摘 要： 在傳統的電力系統諧波分析中，多采用單任務無順序機制，此機制使系統的安全性質量得不到完全保證， 常常出現安全性差的問題。針對此問題，引入具有強實時性和搶占式多任務的嵌入式操作系統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的穩定性和實時性有很大的改善，從而使得諧波測量更加精確。
關鍵詞： μC/OS-II；FFT；NiosII；諧波分析
近年來，隨著電力電子技術的快速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛，加之隨著高壓直流輸電技術的應用和整流器、變頻調速器等大量非線性負載的使用，使電網中產生了大量的高次諧波，造成了電壓電流波形發生嚴重的畸變。當電網中存在的諧波成分超過限制標準時，將嚴重影響電力系統和用電設備運行的安全性、可靠性、穩定性和經濟性，同時也嚴重污染了周圍的電氣環境。而關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，在對電網的諧波進行在線檢測和分析時，常采用采樣數字式分析裝置，在其系統軟件設計中，多采用單任務無順序機制。這種機制使系統的安全性得不到完全保證，常常出現安全性差的問題[2]。而這個問題對于穩定性、實時性、準確性、快速性要求很高的諧波分析裝置來說是不允許的。因此，在系統設計中，引入具有強實時性和搶占式多任務的嵌入式操作系統μC/OS-II作為操作平臺，可以使系統的穩定性有很大的改善，使應用程序模塊化，從而提高代碼的可讀性、可擴展性和可移植性，加快了程序開發的速度[3]。
本文分析了電力系統諧波測量要求以及μC/OS-II在NiosII上的移植來實現精確的諧波檢測。
1 系統設計
1.1 μC/OS-II實時操作系統簡介
μC/OS-II是基于優先級的搶占式實時多任務內核，優先級算法效率高，任務切換速度快，其性能與其他商業內核類似，其特點與優勢可以概括為以下幾個方面[4]：
(1)公開源代碼：源代碼清晰易讀且結構協調，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的ANSI C編寫的，而與微處理器硬件相關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中應用程序需要的那些系統服務。這種可裁剪性是靠條件編譯實現的。
(4)占先式：μC/OS-II完全是占先式實時內核，即總是運行就緒條件下優先級最高的任務。
(5)多任務：可以管理64個任務，但系統保留了8個任務，應用程序最多可以有56個任務。賦予每個任務的優先級必須是不相同的。
(6)可確定性：全部μC/OS-II的函數調用和服務的執行時間具有可確定性，即它們的執行時間是可知的，也就是說，μC/OS-II系統服務的執行時間不依賴于應用程序任務的多少。
(7)任務棧：每個任務有自己單獨的棧，μC/OS-II允許每個任務有不同的棧空間。
(8)系統服務：μC/OS-II提供多種系統服務，如郵箱、消息隊列、信號量、塊大小固定的內存的申請與釋放、時間相關函數等。
(9)中斷管理：中斷可使正在執行的任務暫時掛起，中斷嵌套層數可達255層。
(10)穩定性與可靠性：μC/OS-II是基于μC/OS的，μC/OS自1992年以來己有好幾百個商業應用。
1.2 硬件平臺簡介
在本電力諧波分析系統中，其中包括嵌入式微處理器(嵌入式軟核處理器NiosII)、FFT運算單元和對采集數據進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、調理電路和采樣轉換電路，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，輸出端接調理電路輸入端，如圖1所示。
從現場取來的電壓和電流信號，首先進入精密電壓、電流互感器組U1，電壓和電流信號經其進行降壓限流處理后進入信號調理電路U2；信號調理電路U2可由精密電阻和電位器配合高精度集成運放AD574組成，以完成對電壓信號的電平調整；經過精密電壓、電流互感器U1、信號調理電路U2處理后，從現場取來的高壓、大電流信號就轉換成適合后續電路處理的弱電信號，接著該弱電信號進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，而抑制這個頻帶以外的頻率信號，從而防止信號的頻譜發生混疊及高頻干擾。在本系統中，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轉換器本身各通道都具有內置的抗混疊濾波器并采用∑-△以及過采樣技術，使得本系統具有良好的抗干擾能力和抗混疊性能，保證了FFT運算能夠得到準確的結果。
1.3 μC/OS-II文件結構與硬件平臺關系
μC/OS-II的內核文件結構與硬件平臺的關系如圖2所示。可以看出，μC/OS-II內核介于硬件平臺和用戶應用程序之間，通過與CPU相關的幾個模塊與硬件平臺進行交互，為用戶應用程序提供良好的應用程序接口(API)[5]。
