基于VxWorks的配電終端頻率采集方法研究

深圳市賦安安全系統有限公司 吳曉娜

引言

電力系統的頻率主要和系統負荷有關。大型機組的投切、大功率負荷的變化都可能引起電力系統頻率的變化；發電量大于用電負荷時或有部分線路跳閘時，系統頻率會升高；當負荷突增或發電機跳閘時，系統頻率會下降，進而使電壓水平下降。頻率或電壓不穩定，對發電廠及電力系統本身帶來危害，更重要的是不能滿足用戶對電能質量的要求，直接影響用戶的產品質量，影響電子計算機的正常工作。為確保電力系統安全穩定運行和提供優質電能，有必要對電力系統的頻率和電壓進行測量，通過調度管理系統調整電網上的電力供應與負荷的平衡，保證電網的運行頻率維持在允許變動范圍內，來維持整個電力系統安全穩定地運行[1]。

本文的配電終端設計了基于VxWorks實時操作系統的頻率和電壓采集方法。通過將被測電壓信號經過過流比較器得到方波信號，利用定時器的捕獲模式進行被測信號頻率的測量。通過一個周波采集32個點進行電壓的測量，采樣時間間隔根據測量得到的頻率進行動態調整，保證了在交流信號波動時頻率和遙測的測量精度。

1.頻率采樣的硬件設計原理

本文設計的頻率采樣采用的是過零相位比較方法，利用周期信號相繼過零點的時間寬度來計算頻率。一次高壓10kV通過電壓互感器PT轉換成額定100V的低電壓，然后通過配電終端內部的電壓變換器將PT轉換的低電壓進一步轉換成-5V- +5V的電壓，以適應于配電終端的嵌入式系統。采用過零電壓比較器電路將正弦波信號轉換成方波，通過測量方波的周期從而計算出周期信號的頻率。

配電終端的核心硬件采用ATMEL的ATSAM9X25微處理器，包含兩個定時器/計數器（TC0、TC1），每個定時器有三個相同的32 位定時器/計數器通道（0、1、2），每個通道有兩個信號口線（TIOA、TIOB）。每個通道可獨立編程，以執行不同功能包括頻率測量，事件計數，間斷測量，脈沖發生，延遲定時和脈寬調制。定時器的捕獲模式允許定時器通道對輸入的TIOA 和TIOB 信號上的脈沖時序，頻率，周期，占空比和相位進行測量。被測周期信號經過電壓變換器轉換成小電壓，然后通過過零比較器，信號由正電壓過零時，跳變為低電平，信號由負電壓過零時，跳變為高電平，從而可以將正弦波轉換成方波信號，將方波信號輸入ATSAM9X25微處理器的定時器/計數器的捕獲模式通道TIOA 口線，即可測量出被測周期信號的頻率。電壓變換器的小電壓經過模數轉換器轉換成數字信號，處理器采集到數字信號經過處理后轉換成對應的PT側的二次電壓，即可求出遙測值[2]。硬件設計原理如圖1所示。

當在TIOA 信號上產生一個可編程事件時可用計數器值裝載RA和RB。寄存器A 和B（RA 和RB)被用作捕獲寄存器。通過設置通道模式寄存器定義裝載寄存器A 和B的TIOA 邊沿、外部觸發信號的邊沿、時鐘選擇以及時鐘反轉。當被測信號通過過零比較器得到的方波信號的上升沿到來時，產生觸發信號，計數器將當前計數值復制到RA/RB捕獲寄存器，計數器清零，當再一個上升沿到來時，再次產生觸發信號，計數器又將當前計數值復制到RA/RB寄存器，然后計數器清零。RA/RB捕獲寄存器得到的計數值即為被測信號一個周波的計數值。根據一個周波的計數值，通過定時器的時鐘便可計算出被測信號的頻率為定時器的時鐘頻率/計數值，其中定時器的時鐘頻率為微處理器的主頻經過分頻得到的。

