基于实时操作系统的电力参数检测技术
| [摘 要]：本主介绍了一种不需新增硬件的高精度国软件动态频率跟踪同步采样方法。详细介绍了测量原理和实现方法以及基于μＣ／ＯＳ－Ⅱ的实时操作建立方法。本文所采用的方案，可简化应用程序的编写，较大程度地缓解实时性和精度之间的矛盾。 关键词：交流采样技术是对输入电压、电流信号的离散采样，再通过特定的计算方法算出各种电力参数量值。传统的采样方法一般基于单片机或DSP（数字信号处理器）。前者运算能力较差，几乎不能运行多任务实时操作系统（RTOS），功能单一；而后者的输出控制能力较差。本文采用高性能的嵌入式微处理器S3C44BOX芯片和实时多任务操作系统内核μC／OS-Ⅱ，结合ADS7864电力参数采样芯片，介绍了一种不需新增硬件的电力参数高精度软件动态频率跟踪同步采样装置。可作为解决无功补偿控制、电能质量分析和分布式电力监控等的主要基础。 1 算法原理 为计算电压、电流有效值，需要实现整周期同步采样。硬件同步采样一般用锁相环跟踪电网实际频率，再由硬件同步电路向CPU请求中断实现。但当出现干扰或波形畸变严重时会出现多个零点，硬件锁相环将失去意义。 异步采样又为定时采样，实际上是假定电网频率为某一定值，电网频率波动时，同步误差相当大，故对精度要较高的场合是不适用的。 软件同步采由定时器中断实现，首先通过硬电路测量电网周T，然后根据T和每周期内的采样点数N确定定时器定时值ΔT=T／N。软件同步不需要专门的锁相环和步电路，与硬件同步采样相比其结构相对简单，也要求采样装置中具备电网频率跟踪测量环节。 在满足电压u（t）、电流i（t）同步采样的条件下，有下列计算公式． 电压、电流有效值： 2 系统构成 2.1 硬件构成 与一般的工业测控系统相比，电力参数检测系统有如下特点： （1）要求对电压和电流信号同时采样，两者之间无相差，以便于功率和功率因数的计算。 （2）需要对信号进行频谱分析，其中涉及到大量的滤波、FFT等信号处理操作，对信号处理的实时性要求比较高。 (3)要求采样频率与信号频率同步，降低频谱泄漏对谐波分析精度的影响。 基于以上特点，选择32位的S3C44BOX嵌入式微处理器和源码开放的实时多任务操作系统内核μC／OS-Ⅱ作为基本平台，配以ADS7864电力参数A／D芯片来实现要求的功能，如三相交流电参数的检测和处理、谐波分析、电容器投切控制及数据管理等。 此外，系统外围的硬件还应包括：液晶显示屏（LED）、键盘、海量Flash存储器、系统的时钟和日历、通信口(网卡或RS-232C)等。它们是保证系统实现任务的zui底层的部件。 2.2 软件结构 μC／OS-II是一个占先式的实时多任务操作系统内核，因此，一个完整检测装置应具有软件结构。 驱动程序是连接底层的硬件和上层API（Application Programming Interface）函数的纽带，硬件的改变、删除或者添加，只需要随之改变、删除或者添加提供给操作系统相应的驱动程序，而不会影响到API函数的功能，更不会影响到用户的应用程序。μC／OS-II能管理64个任务，其中用户可定义56个任务。RTOS（实时多任务操作系统）主要的任务是使用信号量、、消息（消息队列）等机制进行多任务之间的调度和同步，协调各个硬件资源不会产生冲突。 操作系统的基本任务主要包括LCD的刷新任务、系统键盘扫描任务。这两个任务随操作系统的启动而运行。 用户的应用程序建立在系统的主任务（Main_Task）基础之上，主要通过调用系统的API函数对系统进行操作，完成用户的要求。 3 μC／OS-Ⅱ的移植 多任务RTOS是实现现代多功能实时测控系统开发平台的*途径。μC／OS-II仅仅是一个源码开放的RTOS内核，要建立实用的RTOS，需将μC／OS-Ⅱ移植到S3（S3C44BOX，并增加一些必要的功能部件。 μC／OS-Ⅱ的移植主要集中在OS_CPU．H、OS_CPU_A．ASM、OS_CPU_C．C等与微处理器相关文件的修改上，上层任务调度部分不需要做任何修改。也就是说，移植工作的绝大部分集中在多任务切换的实现上，因为这部分代码主要用来保存和恢复处理器现场，读／写寄存器等操作不能用C语言，而只能用特定的微处理器的汇编语言来实现。 OS_CPU．H主要实现数据类型定义、退出／进入临界区的宏定义以及堆栈增长方向的定义等。