操作系統把系統軟件和硬件部分隔離開來，這樣就使得系統的設備操作程序與硬件設備無關，從而大大提高了系統的可移植性。而且軟硬件的測試工作都可分別基于操作系統來完成，使得軟硬件系統并行進行測試成為可能。
2 μC/OS-II內核向NiosII的移植操作
所謂移植，就是使一個實時內核在某個微處理器或微控制器上運行，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的代碼，這是因為μC/OS-II在讀寫處理器寄存器時只能通過匯編語言來實現。
μC/OS-II可以看作是一個多任務的調度器，在這個任務調度器上添加了和多任務操作系統相關的一些系統服務。μC/OS-II的設計分為與處理器類型無關的代碼、與處理器類型相關的代碼和與應用程序有關的配置代碼三部分。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切換的實現上。這部分代碼主要是用來保存和恢復處理器現場(即相關寄存器)，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只需修改三個和Nios體系結構相關的文件即可[6，7]。下面分別介紹這三個文件的移植工作。
2.1 OS_CPU.H文件
這部分的移植是和所用的編譯器相關的，本文使用的編譯器是nios-elf-gcc。需要定義的數據類型包括無符號和有符號的8 bit、16 bit和32 bit整型變量等。
因為處理器現場的寄存器在任務切換時都將被保存在當前運行任務的堆棧中，所以OS_STK數據類型應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。
#define OS_STK_GROWTH 1
宏定義(包括開、關中斷的宏定義，以及進行任務切換的宏定義)：
#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
該文件必須實現任務初始化時的堆棧設計，也就是在堆棧增長方向上如何定義每個需要保存的寄存器的位置。本文將堆棧空間設計為按任務堆棧空間由高至低依次保存寄存器ra、ISTATUS、r1～r31。
該文件還需要實現幾個操作系統規定的hook函數，通常都實現為空函數。
2.3 OS_CPU A.ASM文件
(1)OSStartHighRdy()函數
此函數是在OSStart()多任務啟動后，負責從最高優先級任務的TCB控制塊中獲得該任務的堆棧指針sp，通過sp依次將CPU現場恢復。這時系統就將控制權交給用戶創建的該任務進程，直到該任務被阻塞或者被其他更高優先級的任務搶占CPU。該函數僅僅在多任務啟動時被執行一次，用來啟動優先級最高的任務執行，以后多任務的調度和切換就由下面的函數來實現。
(2)OSCtxSw()函數
任務級的上下文切換。它是當任務因被阻塞而主動請求CPU調度時被執行的。它的工作是先將當前任務的CPU現場保存到該任務堆棧中，然后獲得最高優先級任務的堆棧指針，從該堆棧中恢復此任務的CPU現場，使之繼續執行。
(3)OSIntCtxSw()函數中斷級的任務切換，它是在ISR(中斷服務例程)中執行任務切換。當發現有高優先級任務就緒，則在中斷退出后并不返回被中斷的任務，而是直接調度就緒的最高優先級任務執行。這樣做的目的是能夠盡快地讓高優先級的任務得到響應，保證系統的實時性。其原理基本上與任務級的切換相同，但是由于進入中斷時已經保存過被中斷任務的CPU現場，因此這里就不用再保存。
(4)OSTickISR()函數
時鐘中斷處理函數。它的主要任務是負責處理時鐘中斷，調用系統實現的OSTimeTick函數，如果有等待時鐘信號的高優先級任務，則需要在中斷級別上調度其執行。
(5)OS_ENTER_CRITICAL和OS_EXIT_CRITICAL()函數
該函數分別是進入臨界區和退出臨界區的宏指令。主要用于在進入臨界區之前關中斷，在退出臨界區的時候恢復原來的中斷狀態。
本文將實時嵌入式操作系統μC/OS-II作為操作平臺，實現在NiosII上的移植，用于在電力系統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進行實時在線諧波分析，而且可以對數據進行遠傳，具有精度高、運行穩定、實時性好、抗干擾能力強、性價比高等特點，特別是它具有高穩定性和強實時性，為解決電力諧波問題提供了一種有效的分析裝置。
參考文獻
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[2] 吳茂存.基于FPGA的電力系統諧波檢測[D].濟南：山東科技大學，2002.
[3] 潘松.SOPC技術實用教程[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006：220-222.
[4] 王建校，危建國.SOPC設計基礎與實踐[M].北京：中國標準出版社，1993：2-13.
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[7] 孫愷.NiosII系統開發設計與應用實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：259-262.