作者：許康平,陳建元,韋海鋒

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ad_rx_isr（）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ad_rx_isr（）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。

其次，安排軟件中斷線程（SWI）。所有的軟件中斷都是通過DSP／BIOS內核的API調用來啟動的，為了便于控制，系統為每個SWI對象都設置一個16位的郵箱（Mailbox），可以利用這個郵箱的值有條件地啟動對應的軟件中斷。可以將相對于普通任務比較重要的、發生頻率比較頻繁的子功能模塊安排在軟件中斷線程（SWI）中。其子功能模塊包括：電能質量數據預處理模塊、通信模塊（發送）。電能質量數據預處理模塊主要完成對A／D轉換結果的后續處理。對A／D轉換結果進行預處理是必要的。因為A／D芯片選用固定頻率進行采集，但是電網的頻率fo是波動的，所以直接對采集數據進行FFT運算會產生頻譜泄漏，因此，必須對采集數據進行預處理。例如，對4個周波每個周渡256點一共l024個數據進行1024點的FFT運算。假設4個周波的平均頻率為f，則頻率分辨率為f/4，FFT運算結果依次為f／4、2f/4、3f/4、f、5f/4……頻率上的強度。因此，當電網頻率fo發生變化時，進行FFT運算的電網數據頻率f也要隨之變化，使得進行FFT運算前的電網數據頻率f始終與當前電網的頻率fo保持一致。電能質量數據預處理模塊具體操作是對A／D轉換后的數據進行插值，插值算法采用線性插值。經過驗證，額定電壓下，線性插值算法造成的FFT運算的誤差在O．1‰以內。除此之外，該模塊還有一個功能就是計算一個周波內的電壓有效值。這是計算電壓波動和長時間、短時間閃變的必要數據。通信模塊（發送）負責向上位機發送數據，雖然其實時性要求不高，但是與硬件底層密切聯系，所以設置為軟件中斷線程。當串口接收中斷發生時，調用scia_rx_isr（）函數對接收數據命令進行處理，根據相關的命令發送相應的電能質量數據。DSP／BIOS為軟件中斷對象提供了O～14的優先級，按照上述線程的重要程度，將采集數據處理線程優先級設為14，主機通信線程設為8，其他優先級預留以便將來軟件升級。

需要注意的是：中斷線程（包括硬件中斷和軟件中斷）都運行于相同的堆棧。當高優先級中斷發生導致系統進行任務切換時，高優先級中斷線程會中斷低優先級中斷線程；在運行高優先級中斷線程前會保存低優先級中斷線程相關寄存器內容，在高優先級中斷線程運行結束后，寄存器會恢復為原先的內容，繼續完成原先低優先級線程。所以，如果設置硬件中斷或軟件中斷線程過多，則堆棧將會溢出，為此必須將大部分任務模塊放置在任務線程中。接下來，安排任務線程（TSK）。如同絕大多數實時系統，任務線程是整個系統的主要組成部分。任務線程中的函數可以獨立運行，也可以并行運行。DSP／BIOS任務管理模塊根據任務線程的優先級安排運行，并通過切換函數完成從一項任務到另一項任務的轉換。每個任務有4種執行狀態：運行（run）、就緒（ready）、暫停（blocked）和終止（terminated）。一月任務被創建，它總是處在4個狀態之一。DSP／BIOS為每個任務對象提供了-l～15的優先級。任務會按照嚴格的優先級順序來執行，相同優先級的任務會按照“先來先服務”的原則來安排執行順序。需要注意的足，當創建一個任務線程時，需要同時建立一個屬于該任務的專用堆棧。該堆棧用于存儲奉地局部變量或進一步的函數調用嵌套。

