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基于DSP/BIOS在電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端中的應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2012-09-11 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

(數(shù)字信號(hào)處理器)在現(xiàn)今的工程應(yīng)用中使用越來(lái)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(hào)處理算法;第二,各大廠商都為自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)了相關(guān)的IDE(集成開(kāi)發(fā)環(huán)境),使得應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)如虎添翼;第三,具有高性價(jià)比,相對(duì)于它強(qiáng)大的性能,不高的價(jià)格有著絕對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)力。

TI為本公司的DSP設(shè)計(jì)了集成可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio),而DSP/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(tái)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/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(kù)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/257263.htm



1 系統(tǒng)功能需求

主要功能是對(duì)電網(wǎng)(三相電壓、電流)的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析。其主要監(jiān)測(cè)量有:電壓、電流有效值,有功、無(wú)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(zhǎng)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、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(chǔ)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(lái)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(jí)、維護(hù)起來(lái)相當(dāng)麻煩。DSP/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(lái)看待,通過(guò)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(jí)的高低分時(shí)復(fù)用CPU資源,各個(gè)任務(wù)線程之間通過(guò)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(jí)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(duì)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(hào)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(duì)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(jí)。高優(yōu)先級(jí)線程可以中斷低優(yōu)先級(jí)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(jí)由高到低):硬件中斷(HWI)、軟件中斷(SWI)、任務(wù)(TSK)、后臺(tái)線程(IDL)。按照電能質(zhì)量系統(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(chǔ)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(duì)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(píng)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(guò)DSP/BIOS內(nèi)核的API調(diào)用來(lái)啟動(dòng)的,為了便于控制,系統(tǒng)為每個(gè)SWI對(duì)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(duì)應(yīng)的軟件中斷。可以將相對(duì)于普通任務(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(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的后續(xù)處理。對(duì)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(duì)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(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。例如,對(duì)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(duì)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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(duì)象提供了O~14的優(yōu)先級(jí),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(jí)設(shè)為14,主機(jī)通信線程設(shè)為8,其他優(yōu)先級(jí)預(yù)留以便將來(lái)軟件升級(jí)。

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(jí)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(jí)中斷線程會(huì)中斷低優(yōu)先級(jí)中斷線程;在運(yùn)行高優(yōu)先級(jí)中斷線程前會(huì)保存低優(yōu)先級(jí)中斷線程相關(guān)寄存器內(nèi)容,在高優(yōu)先級(jí)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(jí)線程。所以,如果設(shè)置硬件中斷或軟件中斷線程過(guò)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(lái),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(jí)安排運(yùn)行,并通過(guò)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(duì)象提供了-l~15的優(yōu)先級(jí)。任務(wù)會(huì)按照嚴(yán)格的優(yōu)先級(jí)順序來(lái)執(zhí)行,相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)會(huì)按照“先來(lái)先服務(wù)”的原則來(lái)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(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(zhǎng)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(hào)通過(guò)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(píng)價(jià)4個(gè)過(guò)程最終得到閃變值;但足此方法復(fù)雜、耗時(shí)多。通過(guò)算法簡(jiǎn)化,得出一種簡(jiǎn)單可行的運(yùn)算方法:對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)運(yùn)算可以得到長(zhǎng)時(shí)間閃變。經(jīng)過(guò)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(chǔ)模塊也放置在任務(wù)線程中,其過(guò)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(chǔ)在FIash中。人機(jī)交互模塊包括鍵盤檢測(cè)任務(wù)和液晶顯示任務(wù)兩部分。鍵盤檢測(cè)任務(wù)線程可以通過(guò)周期函數(shù)PRD來(lái)完成。PRD可以根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)確定函數(shù)運(yùn)行的時(shí)間。這里,設(shè)置鍵盤檢測(cè)任務(wù)100ms運(yùn)行1次,檢測(cè)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(tái)線程(IDL)。后臺(tái)線程(IDL)的優(yōu)先級(jí)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)共享資源的訪問(wèn)需要線程之間的相互協(xié)調(diào)來(lái)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(lái)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(duì)象保留一個(gè)緩存,并將該緩存分成一定數(shù)據(jù)的定長(zhǎng)幀,所有通過(guò)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(kāi)銷對(duì)系統(tǒng)程序?qū)崟r(shí)性會(huì)有影響,為此需要對(duì)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(kāi)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(lái)說(shuō),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(kāi)發(fā)人員所提供的定制檢測(cè)向量,從而提供了對(duì)錯(cuò)誤產(chǎn)生根源的獨(dú)一無(wú)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(kāi)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(kāi)發(fā)進(jìn)度。采用DSP/BIOS作為電能質(zhì)量實(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(kāi)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。(



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