基于μC/OS-II+NiosII的電力諧波分析儀的研究

張文婷 ，宋澤琳 ，馬令坤

(1.中國(guó)人民解放軍第四三二八工廠，山西 長(zhǎng)治 046011；2.陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，加之隨著高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用和整流器、變頻調(diào)速器等大量非線性負(fù)載的使用，使電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的高次諧波，造成了電壓電流波形發(fā)生嚴(yán)重的畸變。當(dāng)電網(wǎng)中存在的諧波成分超過限制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)和用電設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也嚴(yán)重污染了周圍的電氣環(huán)境。而關(guān)于諧波的問題涉及許多方面，其中諧波檢測(cè)是諧波問題的一個(gè)重要分支，也是解決其他諧波問題的重要前提[1]。因此，對(duì)于諧波分析裝置的研究對(duì)諧波污染的治理具有重要的意義。

目前，在對(duì)電網(wǎng)的諧波進(jìn)行在線檢測(cè)和分析時(shí)，常采用采樣數(shù)字式分析裝置，在其系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，多采用單任務(wù)無(wú)順序機(jī)制。這種機(jī)制使系統(tǒng)的安全性得不到完全保證，常常出現(xiàn)安全性差的問題[2]。而這個(gè)問題對(duì)于穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、快速性要求很高的諧波分析裝置來(lái)說是不允許的。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引入具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性和搶占式多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II作為操作平臺(tái)，可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的改善，使應(yīng)用程序模塊化，從而提高代碼的可讀性、可擴(kuò)展性和可移植性，加快了程序開發(fā)的速度[3]。

本文分析了電力系統(tǒng)諧波測(cè)量要求以及μC/OS-II在NiosII上的移植來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的諧波檢測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

μC/OS-II是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，優(yōu)先級(jí)算法效率高，任務(wù)切換速度快，其性能與其他商業(yè)內(nèi)核類似，其特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)可以概括為以下幾個(gè)方面[4]：

(1)公開源代碼：源代碼清晰易讀且結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，注解詳盡，組織有序。

(2)可移植性：μC/OS-II源碼絕大部分是用移植性很強(qiáng)的ANSI C編寫的，而與微處理器硬件相關(guān)部分則采用匯編語(yǔ)言編寫，并且壓到了最低限度。只要該處理器有堆棧指針，有CPU內(nèi)部寄存器入棧出棧指令就可以移植μC/OS-II。

(3)可裁剪：可以只使用 μC/OS-II中應(yīng)用程序需要的那些系統(tǒng)服務(wù)。這種可裁剪性是靠條件編譯實(shí)現(xiàn)的。

(4)占先式：μC/OS-II完全是占先式實(shí)時(shí)內(nèi)核，即總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。

(5)多任務(wù)：可以管理 64個(gè)任務(wù)，但系統(tǒng)保留了8個(gè)任務(wù)，應(yīng)用程序最多可以有56個(gè)任務(wù)。賦予每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須是不相同的。

(6)可確定性：全部 μC/OS-II的函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性，即它們的執(zhí)行時(shí)間是可知的，也就是說，μC/OS-II系統(tǒng)服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間不依賴于應(yīng)用程序任務(wù)的多少。

(7)任務(wù)棧：每個(gè)任務(wù)有自己?jiǎn)为?dú)的棧，μC/OS-II允許每個(gè)任務(wù)有不同的棧空間。

(8)系統(tǒng)服務(wù)：μC/OS-II提供多種系統(tǒng)服務(wù)，如郵箱、消息隊(duì)列、信號(hào)量、塊大小固定的內(nèi)存的申請(qǐng)與釋放、時(shí)間相關(guān)函數(shù)等。

(9)中斷管理：中斷可使正在執(zhí)行的任務(wù)暫時(shí)掛起，中斷嵌套層數(shù)可達(dá)255層。

(10)穩(wěn)定性與可靠性：μC/OS-II是基于 μC/OS的，μC/OS自1992年以來(lái)己有好幾百個(gè)商業(yè)應(yīng)用。

1.2 硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介

在本電力諧波分析系統(tǒng)中，其中包括嵌入式微處理器(嵌入式軟核處理器NiosII)、FFT運(yùn)算單元和對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的信號(hào)處理電路，該信號(hào)處理電路包括信號(hào)獲取電路、調(diào)理電路和采樣轉(zhuǎn)換電路，其中：信號(hào)獲取電路包括精密電壓互感器和精密電流互感器，精密電壓電流互感器的輸入端用于接收采集的電壓電流信號(hào)，輸出端接調(diào)理電路輸入端，如圖1所示。