圖1 硬件設計原理

2.驅動程序實現方法

配電終端基于VxWorks的開發平臺，VxWorks 是美國 Wind River System風河公司推出的一個實時操作系統，可以滿足配電終端的實時性要求。為了便于平臺的移植，設計了基于VxBus的定時器驅動程序以及基于字符設備的頻率采集的驅動程序。

VxBus是風河公司新的設備驅動程序架構，是VxWorks新增的特性，它是在VxWorks6.2及以后版本被增加到VxWorks中的。本文采用的VxWorks6.8版本的開發平臺，各種驅動和支持組件的添加與刪除完全可以在Workbench集成開發環境的工程中進行，不需要BSP和驅動相關的知識，也不會在添加或者刪除驅動時增加管理VxWorks工程的額外工作。

2.1 定時器的驅動程序設計

定時器驅動根據VxBus驅動模型來設計，包括驅動的注冊、驅動初始化和驅動設計[3]。

2.1.1 驅動的注冊和初始化

VxWorks內核啟動前，sysHwInit()函數調用hardWareInterFaceInit()，這個函數是VxBus驅動初始化的入口函數。這個函數首先初始化硬件內存分配機制，然后調用hardWareInterFaceBusInit( )，根據config.h包含的使用VxBus架構驅動的設備類型進行基于VxBus的定時器驅動的注冊vxbAt91sam9x25TimerDrvRegister( )。

在完成注冊后，程序調用vxbInit()進行設備掃描，讀取hwconf.c文件中的hcfDeviceList[]數組，根據數組中的資源與已經注冊了的驅動程序進行設備名字和驅動名字的匹配查找。如果找到匹配的會創建一個實例，即每個驅動和設備之間的一對關聯關系[3]。vx-bInit()會建立實例鏈表，將所有實例統一管理，并調用定時器驅動的第一階段初始化函數at91sam9x25TimerInstInit()，初始化內部數據結構，完成任何所需的硬件定時器初始化。

VxWorks內核啟動后，sysHwInit2()函數調用vxbDevInit()，這個函數調用定時器驅動的第二階段初始化函數at91sam9x25TimerInstInit2()，連接定時器中斷服務程序到定時器中斷源上。

sysHwInit2()函數接著以任務的形式運行vxbDevConnect()，這個函數調用定時器驅動的第三階段初始化函數at91sam9x25TimerInstConnect()，用于設備的連接，通常可以不使用。至此，定時器驅動的初始化完成[4]。

2.1.2 驅動設計

一旦定時器驅動程序被注冊，調用驅動函數func{vxbTimerFuncGet}( )，系統和驅動之間的所有交互發生通過vxbTimerFunctionality數據結構的返回指針。在一個定時器驅動中，{vxbTimerFuncGet}( )方法通過使用其驅動程序提供的例程實現，驅動在vxbTimerFunctionality結構體描述所需定時器的函數指針。下面部分，描述了定時器驅動所支持的服務程序[5]。

(*timerAllocate)( )程序被用來在運行的VxWorks系統中分配一個特定的定時器。

(*timerRelease)( )程序用來釋放一個特定定時器通過(*timerAllocate)( ) 之前分配的。

(*timerCountGet)用來查詢定時器當前值。

(*timerRolloverGet)( )程序用來查詢最大值，值為定時器使用(*timerCountGet)( ) 程序返回的。

(*timerDisable)( )用來禁用底層硬件定時器產生的中斷。(*timerEnable)( )用來使能底層硬件定時器產生的中斷。

(*timerISRSet)( )被調用連接定時器中斷服務程序到定時器中斷源，一個定時器中斷產生時調用一次定時器中斷服務程序。

2.1.3 API接口設計

在定時器中斷服務程序里，讀取定時器狀態寄存器判斷是RC比較器中斷還是捕獲模式的裝載中斷，然后回調各自的用戶定時器中斷服務程序。當應用層用到硬件定時器時，需要底層驅動提供用戶定時器的API接口函數。在內核啟動過程中，完成用戶定時器的初始化，包括調用函數vxbInstByNameFind()通過設備名和設備號查找實例。vxbDevMethodGet()查詢到定時器實例支持{vxbTimerFunc-Get}( )方法，返回定時器驅動提供的相應函數的指針。

