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[摘 要]：本主介紹了一種不需新增硬件的高精度國(guó)軟件動(dòng)態(tài)頻率跟蹤同步采樣方法。詳細(xì)介紹了測(cè)量原理和實(shí)現(xiàn)方法以及基于μＣ／ＯＳ－Ⅱ的實(shí)時(shí)操作建立方法。本文所采用的方案，可簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的編寫，較大程度地緩解實(shí)時(shí)性和精度之間的矛盾。
關(guān)鍵詞：交流采樣技術(shù)是對(duì)輸入電壓、電流信號(hào)的離散采樣，再通過(guò)特定的計(jì)算方法算出各種電力參數(shù)量值。傳統(tǒng)的采樣方法一般基于單片機(jī)或DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）。前者運(yùn)算能力較差，幾乎不能運(yùn)行多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），功能單一；而后者的輸出控制能力較差。本文采用高性能的嵌入式微處理器S3C44BOX芯片和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核μC／OS-Ⅱ，結(jié)合ADS7864專用電力參數(shù)采樣芯片，介紹了一種不需新增硬件的電力參數(shù)高精度軟件動(dòng)態(tài)頻率跟蹤同步采樣裝置?？勺鳛榻鉀Q無(wú)功補(bǔ)償控制、電能質(zhì)量分析和分布式電力監(jiān)控等的主要基礎(chǔ)。
1 算法原理
為計(jì)算電壓、電流有效值，需要實(shí)現(xiàn)整周期同步采樣。硬件同步采樣一般用鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)實(shí)際頻率，再由硬件同步電路向CPU請(qǐng)求中斷實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)出現(xiàn)干擾或波形畸變嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)零點(diǎn)，硬件鎖相環(huán)將失去意義。
異步采樣又為定時(shí)采樣，實(shí)際上是假定電網(wǎng)頻率為某一定值，電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，同步誤差相當(dāng)大，故對(duì)精度要較高的場(chǎng)合是不適用的。
軟件同步采由定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)，首先通過(guò)硬電路測(cè)量電網(wǎng)周T，然后根據(jù)T和每周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N確定定時(shí)器定時(shí)值ΔT=T／N。軟件同步不需要專門的鎖相環(huán)和步電路，與硬件同步采樣相比其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，也要求采樣裝置中具備電網(wǎng)頻率跟蹤測(cè)量環(huán)節(jié)。
在滿足電壓u（t）、電流i（t）同步采樣的條件下，有下列計(jì)算公式．
電壓、電流有效值：
2 系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 硬件構(gòu)成
與一般的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)相比，電力參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：
（1）要求對(duì)電壓和電流信號(hào)同時(shí)采樣，兩者之間無(wú)相差，以便于功率和功率因數(shù)的計(jì)算。
（2）需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，其中涉及到大量的濾波、FFT等信號(hào)處理操作，對(duì)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性要求比較高。
(3)要求采樣頻率與信號(hào)頻率同步，降低頻譜泄漏對(duì)諧波分析精度的影響。
基于以上特點(diǎn)，選擇32位的S3C44BOX嵌入式微處理器和源碼開放的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核μC／OS-Ⅱ作為基本平臺(tái)，配以ADS7864電力參數(shù)專用A／D芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)要求的功能，如三相交流電參數(shù)的檢測(cè)和處理、諧波分析、電容器投切控制及數(shù)據(jù)管理等。
此外，系統(tǒng)外圍的硬件還應(yīng)包括：液晶顯示屏（LED）、鍵盤、海量Flash存儲(chǔ)器、系統(tǒng)的時(shí)鐘和日歷、通信口(網(wǎng)卡或RS-232C)等。它們是保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指定任務(wù)的最底層的部件。
2.2 軟件結(jié)構(gòu)
μC／OS-II是一個(gè)占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，因此，一個(gè)完整檢測(cè)裝置應(yīng)具有軟件結(jié)構(gòu)。
