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基于VxWorks平台的快速交流信号采样及计算
    上世纪90年代，以微处理器为核心的数字式保护已成为继电保护的主流产品，电力系统继电保护技术进入了微机保护时代。随着电力系统对继电保护的要求不断提高，微机保护系统需要具有强实时性、高可靠性和扩展性[1]。系统的实时性由硬件系统和嵌入式软件系统共同决定。在实时性要求较高且任务较多的应用中，适合引入嵌入式实时操作系统RTOS(Real-Time Operating System)。RTOS高效的多优先级任务管理、强大的可移植性和扩展性以及微秒级的中断管理等特性，更加有利于控制效率的提高。VxWorks是硬实时特性最优越的RTOS，且具有高可靠性和可扩展性，能够为继电保护装置提供更好的性能保障。1 继电保护装置软件系统1.1 工作原理及流程目前典型的继电保护装置应用软件系统均采用模块化设计思想，根据继电保护功能的要求分成8个部分：操作系统、交流采样、数据处理、保护控制、数据通信、人机交互及信息记录。各模块根据各自特点完成相应任务，使系统软件结构清晰，便于调试、连接、修改和移植。1.2 系统软件框架设计根据所要实现的功能和软件模块化设计的要求，设计了基于VxWorks的系统软件，包括硬件驱动程序模块、板级支持包（BSP）模块、VxWorks RTOS模块、中断处理模块、保护控制模块、人机交互模块、通信任务模块、信息记录模块等。系统软件框图如图1所示。2 交流采样功能设计与实现2.1 中断服务由于A/D采样对实时性要求极高，因此采用中断服务子程序的方式实现。本设计利用Timer的定时中断控制A/D采样的频率，利用VxWorks提供的接口函数intConnet()将A/D的采样函数挂靠到定时中断Timer1的中断向量上。继电保护的交流采样可以分为数据采样和采样数据处理两部分。数据采样在采样定时周期控制下，将A/D转换好的数据通过SPI总线送到CPU采样数据存储区。采样数据处理则是CPU对已采样数据进行傅氏滤波、提取交流信号的各电气量参数。该部分软件的计算量需求是所有程序中最多的，因此是优化的关键部分。2.2 数据采样数据采样首先要考虑AD采样精度和采样率。采用ADI公司的12 bit ADC AD7940，针对所要采样波形的最高频率是工频5次谐波的要求，选择了1 kHz采样率，即每周波采样20个点。在采样定时周期中断到来时， ADC开始启动13路模数转换。一路采样完毕之后，通过SPI总线传送到定义的采样数据存储区；当13路数据传送完毕，就可以进行采样数据的傅氏滤波处理，计算出三相交流电的电流、电压的幅值和相位。2.3 数据处理2.3.1 离散傅氏算法交流采样数据的处理是系统计算工作的核心，它的实时性和精度决定了保护任务的实时性和系统响应的准确性，从而影响整个系统的性能实现。因此，交流采样数据处理算法的选择十分重要。虽然快速傅氏算法(FFT)理论上要比离散傅氏算法(DFT)具有更高的速度[4]，但在继电保护应用中，考虑到采样点数、计算量以及系统的实时性需求，采用了DFT作为处理算法。根据傅氏级数原理，各次谐波分量的实部和虚部的时域表达式为：当傅氏分析方法应用于计算机处理时，即为DFT形式。设信号x(t)每周期的采样点数为N，则采样间隔将是Ts=T/N，则式(1)、式(2)离散化后得到DFT的公式可表达为：从式（3）和式（4）得出，使用DFT算法计算信号的一个谐波分量，共需 2N次乘法和(2N-1)次加法，这样每次抽样所需计算的数据量非常大，而且随着N的增长，计算量将显著增加。根据一般电力系统继电保护的应用，本文对13个通道的电流和电压信号进行采样，在每周波采样20个点的情况下，为了得到每个通道的幅值和相位，总共需要计算520次正余弦、520次乘法、507次加法、13次开平方和13次反正切，因此需要采用优化措施以减小计算量。2.3.2 实时性优化(1)快速查表为了避免在傅氏运算中计算sin(2&k/N)、cos(2&k/N)(k=0，1，2，&，N)等三角函数的值，在系统初始化时应将这些值事先计算出来并保存到一个表中，运算过程中以查找表的形式直接获取正余弦函数计算的值。(2)定点乘法AD7490输入模拟电压范围是0 V～5 V，对应的输出数字范围是0x00～0xFFF。由于SEP4020处理器不支持浮点运算，所以对小数的运算将非常耗时。为了避免进行小数运算，采用了小数定点运算方法，用整型替代实型运算。这里定点的定标设为15，整型数0x8000就对应实型数1.0。为了保持定点运算，避免sin(2&k/N)、cos(2&k/N)带来的小数运算，这里对sin(2&k/N)、cos(2&k/N)计算出来的值进行定点化处理，并将其乘以2的15次方取整后得到16 bit的有符号整数。