摘  要： 在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)諧波分析中,，多采用單任務(wù)無順序機(jī)制,，此機(jī)制使系統(tǒng)的安全性質(zhì)量得不到完全保證,， 常常出現(xiàn)安全性差的問題,。針對此問題,，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、采用快速傅里葉變換(FFT)的諧波檢測方法,、通過μC/OS-II在NiosII上的移植可以使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性有很大的改善,，從而使得諧波測量更加精確。
關(guān)鍵詞： μC/OS-II,；FFT,；NiosII；諧波分析

　近年來,，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,，對于諧波分析裝置的研究對諧波污染的治理具有重要的意義,。
　目前，在對電網(wǎng)的諧波進(jìn)行在線檢測和分析時(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，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)諧波測量要求以及μC/OS-II在NiosII上的移植來實(shí)現(xiàn)精確的諧波檢測。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)簡介
　μC/OS-II是基于優(yōu)先級的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核,，優(yōu)先級算法效率高,，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)有自己單獨(dú)的棧,，μC/OS-II允許每個(gè)任務(wù)有不同的?？臻g。
　(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、信號量,、塊大小固定的內(nèi)存的申請與釋放,、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年以來己有好幾百個(gè)商業(yè)應(yīng)用。
1.2 硬件平臺簡介
 　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)算單元和對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的信號處理電路，該信號處理電路包括信號獲取電路,、調(diào)理電路和采樣轉(zhuǎn)換電路,，其中：信號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,，輸出端接調(diào)理電路輸入端,，如圖1所示。

　從現(xiàn)場取來的電壓和電流信號,，首先進(jìn)入精密電壓,、電流互感器組U1，電壓和電流信號經(jīng)其進(jìn)行降壓限流處理后進(jìn)入信號調(diào)理電路U2,；信號調(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,，以完成對電壓信號的電平調(diào)整；經(jīng)過精密電壓,、電流互感器U1,、信號調(diào)理電路U2處理后，從現(xiàn)場取來的高壓,、大電流信號就轉(zhuǎn)換成適合后續(xù)電路處理的弱電信號,，接著該弱電信號進(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,，用于濾除高頻信號成分，使輸入到后級電路中的AD轉(zhuǎn)換器的信號為有限帶寬信號,，該電路U3是以很小的衰減讓有效的頻率信號通過,，而抑制這個(gè)頻帶以外的頻率信號，從而防止信號的頻譜發(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。
1.3 μC/OS-II文件結(jié)構(gòu)與硬件平臺關(guān)系
　μC/OS-II的內(nèi)核文件結(jié)構(gòu)與硬件平臺的關(guān)系如圖2所示,?？梢钥闯?，μC/OS-II內(nèi)核介于硬件平臺和用戶應(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],。

　操作系統(tǒng)把系統(tǒng)軟件和硬件部分隔離開來，這樣就使得系統(tǒng)的設(shè)備操作程序與硬件設(shè)備無關(guān),，從而大大提高了系統(tǒng)的可移植性,。而且軟硬件的測試工作都可分別基于操作系統(tǒng)來完成，使得軟硬件系統(tǒng)并行進(jìn)行測試成為可能,。
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語言寫,，但仍需要用匯編語言寫一些與處理器相關(guān)的代碼，這是因?yàn)?mu;C/OS-II在讀寫處理器寄存器時(shí)只能通過匯編語言來實(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保存和恢復(fù)處理器現(xiàn)場(即相關(guān)寄存器),，因此不能用C語言，只能使用特定處理器的匯編語言完成,。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)類型包括無符號和有符號的8 bit,、16 bit和32 bit整型變量等,。
　因?yàn)樘幚砥鳜F(xiàn)場的寄存器在任務(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度一致,。
　typedef unsigned int OS_STK,；
　堆棧由高地址向低地址增長，這和選擇的編譯器有關(guān),。
　#define OS_STK_GROWTH 1
　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)：
　#define OS_ENTER_CRITICAL()disable_interrupt(),；
　#define OS_EXIT_CRITICAL()enable_interrupt(),；
　#define OS_TASK_SW()OSCtxSw
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?？臻g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,，用來啟動(dòng)優(yōu)先級最高的任務(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)來實(shí)現(xiàn)。
　(2)OSCtxSw()函數(shù)
　任務(wù)級的上下文切換,。它是當(dāng)任務(wù)因被阻塞而主動(dòng)請求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)場保存到該任務(wù)堆棧中，然后獲得最高優(yōu)先級任務(wù)的堆棧指針,，從該堆棧中恢復(fù)此任務(wù)的CPU現(xiàn)場,，使之繼續(xù)執(zhí)行。
　(3)OSIntCtxSw()函數(shù)中斷級的任務(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)先級任務(wù)執(zhí)行,。這樣做的目的是能夠盡快地讓高優(yōu)先級的任務(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，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)鐘信號的高優(yōu)先級任務(wù)，則需要在中斷級別上調(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,，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。該電力諧波分析儀不但可以對電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線諧波分析,，而且可以對數(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。
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