基于DSP/BIOS的電能質量監測終端設計分析

DSP（數字信號處理器）在現今的工程應用中使用越來越頻繁。其原因主要有三點：第一，它具有強大的運算能力，能夠勝任FFT、數字濾波等各種數字信號處理算法；第二，各大DSP廠商都為自己的產品設計了相關的IDE（集成開發環境），使得DSP應用程序的開發如虎添翼；第三，具有高性價比，相對于它強大的性能，不高的價格有著絕對的競爭力。
　　TI為本公司的DSP設計了集成可視化開發環境CCS（Code Composer Studio），而DSP／BIOS是CCS的重要組成部分。它實質上是一種基于TMS320系列DSP平臺的實時操作系統內核，也是TI公司實時軟件技術——eXpress DSP技術的核心部分。DSP／BIOS主要包含三方面的內容：多線程內核、實時分析工具、外設配置庫。
　　1 系統功能需求
　　電能質量監測終端主要功能是對電網（三相電壓、電流）的電能質量進行實時監測與分析。其主要監測量有：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，長時間、短時間閃變。
　　系統選用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的實時性要求。按照系統需求，將本系統分成以下功能模塊：引導自檢模塊、采集任務執行模塊、電能質量數據預處理模塊、電能質量分析運算模塊、數據存儲模塊、通信模塊、人機交互模塊。按照傳統的編程方式，這些功能模塊將以順序結構形式組織在一起，各模塊之間的調用和切換都由各模塊自身的代碼來完成，使得應用程序各模塊之間處于一種耦合狀態。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模塊的調用代碼，而且新增模塊也會明顯影響到原有系統的時間響應特性，使得升級、維護起來相當麻煩。DSP／BIOS的出現提供了另外一種組織應用程序各功能模塊的機制。它將各功能模塊作為任務線程來看待，通過可配置的內核服務使各任務線程在系統調度器的安排下按照優先級的高低分時復用CPU資源，各個任務線程之間通過同步、通信、數據交換等進行協調。這種機制使得應用程序可維護性提高，并且提供了更方便、更高級的謫試手段。根據以上特點，本系統采用DSP／BIOS作為實時內核，并以此為基礎對整個系統進行設計。
　　圖1為系統在DSP／BIOS下的功能模塊分類。
　　
　　2 基于DSP／BIOS的軟件設計
　　2．1 執行線程規劃
　　系統的實時運行中，一些功能函數由外部控制信號驅動或者按既定周期運行，所以，函數的驅動方式和執行周期對實時系統非常重要。DSP／BIOS支持多線程應用，線程可以定義為不同的優先級。高優先級線程可以中斷低優先級的線程，而且不同的線程之間可以實現交互，比如阻塞、通信和同步，線程分為以下4種類型（優先級由高到低）：硬件中斷（HWI）、軟件中斷（SWI）、任務（TSK）、后臺線程（IDL）。按照電能質量監測終端系統的功能需求，將系統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，系統的主要程序代碼放在軟件中斷或任務中；但是，與外部設備密切相關、實時性要求很高的功能模塊程序代碼必須放置在硬件中斷中。本系統按照上述要求，將以下幾個子功能模塊設置為硬件中斷線程：A／D采集任務模塊和通信模塊（接收）。A／D采集是本系統的重要基礎，并且與系統底層硬件緊密相連，所以將它設置為硬件中斷線程（HWI）。其主要流程是：A／D芯片以一定的頻率采集電網的實時數據，然后與DSP的McPSP口進行通信。DSP接收A／D芯片采集的數據，并存儲在片內RAM的特定區域，為其他線程的運算作好準備。通信模塊采用RS485與上位機通信，其與系統的底層硬件密切相關，而且DSP本身的SCI接口只有最大16個字的FIFO，如不及時對接收數據進行處理，將會造成數據丟失。
　　下面介紹HWI模塊在DSP／BIOS中的參數設置。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a***sr（）填寫到HWI_INT6中斷的函數調用項中；同時選擇使用DSP／RI-OS的HWI調度功能，當響應McBSP串口接收中斷時，系統將自動調用a***sr（）函數。McBSP串口接收中斷設置如圖2所示。與McBSP串口接收中斷設置類似，設置SCIA接收中斷為通信接收中斷，將其ISR函數scia_rx_isr（）填寫到HWI_INT9中斷的函數調用項中。響應接收中斷時，系統調用scia_rx_isr（）函數進行處理。CLK線程也屬于HWI硬件中斷線程之一，它為整個系統的運行提供了時間基準，為用戶周期性地調用函數提供了方法，同時為一些代碼評估工具提供了時間參考。CLK模塊完全依賴于DSP的定時器中斷，TMS320C2812為DSP／BIOS提供了2個定時器。