驅(qū)動(dòng)程序是連接底層的硬件和上層API（Application Programming Interface）函數(shù)的紐帶，硬件的改變、刪除或者添加，只需要隨之改變、刪除或者添加提供給操作系統(tǒng)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，而不會(huì)影響到API函數(shù)的功能，更不會(huì)影響到用戶的應(yīng)用程序。μC／OS-II能管理64個(gè)任務(wù)，其中用戶可定義56個(gè)任務(wù)。RTOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)）主要的任務(wù)是使用信號(hào)量、郵箱、消息（消息隊(duì)列）等機(jī)制進(jìn)行多任務(wù)之間的調(diào)度和同步，協(xié)調(diào)各個(gè)硬件資源不會(huì)產(chǎn)生沖突。
操作系統(tǒng)的基本任務(wù)主要包括LCD的刷新任務(wù)、系統(tǒng)鍵盤掃描任務(wù)。這兩個(gè)任務(wù)隨操作系統(tǒng)的啟動(dòng)而運(yùn)行。
用戶的應(yīng)用程序建立在系統(tǒng)的主任務(wù)（Main_Task）基礎(chǔ)之上，主要通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)的API函數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，完成用戶的要求。
3 μC／OS-Ⅱ的移植
多任務(wù)RTOS是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代多功能實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的唯一途徑。μC／OS-II僅僅是一個(gè)源碼開放的RTOS內(nèi)核，要建立實(shí)用的RTOS，需將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等與微處理器相關(guān)文件的修改上，上層任務(wù)調(diào)度部分不需要做任何修改。也就是說(shuō)，移植工作的絕大部分集中在多任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)上，因?yàn)檫@部分代碼主要用來(lái)保存和恢復(fù)處理器現(xiàn)場(chǎng)，讀／寫寄存器等操作不能用C語(yǔ)言，而只能用特定的微處理器的匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。
OS_CPU．H主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型定義、退出／進(jìn)入臨界區(qū)的宏定義以及堆棧增長(zhǎng)方向的定義等。本系統(tǒng)以int類型占2字節(jié)為基礎(chǔ)定義數(shù)據(jù)類型；并定義進(jìn)入／退出臨界區(qū)采用方法3，即OS_CRITICALMETTHOD=3；同時(shí)定義堆棧由高地址向低地址增長(zhǎng)。
OS_CPU_C．C包含實(shí)現(xiàn)任務(wù)堆棧初始化函數(shù)、系統(tǒng)hook函數(shù)等功能的6個(gè)用C語(yǔ)言編寫的與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)。任務(wù)堆棧初始化函數(shù)（OSTaskStkInit（））
由任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreate（）或（）STaskCreateExt（）調(diào)用，用來(lái)初始化任務(wù)的堆棧并返回新的堆棧指針，OSTaskCreate（）或OSTaskCreateExt（）將指針保存在任務(wù)控制塊（OS_TCB）中。其余5個(gè)鉤子函數(shù)為空函數(shù)。
OS_CPU_A．ASM文件包含4個(gè)用匯編語(yǔ)言編寫的與處理器相關(guān)的函數(shù)。它們是OSStartHighRdv（）、OS-TaskSw（）OSIntCtxSw（）和OSTicklSR（）。
OSStartHighRdy（）僅在多任務(wù)調(diào)度啟動(dòng)時(shí)被執(zhí)一次，用來(lái)啟動(dòng)第一個(gè)就緒的最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)；OS-TaskSw（）和OSIntCtxSw（）分別實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)和中斷級(jí)的任務(wù)切換；OSTickISR（）是系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù)。節(jié)拍式的中斷使得內(nèi)核可將任務(wù)延時(shí)若干個(gè)整數(shù)時(shí)鐘節(jié)拍，以及作為當(dāng)任務(wù)等待事件發(fā)生時(shí)，提供等待超時(shí)的依據(jù)。
