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

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)a***sr（）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a***sr（）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。