應用層通過調用usrClkConnect()，實現將特定硬件定時器通道號的中斷服務程序連接到定時器中斷源。調用usrClkRateSet()、usrClkRateGet()實現對定時器定時間隔的設置和讀取。調用usrClkEnable()、usrClkDisable()實現對定時器RC比較器中斷的使能和禁用。

2.2 頻率采集的驅動程序設計

頻率采集驅動根據字符設備來設計。應用層首先調用標準的I/O子系統層的API接口函數，然后I/O子系統層調用頻率采集驅動程序完成對頻率的采集。為了實現這個過程，頻率采集驅動程序需要向I/O子系統層注冊，通過at91sam9x25FrqDrv() 調用iosDrvInstall()，完成頻率采集驅動程序驅動列表的注冊，驅動號即為ios-DrvInstall() 的返回值。

通過at91sam9x25FrqDevCreate() 調用iosDevAdd() 完成頻率采集驅動程序設備列表的創建。

在at91sam9x25FrqDrv()對驅動的注冊時調用iosDrvInstall ()，可以對定時器/計數器的捕獲模式進行初始化配置，設置用戶定時器TC0的2通道用于頻率的測量，連接用戶定時器中斷服務程序到定時器中斷源。當應用層打開設備時，采用TIOA口線，使能捕獲模式的捕獲寄存器RA/RB裝載中斷。

當定時器/計數器的捕獲模式捕獲到有觸發信號的上升沿到來時，計數器裝載RA/RB寄存器，產生裝載中斷，進入中斷服務程序。中斷服務程序讀取RA/RB捕獲寄存器的值，對該值進行干擾處理，有效值即為一個周波的計數值。在驅動程序的讀函數中，計算出被測信號的頻率f = 定時器時鐘頻率/計數值。

3.應用軟件實現方法

頻率的采集可用于對遙測采樣間隔的時間跟隨。應用程序首先打開頻率采集的設備，此時RA/RB裝載中斷或RC比較器中斷使能，通過設置用戶定時器TC1的0通道進行遙測的定時采樣，調用usrClkConnect()連接遙測定時器TC1的0通道中斷服務程序到定時器中斷源。使能定時器中斷，開始測量遙測時先按照頻率為50Hz，每周波采集32個點，采樣的時間間隔為0.625ms。當定時時間間隔到時，進入遙測定時器中斷服務程序，讀取遙測瞬時值，計算定時中斷次數，當次數為32時，表示采集了一個周波的值，當計數到32N時，表示采集了N個周波，N可以根據開發人員自己設置。當采集N個周波后，調用read()讀取頻率值，調用頻率采集的驅動過程如上圖3所示。根據讀到的頻率值f進行采樣時間間隔的動態調整，采樣間隔為(1/f)/32 s。應用軟件實現遙測的采集以及頻率跟隨的過程如圖2示。

圖2 遙測的采集以及頻率跟隨流程圖

4.總結

本文通過對交流電壓信號進行電壓變換器轉換成小電壓信號，然后進行過零比較器的處理，得到方波信號，對方波信號的周波脈沖計數得到交流信號的頻率。被測交流信號遙測的采集時間間隔可以根據頻率進行跟隨，從而保證在交流信號波動時的遙測精度。配電終端采用基于VxWorks的定時器驅動和頻率驅動，具有多任務處理、實時性強、移植性好的特點，對于確保配電終端在配電自動化系統中的安全、穩定、可靠運行起到了重要作用。

[1]劉鵬,羅杉.電力系統頻率及電壓降低時的處理[J].科技資訊,2010(7).

[2]劉思宇.基于MK61的配網終端交流同步采集系統設計[J].無線互聯科技,2013(9).

[3]趙永剛, 韓國義.基于VxBus的設備驅動開發[J].微型機與應用,2010(18).

[4]李海亮. VxWorks環境下定位系統顯控軟件設計[D].哈爾濱工程大學碩士論文,2007.

[5]李立哲,呂偉,樊丁.基于VxWorks的航空發動機控制系統軟件設計[J].電光與控制,2010(9).