從現(xiàn)場(chǎng)取來(lái)的電壓和電流信號(hào)，首先進(jìn)入精密電壓、電流互感器組U1，電壓和電流信號(hào)經(jīng)其進(jìn)行降壓限流處理后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路U2；信號(hào)調(diào)理電路U2可由精密電阻和電位器配合高精度集成運(yùn)放AD574組成，以完成對(duì)電壓信號(hào)的電平調(diào)整；經(jīng)過精密電壓、電流互感器U1、信號(hào)調(diào)理電路U2處理后，從現(xiàn)場(chǎng)取來(lái)的高壓、大電流信號(hào)就轉(zhuǎn)換成適合后續(xù)電路處理的弱電信號(hào)，接著該弱電信號(hào)進(jìn)入低通抗混疊濾波電路U3，低通抗混疊電路U3主要由低通抗混疊濾波器組成，用于濾除高頻信號(hào)成分，使輸入到后級(jí)電路中的AD轉(zhuǎn)換器的信號(hào)為有限帶寬信號(hào)，該電路U3是以很小的衰減讓有效的頻率信號(hào)通過，而抑制這個(gè)頻帶以外的頻率信號(hào)，從而防止信號(hào)的頻譜發(fā)生混疊及高頻干擾。在本系統(tǒng)中，低通抗混疊濾波電路U3采用低通抗混疊濾波集成電路Max293低通濾波器，再由后級(jí)電路中AD轉(zhuǎn)換器本身各通道都具有內(nèi)置的抗混疊濾波器并采用∑-△以及過采樣技術(shù)，使得本系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力和抗混疊性能，保證了FFT運(yùn)算能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖1 硬件電路

1.3 μC/OS-II文件結(jié)構(gòu)與硬件平臺(tái)關(guān)系

μC/OS-II的內(nèi)核文件結(jié)構(gòu)與硬件平臺(tái)的關(guān)系如圖2所示。可以看出，μC/OS-II內(nèi)核介于硬件平臺(tái)和用戶應(yīng)用程序之間，通過與CPU相關(guān)的幾個(gè)模塊與硬件平臺(tái)進(jìn)行交互，為用戶應(yīng)用程序提供良好的應(yīng)用程序接口(API)[5]。

圖2 μC/OS-II硬件/軟件體系結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)把系統(tǒng)軟件和硬件部分隔離開來(lái)，這樣就使得系統(tǒng)的設(shè)備操作程序與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)，從而大大提高了系統(tǒng)的可移植性。而且軟硬件的測(cè)試工作都可分別基于操作系統(tǒng)來(lái)完成，使得軟硬件系統(tǒng)并行進(jìn)行測(cè)試成為可能。

2 μC/OS-II內(nèi)核向 NiosII的移植操作

所謂移植，就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行，為了方便移植，μC/OS-II大部分的代碼用C語(yǔ)言寫，但仍需要用匯編語(yǔ)言寫一些與處理器相關(guān)的代碼，這是因?yàn)棣藽/OS-II在讀寫處理器寄存器時(shí)只能通過匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。

μC/OS-II可以看作是一個(gè)多任務(wù)的調(diào)度器，在這個(gè)任務(wù)調(diào)度器上添加了和多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的一些系統(tǒng)服務(wù)。μC/OS-II的設(shè)計(jì)分為與處理器類型無(wú)關(guān)的代碼、與處理器類型相關(guān)的代碼和與應(yīng)用程序有關(guān)的配置代碼三部分。這也是μC/OS-II具有良好的可移植性的原因。移植工作主要集中在多任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)上。這部分代碼主要是用來(lái)保存和恢復(fù)處理器現(xiàn)場(chǎng)(即相關(guān)寄存器)，因此不能用C語(yǔ)言，只能使用特定處理器的匯編語(yǔ)言完成。在NiosII上移植μC/OS-II只需修改三個(gè)和Nios體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件即可[6，7]。下面分別介紹這三個(gè)文件的移植工作。

2.1 OS_CPU.H文件

這部分的移植是和所用的編譯器相關(guān)的，本文使用的編譯器是nios-elf-gcc。需要定義的數(shù)據(jù)類型包括無(wú)符號(hào)和有符號(hào)的8 bit、16 bit和32 bit整型變量等。