我們將電能質量分析運算模塊、數據存儲模塊、人機交互模塊設置在任務線程（TSK）中。電能質量分析運算模塊又可以分為諧波計算任務線程、電壓波動計算任務線程、閃變計算任務線程3部分。諧波計算任務線程主要負責對電能質量數據預處理后的結果進行FFT運算。FFT運算主要包括位轉換運算、加窗運算、以2為基的蝶形運算、分裂基運算、平方和運算5個部分。電壓波動計算任務線程負責記錄3 min內電網電壓的波動情況。前面電能質量數據預處理模塊已經得出每個周波的電壓有效值，這樣，只須記錄3min內電壓有效值最大值和最小值，兩者之差就是電壓波動。閃變計算仟務線程包括計算短時間閃變和長時間閃變。現在一般采用IEC閃變儀設計方法，輸入適配自檢信號通過平方解調器、帶通加權濾波、平方一階低通濾波、在線統計評價4個過程最終得到閃變值；但足此方法復雜、耗時多。通過算法簡化，得出一種簡單可行的運算方法：對連續256個周波的電壓有效值進行FFT運算，結果再經過加權等一系列運算后可以得到12．8s的閃變值，10min內閃變值經過相關運算就可得到短時間閃變，12次連續短時間閃變（2 h內）經過運算可以得到長時間閃變。經過驗證，此種算法與IEC閃變儀算法相比，誤差在l‰以內。

數據存儲模塊也放置在任務線程中，其過程是將電能質量分析結果、電壓波動以及閃變值存儲在FIash中。人機交互模塊包括鍵盤檢測任務和液晶顯示任務兩部分。鍵盤檢測任務線程可以通過周期函數PRD來完成。PRD可以根據實時時鐘來確定函數運行的時間。這里，設置鍵盤檢測任務100ms運行1次，檢測按鍵。根據按鍵情況，液晶顯示任務顯示當前最新電能質量數據。

最后，就是后臺線程（IDL）。后臺線程（IDL）的優先級最低，一般，將實時分析模塊（TRA）放在其中運行，其可以在應用程序執行期間對DSP應用程序進行實時交互與診斷。CCS巾有CPU負載圖、執行圖示、主機通道控制、信息記錄、統計觀察、實時控制板和內核／對象觀察等實時分析工具。這一系列功能模塊都可以放置在IDL線程中，通過這些工具，整個DSP系統的運行情況將一目了然。

2．2 線程之間的通信與同步

在這個多線程系統中，對共享資源的訪問需要線程之間的相互協調來解決。

DSP/BIOS環境下有3種通信方式，即基于管道（PIPE）的通信、基于流（SIO）通道的通信以及基于主機（HST）通道的通信。

表l顯示了4種線程共享數據和實現同步的途徑。

本系統中，選用數據管道來管理線程之間的數據交換，因為它適用于高速實時或大批量的數據交換。每個數據管道對象保留一個緩存，并將該緩存分成一定數據的定長幀，所有通過數據管道的I/O操作1次處理l幀。多線程之間的同步主要采用郵箱方式。

3 系統實時分析與調試

DSP/BIOS內核本身的開銷對系統程序實時性會有影響，為此需要對DSP/BIOS內核進行優化。可以使用CCS中提供的DSP／BIOS分析工具確定DSP／BIOS的開銷以及整個應用系統的運算量。比如，DSP／BIOS提供的實時分析工具中的CPU負載圖就是常用工具之一。

在最后的集成階段，由于實時交互等原因，會經常出現一些錯誤或者響應不及時的現象。一般來說，由于這些現象是非周期性的并且出現的頻率很低，因此難于發現和跟蹤。然而，由于DSP／BIOS中的RTA模塊是嵌入到其內核中去的，再結合開發人員所提供的定制檢測向量，從而提供了對錯誤產生根源的獨一無二的町視性。該可視化功能極大地幫助了隔離和修正錯誤，是一般嵌入式開發系統所不具備的。

可以從下面四個方面提高整個系統中應用程序的執行性能：為不同的程序函數仔細選擇線程的類型；把系統堆棧放置在片上內存中；降低時鐘中斷頻率；增加流式輸入輸出緩沖器的大小。

4 總 結

DSP/BIOS作為CCS提供的一套工具，其本身僅占用極少的CPU資源，但卻提供相當高的性能，加快了開發進度。采用DSP／BIOS作為電能質量監測終端實時操作系統，編寫DSP程序時控制硬件資源容易、協調各個軟件模塊靈活，大幅加快軟件的開發、調試進度。最終實驗證明，整個系統實時性好，運行穩定可靠。

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