本系统以int类型占2字节为基础定义数据类型；并定义进入／退出临界区采用方法3，即OS_CRITICALMETTHOD=3；同时定义堆栈由高地址向低地址增长。 OS_CPU_C．C包含实现任务堆栈初始化函数、系统hook函数等功能的6个用C语言编写的与操作系统相关的函数。任务堆栈初始化函数（OSTaskStkInit（）） 由任务创建函数OSTaskCreate（）或（）STaskCreateExt（）调用，用来初始化任务的堆栈并返回新的堆栈指针，OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）将指针保存在任务控制块（OS_TCB）中。其余5个钩子函数为空函数。 OS_CPU_A．ASM文件包含4个用汇编语言编写的与处理器相关的函数。它们是OSStartHighRdv（）、OS-TaskSw（）OSIntCtxSw（）和OSTicklSR（）。 OSStartHighRdy（）仅在多任务调度启动时被执一次，用来启动*个就绪的zui高优先级任务；OS-TaskSw（）和OSIntCtxSw（）分别实现任务级和中断级的任务切换；OSTickISR（）是系统时钟节拍中断服务函数。节拍式的中断使得内核可将任务延时若干个整数时钟节拍，以及作为当任务等待事件发生时，提供等待超时的依据。 完成上述工作之后，只需将复杂的应用分成简单的、相互的任务，根据实时性和人机交互要求，为每个任务优先级，利用信号量和消息机制，把各个不同优先级的任务交给操作系统管理。因此，本文所采用的方案，简化了应用程序的编写，较大程度地缓解了实时性和精度之间的矛盾。 4 数据采样 4.1 信号周期的测定 本方案采用ADS7864电力采样芯片进行A／D变换，其使用方法和与S3C44BOX的接口可参考相关技术手册。 整周期同步采样是电力参数测量、分析的基础，是谐波分析中减小频谱泄漏的根本措施。因此，准确测量信号周期，是电力参数检测的前提。常规用一硬件同步电路的方法在电磁干扰严重的场合不能得到满意的效果；双速采样的计算量较大且仍然存在一定误差。 实际电力信号频率变化一般比较缓慢，相邻的几个周波的频率变化很小，针对这个特点，假设信号在相邻两个周期内频率基本不变，首先启动信号周期测量任务MearTTask（），该任务在系统中分配有zui高的优先级，在占先式内核μC／Os-II管理下，具有zui高的运行优先权。通过MearTTask（）不断检测信号的*个正向过零点，然后以AT'=20μs的间隔定时中断采样，软件判断第2个正向过零点M，对两个正向过零点间的中断次数M进行计数，则信号周期为T=20M（μs）。 若zui后一个采样点不是正向过零点，则当满足点M-1的值小于０，点M的值大于0的条件下，可以求出点M-1和M之间线性关系表示的f（t），从而较准确的得到点M-1到正向０点的时间△t，则信号周期为T=20（M－1）+Δt（μs）。 完成一次周期测量时，挂起MearTTask（）任务。下一次测量时，再唤醒MearTTask（）任务。 4．2 信号采样 挂起MearTTask（）任务的同时，启动数据采样任务DataSampleTask（）。在DataSampleTask任务中，以T为基础动态设置中断定时器时间常数，每周期每相电压、电流等间隔采样128点三相数据（实际每点采样3个数据，用于数字滤波），按式（1）～式（3）进行参数计算。 本方法首先要测量信号周期，才能动态的计算出采样周期。因此，需要两个信号周期才能完成信号采样，使得测量速度有所下降，但减小了测量误差，提高了检测精度，且不需要新增锁相环等硬件。 由于系统采用了实时多任务操作系统，且周期测量任务MearTTask（）的优先级更高，所以，只要将上一次周期测量结果用于设定DataSampleTask（）任务的中断时间常数（*次设定以20ms为基础，数据测量结果忽略），MearTTask（）和DataSampleTask（）任务就可以“并行”运行，有利于提高测量速度。 5 结束语 本文采用的软件动态频率跟踪同步采样方法和技术，以32位嵌入式微处理器S3C44BOX芯片和实时多任务操作系统内核μC／OS-Ⅱ为核心，较大程度地解决了测量精度和实时性之间的矛盾。配以的电力参数采集芯片ADS7864，简化了软硬件设计，构成了低成本、高可靠性、多功能的电力系统检测分析装置。 |
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