因?yàn)樘幚砥鳜F(xiàn)場(chǎng)的寄存器在任務(wù)切換時(shí)都將被保存在當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)的堆棧中，所以O(shè)S_STK數(shù)據(jù)類型應(yīng)該與處理器的寄存器長(zhǎng)度一致。

堆棧由高地址向低地址增長(zhǎng)，這和選擇的編譯器有關(guān)。

宏定義(包括開、關(guān)中斷的宏定義，以及進(jìn)行任務(wù)切換的宏定義)：

2.2 OS_CPU_C.C文件

該文件必須實(shí)現(xiàn)任務(wù)初始化時(shí)的堆棧設(shè)計(jì)，也就是在堆棧增長(zhǎng)方向上如何定義每個(gè)需要保存的寄存器的位置。本文將堆?？臻g設(shè)計(jì)為按任務(wù)堆棧空間由高至低依次保存寄存器 ra、ISTATUS、r1～r31。

該文件還需要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)操作系統(tǒng)規(guī)定的hook函數(shù)，通常都實(shí)現(xiàn)為空函數(shù)。

2.3 OS_CPU A.ASM文件

(1)OSStartHighRdy()函數(shù)

此函數(shù)是在OSStart()多任務(wù)啟動(dòng)后，負(fù)責(zé)從最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的TCB控制塊中獲得該任務(wù)的堆棧指針sp，通過sp依次將CPU現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)。這時(shí)系統(tǒng)就將控制權(quán)交給用戶創(chuàng)建的該任務(wù)進(jìn)程，直到該任務(wù)被阻塞或者被其他更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)搶占CPU。該函數(shù)僅僅在多任務(wù)啟動(dòng)時(shí)被執(zhí)行一次，用來(lái)啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)執(zhí)行，以后多任務(wù)的調(diào)度和切換就由下面的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)OSCtxSw()函數(shù)

任務(wù)級(jí)的上下文切換。它是當(dāng)任務(wù)因被阻塞而主動(dòng)請(qǐng)求CPU調(diào)度時(shí)被執(zhí)行的。它的工作是先將當(dāng)前任務(wù)的CPU現(xiàn)場(chǎng)保存到該任務(wù)堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的堆棧指針，從該堆棧中恢復(fù)此任務(wù)的CPU現(xiàn)場(chǎng)，使之繼續(xù)執(zhí)行。

(3)OSIntCtxSw()函數(shù)中斷級(jí)的任務(wù)切換，它是在ISR(中斷服務(wù)例程)中執(zhí)行任務(wù)切換。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒，則在中斷退出后并不返回被中斷的任務(wù)，而是直接調(diào)度就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)執(zhí)行。這樣做的目的是能夠盡快地讓高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)得到響應(yīng)，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。其原理基本上與任務(wù)級(jí)的切換相同，但是由于進(jìn)入中斷時(shí)已經(jīng)保存過被中斷任務(wù)的CPU現(xiàn)場(chǎng)，因此這里就不用再保存。

(4)OSTickISR()函數(shù)

時(shí)鐘中斷處理函數(shù)。它的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)處理時(shí)鐘中斷，調(diào)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的OSTimeTick函數(shù)，如果有等待時(shí)鐘信號(hào)的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，則需要在中斷級(jí)別上調(diào)度其執(zhí)行。

(5)OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL()函數(shù)

該函數(shù)分別是進(jìn)入臨界區(qū)和退出臨界區(qū)的宏指令。主要用于在進(jìn)入臨界區(qū)之前關(guān)中斷，在退出臨界區(qū)的時(shí)候恢復(fù)原來(lái)的中斷狀態(tài)。

本文將實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II作為操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在NiosII上的移植，用于在電力系統(tǒng)諧波分析中的精確檢測(cè)。該電力諧波分析儀不但可以對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線諧波分析，而且可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)傳，具有精度高、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，特別是它具有高穩(wěn)定性和強(qiáng)實(shí)時(shí)性，為解決電力諧波問題提供了一種有效的分析裝置。

[1]肖雁鴻，毛筱，周靖林，等.電力系統(tǒng)諧波測(cè)量方法綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2002，26(6)：61-64.

[2]吳茂存.基于 FPGA的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)[D].濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2002.

[3]潘松.SOPC技術(shù)實(shí)用教程[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006：220-222.

[4]王建校，危建國(guó).SOPC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993：2-13.

[5]黃燕平.μC/OS-II ARM移植要點(diǎn)詳解[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：9-18.

[6]陳桂.μC/OS-II的內(nèi)核結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[7]孫愷.NiosII系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：259-262.