1 引言
電力參數的測量與監控對于電能管理的科學化水平有著至關重要的影響，于是研制了各種電力監測儀器。隨著電子技術的發展，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嵌入式實時操作系統的電力參數測量儀器及硬、軟件設計方案。
2 系統硬件設計
2．1 系統硬件架構
電力參數測量儀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，在此基礎上開發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，同時該系統還具有實時時間顯示和看門狗功能，且可通過RS232或CAN總線與外部(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計算，因此選擇定點的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RAM，E一PROM，閃存，串行和并行通信接口，網絡接口，可編程定時器／計數器，狀態LED指示和應用的專門硬件電路。
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無論內部結構和外圍控制接口，都具有優異性能，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化該系統的硬件結構，并且其高速處理特性可實現很多先進的控制算法。
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，同時在模擬電壓進入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中的捕獲單元來監測。
電壓電流的直流采樣法，是指采集經整流后的直流量。采用直流采樣算法測量電壓、電流時，均是通過測量平均絕對值來測量電參量有效值。此方法軟件設計簡單，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值進行采樣，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，采樣點數的選擇和采樣頻率的選擇很重要。如果采樣頻率選擇過高，即采樣間隔小，則一個周期里采樣點數過多，造成數據存儲量過大和計算時間太長：但如果采樣頻率過低，FFT運算在頻域將會出現混淆現象，造成頻譜失真，使之不能真實反映原來的信號。
電力參數的頻率測量方法采用過零比較器產生方波，然后利用DSP中的捕獲單元CAP，捕獲上升沿或下降沿，通過計數器計數，計算頻率。TMS320LF2407A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CAPl、CAP2和CAP3，可以選擇通用定時器l或2作為其時基，然而CAPl和CAP2一定要選擇相同的定時器作為時基。對于EVB模塊，與它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作為其時基，然而CAP4和CAP5也一定要選擇相同的定時器作為時基。在捕獲單元使能后，輸入引腳上的指令跳變，將所選通用定時器的計數值裝入到相應的FIFO堆棧。與此同時，相應的中斷標志位被置位，如果該中斷標志沒有被屏蔽，則外設中斷將產生一個中斷請求信號。
每當將捕獲到的新計數值存入到FIFO堆棧時，捕獲FIFO狀態寄存器(CAPFIFOx)的相應位就進行調整以反映FIFO堆棧新的狀態。從捕獲單元輸入引腳處發生跳變到所選通用定時器的計數值被鎖存之間的延時需要2個CPU時鐘周期。通過以上方法計算頻率。
3 系統軟件設計
系統軟件分為執行軟件和應用軟件，執行軟件采用實時多任務操作系統μC／OS-II。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，并且已經通過了聯邦航空局(FAA)商用航行器認證，符合RTCA(航空無線電技術委員會)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采用多任務機制，采用優先級調度算法完成任務間的調度，并支持搶占式調度，通過任務調度和任務監視，系統具有較好的實時性和安全性。同時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。
將系統任務分為模擬量采集任務、電力參數計算任務、通訊任務和顯示任務等，并分配不同的任務優先級。
當確定μC／OS—II中的任務，并給任務賦予優先級，系統即可按照μC／OS-II的調度機理進行任務調度，具體由哪個任務工作是由調度器(scheduler)完成。任務調度分為中斷級調度和任務級調度，中斷級調度由μC／OS—II中的OSIntExt()函數完成；任務級調度由μC／0S—II中的OSSched()函數來完成。系統中，時間片的產生，通訊接收中斷，A／D轉換器采集中斷都是屬中斷級調度，其余的任務均屬任務級調度。
μC／OS—II的任務調度機制：屬于基于優先級的占先式任務調度算法，系統中的任務都有一個固定的優先級，在任意時刻內核總是將CPU的控制權分配給就緒狀態的最高優先級的任務，如果系統內核在某刻發現有比當前任務優先級更高的任務處于就緒狀態，內核立即保存上下文，并切換到優先級更高任務的上下文執行。
在實際應用中，首先將實時多任務操作系統μC／OS—II移植到TMS320LF2407A中，現在關于μC／OS—II移植到該處理器的源代碼較多，此處不作分析，只將移植時需用戶自己編寫幾個函數列出：①編寫OS_CPU_A．ASM；包括4個子程序 _OSStartHighRdy()；_OSCtrxSw()；_OSIntCtxsw()和0STickISR()；這需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庫函數對任務堆棧初始化。③編寫OS_CPU．H；包括了用#define定義的與處理器相關的常量、宏和類型定義。有系統數據類型定義，棧增長方向定義，關中斷和開中斷定義，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子程序，然后逐個任務調試，最后完成系統的軟件設計。
4 應用
系統在實際應用中除了實時獲得和顯示操作系統的電力參數以外，可實現必要的保護功能。例如在實現電力線路微機保護中，評價系統性能好壞很重要的一項指標就是跳閘出口時間，即從故障發生時刻到裝置動作輸出跳閘信號所用的時間。下面以過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，跳閘出口時間一般包括等待A／D采樣中斷時間、A／D采樣時間、等待保護中斷時間、保護任務運行時間及保護繼電器動作時間。其中繼電器動作時間和等待保護中斷時間占整個響應時間的90％，其他幾個時間可以忽略。在保護裝置中采用的繼電器動作時間約為10 ms，等待保護任務需5 ms，故理論上講出口時間為15 ms，表1為實際測量中得到的數據，結果表明2類數據基本相符。
5 結語
系統是基于實時嵌入式操作系統μC／OS—II設計的電力參數監測儀器，具有結構簡單，成本低廉等優點。實驗表明，該系統在數據處理、轉換、通訊等方面，具有實時性高，系統抗干擾能力強，可擴展性好，易于在類似的工業及民用的測控系統使用。