基于FPGA的新型谐波分析仪设计

由于处理器承担着多重任务，因此在系统软件中入了实时操作系统RTOS作为操作系统环境。使用RTOS的优势是非常明显的，它可屏蔽底层设备，提供多进程的并发操作，合理调配优先极不同的任务，有效管理内存空间，使开发者可以集中精力关注于功能的实际算法，并且为软件的调试、移植和有效复用提供良好的条件。本系统使用RTOS为源代码开放的μC/OSII。ΜC/OSII是由Jean J.Labrosse编写的源代码公开的RTOS，目前被移植到多种平台上广泛使用，是一个经过实践考验的优秀RTOS。ΜC/OSII可以同时管理64个进程，每个进程必须有不同优先级。其中优先级0、1、2、3、OS_LOWEST+PRIO-3，OS_LOWEST_PRIO-2，OS_LOWEST_PRIO-1和OS_LOWEST_PRIO为系统保留，所以最大可使用54个进程。ΜC/OSII是一个抢占式的RTOS，即系统能中止低优先级进程的执行，使高优先级的进程获得执行权，这样能有效保障进程调度的实时性。由于μC/OSII的内存管理功能过弱，因此本系统软件中只使用了其进程调度、互斥同步机制及通信机制部分，自行编写了内存管理部分以适应系统网络通信时对内存管理的需求。在系统中创建了6个进程，包括中断响应进程、Ethernet管理进程、串口管理进程、采样控制进程、FFT管理进程及显示进程，其优先级依次下降。中断响应进程负责处理中断的响应和中断的响应进程调用；Ethernet管理进程负责处理TCP/IP通信事件；串行口管理进程负责处理RS485串口通信事件；采样控制进程负责管理采样控制；FFT管理进程负责FPGA的FFT处理单元和处理器之间的事务处理；显示进程负责控制LCD的显示。

具体的软件工作流程为：中断响应进程由于优先级最高，所以可以及时对所有中断进行响应处理。在具体中断发生时，中断响应进程首先判断为何种中断，然后调用相应的处理进程，同时中断响应进程放弃CPU主动休眠，从而让处于低优先级的处理进程可以获得CPU时间运行。在处理完中断后，处理进程主动休眠，在更低优先级的处理进程可以处理完被打断的工作。当所有处理进程均无处理工作时，主动唤醒中断响应进程。处于休眠态的中断响应进程可实时被中断信号所唤醒，从而保证所有中断均能得到实时响应。该系统软件使用RTOS后，程序结构清楚，开发人员可以把精力集中于控制算法上，而不必过多考虑底层的问题，从而有效缩短开发时间，程序的可靠性大大提高。

3 总结

按照本系统所制造的产品已经通过实际测试，其基波幅值误差小于0.2%，谐波幅值误差小于5%，相位误差小于0.2%，其精度满足GB/T 17626.7规定的A级测量仪器精度要求。该产品成本低廉，结构紧凑，抗干扰性强。实际应用中，用户可按实际需求在变电站二次侧任意设置谐波监测点，并可通过局域网或RS485接口方便地接入变电站管理系统中，从而有效实现对线路谐波的监测。