完成上述工作之后，只需將復(fù)雜的應(yīng)用分成簡(jiǎn)單的、相互聯(lián)系的任務(wù)，根據(jù)實(shí)時(shí)性和人機(jī)交互要求，為每個(gè)任務(wù)指定優(yōu)先級(jí)，利用信號(hào)量和消息機(jī)制，把各個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)交給操作系統(tǒng)管理。因此，本文所采用的方案，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的編寫，較大程度地緩解了實(shí)時(shí)性和精度之間的矛盾。
4 數(shù)據(jù)采樣
4.1 信號(hào)周期的測(cè)定
本方案采用ADS7864專用電力采樣芯片進(jìn)行A／D變換，其使用方法和與S3C44BOX的接口可參考相關(guān)技術(shù)手冊(cè)。
整周期同步采樣是電力參數(shù)測(cè)量、分析的基礎(chǔ)，是諧波分析中減小頻譜泄漏的根本措施。因此，準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)周期，是電力參數(shù)檢測(cè)的前提。常規(guī)用一硬件同步電路的方法在電磁干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合不能得到滿意的效果；雙速采樣的計(jì)算量較大且仍然存在一定誤差。
實(shí)際電力信號(hào)頻率變化一般比較緩慢，相鄰的幾個(gè)周波的頻率變化很小，針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，假設(shè)信號(hào)在相鄰兩個(gè)周期內(nèi)頻率基本不變，首先啟動(dòng)信號(hào)周期測(cè)量任務(wù)MearTTask（），該任務(wù)在系統(tǒng)中分配有最高的優(yōu)先級(jí)，在占先式內(nèi)核μC／Os-II管理下，具有最高的運(yùn)行優(yōu)先權(quán)。通過(guò)MearTTask（）不斷檢測(cè)信號(hào)的第一個(gè)正向過(guò)零點(diǎn)，然后以AT''=20μs的間隔定時(shí)中斷采樣，軟件判斷第2個(gè)正向過(guò)零點(diǎn)M，對(duì)兩個(gè)正向過(guò)零點(diǎn)間的中斷次數(shù)M進(jìn)行計(jì)數(shù)，則信號(hào)周期為T=20M（μs）。
若最后一個(gè)采樣點(diǎn)不是正向過(guò)零點(diǎn)，則當(dāng)滿足點(diǎn)M-1的值小于０，點(diǎn)M的值大于0的條件下，可以求出點(diǎn)M-1和M之間線性關(guān)系表示的f（t），從而較準(zhǔn)確的得到點(diǎn)M-1到正向０點(diǎn)的時(shí)間△t，則信號(hào)周期為T=20（M－1）+Δt（μs）。
完成一次周期測(cè)量時(shí)，掛起MearTTask（）任務(wù)。下一次測(cè)量時(shí)，再喚醒MearTTask（）任務(wù)。
4．2 信號(hào)采樣
掛起MearTTask（）任務(wù)的同時(shí)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采樣任務(wù)DataSampleTask（）。在DataSampleTask任務(wù)中，以T為基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)設(shè)置中斷定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，每周期每相電壓、電流等間隔采樣128點(diǎn)三相數(shù)據(jù)（實(shí)際每點(diǎn)采樣3個(gè)數(shù)據(jù)，用于數(shù)字濾波），按式（1）～式（3）進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。
本方法首先要測(cè)量信號(hào)周期，才能動(dòng)態(tài)的計(jì)算出采樣周期。因此，需要兩個(gè)信號(hào)周期才能完成信號(hào)采樣，使得測(cè)量速度有所下降，但減小了測(cè)量誤差，提高了檢測(cè)精度，且不需要新增鎖相環(huán)等硬件。
由于系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，且周期測(cè)量任務(wù)MearTTask（）的優(yōu)先級(jí)更高，所以，只要將上一次周期測(cè)量結(jié)果用于設(shè)定DataSampleTask（）任務(wù)的中斷時(shí)間常數(shù)（第一次設(shè)定以20ms為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果忽略），MearTTask（）和DataSampleTask（）任務(wù)就可以“并行”運(yùn)行，有利于提高測(cè)量速度。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文采用的軟件動(dòng)態(tài)頻率跟蹤同步采樣方法和技術(shù)，以32位嵌入式微處理器S3C44BOX芯片和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核μC／OS-Ⅱ?yàn)楹诵模^大程度地解決了測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性之間的矛盾。配以專用的電力參數(shù)采集芯片ADS7864，簡(jiǎn)化了軟硬件設(shè)計(jì)，構(gòu)成了低成本、高可靠性、多功能的電力系統(tǒng)檢測(cè)分析裝置。 |
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