)線程中，其過程是將電能質(zhì)量分析結(jié)果、電壓波動(dòng)以及閃變值存儲在FIash中。人機(jī)交互模塊包括鍵盤檢測任務(wù)和液晶顯示任務(wù)兩部分。鍵盤檢測任務(wù)線程可以通過周期函數(shù)PRD來完成。PRD可以根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來確定函數(shù)運(yùn)行的時(shí)間。這里，設(shè)置鍵盤檢測任務(wù)100ms運(yùn)行1次，檢測按鍵。根據(jù)按鍵情況，液晶顯示任務(wù)顯示當(dāng)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(shí)時(shí)分析模塊(TRA)放在其中運(yùn)行，其可以在應(yīng)用程序執(zhí)行期間對DSP應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)時(shí)交互與診斷。CCS巾有CPU負(fù)載圖、執(zhí)行圖示、主機(jī)通道控制、信息記錄、統(tǒng)計(jì)觀察、實(shí)時(shí)控制板和內(nèi)核／對象觀察等實(shí)時(shí)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(gè)DSP系統(tǒng)的運(yùn)行情況將一目了然。

2．2 線程之間的通信與同步

在這個(gè)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(jī)(HST)通道的通信。
表l顯示了4種線程共享數(shù)據(jù)和實(shí)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?yàn)樗m用于高速實(shí)時(shí)或大批量的數(shù)據(jù)交換。每個(gè)數(shù)據(jù)管道對象保留一個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)性會(huì)有影響，為此需要對DSP/BIOS內(nèi)核進(jìn)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(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量。比如，DSP／BIOS提供的實(shí)時(shí)分析工具中的CPU負(fù)載圖就是常用工具之一。

在最后的集成階段，由于實(shí)時(shí)交互等原因，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一些錯(cuò)誤或者響應(yīng)不及時(shí)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(jié)合開發(fā)人員所提供的定制檢測向量，從而提供了對錯(cuò)誤產(chǎn)生根源的獨(dú)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(cuò)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(gè)方面提高整個(gè)系統(tǒng)中應(yīng)用程序的執(zhí)行性能：為不同的程序函數(shù)仔細(xì)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(shí)鐘中斷頻率；增加流式輸入輸出緩沖器的大小。

4 總 結(jié)

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(dāng)高的性能，加快了開發(fā)進(jìn)度。采用DSP／BIOS作為電能質(zhì)量監(jiān)測終端實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，編寫DSP程序時(shí)控制硬件資源容易、協(xié)調(diào)各個(gè)軟件模塊靈活，大幅加快軟件的開發(fā)、調(diào)試進(jìn)度。最終實(shí)驗(yàn)證明，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。（許康平 陳建元 韋海鋒）