这样傅氏算法的循环浮点乘操作就转变成整数乘法，既保留了傅氏算法的高精度特性，又极大地提高了傅氏算法的计算速度。(3)快速开方在利用傅氏计算得到的实部和虚部求幅值时，需要进行开平方运算。而在RISC内核的嵌入式处理器中，如果不对开平方运算做特殊处理，则CPU的运算时间较长，将影响整个系统的实时性，因此考虑采取快速算法来提高开平方运算的速度。本文的开平方运算对象是无符号的整型数，可以采用一种只利用移位、加法实现整数开平方算法的方法。由于RISC内核中有内置的桶型移位器，因此该算法可以用汇编程序实现[6]。整数快速开方算法函数的代码如下：unsigned long isqrt(unsigned long x){unsigned long temp,Q=0,b=0x8000,bShft=15；__asm{mov b,#0x8000mov bShft,#15mov Q,#0loop:add temp,b,Q,lsl#1subs temp,x,temp,lsl bShft addge Q,Q,bmovgex,tempsub bShft,bShft,#1movs b,b,lsr#1bne loop}return Q；}3 测试及结果分析3.1 测试环境介绍硬件系统以32 bit RISC内核微处理器SEP4020和12 bit ADC AD7490为核心，包括交流采集子模块、电源子模块、显示与键盘子模块和出口子模块等。其系统框图如图2所示。3.2 优化结果给傅氏算法提供一个理论采样信号：精度测试结果如表1所示，计算速度测试结果如表2所示（N=20）。可见，改进后的傅氏算法与原有的傅氏算法相比较，数据处理的总时间缩短到原来的44.5%，计算实部、虚部运算时间缩短到优化前的43.4%，幅值部分整型快速开方的计算时间缩短到优化前的87.8%。虽然与原来的傅氏算法相比在误差方面稍大，但可以满足精度要求。本文提出了基于VxWorks RTOS的电力系统继电保护装置的软件系统，并对其中的交流信号采样及计算关键程序&&DFT算法进行了优化设计。优化后的数据处理结果仍保持了较高精度，但时间大幅度缩短。本文研究结果将有助于提高电力系统装置的实时性，适用于更高采样率和计算密度下的应用。
收录时间:日 14:11:23 来源:电子产品世界 作者:匿名
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你可能喜欢vxWorks信号的使用有关问题 - VxWorks当前位置:& &&&vxWorks信号的使用有关问题vxWorks信号的使用有关问题&&网友分享于：&&浏览：27次vxWorks信号的使用问题求助我在利用信号（signal）实现模拟软中断的功能，由于需要模拟定时中断，所以在看门狗（watchDog）服务程序中向目标任务发送信号，以中断目标任务，目标任务总共有32个，但是在该程序的运行过程中，前10个目标任务中出现页错误，后22个任务丢失信号信息，不知道为何原因，请大虾指教，小弟不胜感激！！------解决方案--------------------
把目标任务数量减少到1个试试看？
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这个提示可能是内存出错了，检查一下程序
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12345678910 上一篇：下一篇：文章评论相关解决方案 12345678910 Copyright & &&版权所有基于VxWorks平台的快速交流信号采样及计算--《电子技术应用》2011年02期
基于VxWorks平台的快速交流信号采样及计算
【摘要】：针对在电力系统保护中的交流信号采样实时性问题,采用VxWorks平台实现了快速交流信号采样及有效值计算,并对其中的关键程序——离散傅里叶算法进行了优化设计,包括快速查表、定点乘法、快速开方运算等。通过32位RISC内核微处理器硬件平台的验证结果显示,优化后的数据处理结果仍保持了较高精度,但时间大幅度缩短。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TM930.12【正文快照】：
上世纪90年代,以微处理器为核心的数字式保护已成为继电保护的主流产品,电力系统继电保护技术进入了微机保护时代。随着电力系统对继电保护的要求不断提高,微机保护系统需要具有强实时性、高可靠性和扩展性[1]。系统的实时性由硬件系统和嵌入式软件系统共同决定。在实时性要
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