基于μC/OSⅡ的備用電源自動投入裝置設(shè)計

摘要  備自投裝置是電力系統(tǒng)中常用的一種安全自動裝置，在發(fā)電廠和變電站及配電網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的應(yīng)用。本文引入嵌入式操作系統(tǒng)μC／0S_II，將它移植到以TMS320F240 DSP和XIlinx CPLD為核心設(shè)計的新型備自投裝置的硬件平臺上，并詳細介紹該裝置的任務(wù)劃分和任務(wù)調(diào)度。
關(guān)鍵詞 μC／OS-II 電源投切裝置 任務(wù)劃分任務(wù)調(diào)度移植

引 言
    備用電源自動投入裝置是當(dāng)工作電源因故障斷開以后，能自動而迅速地將備用電源投入到工作或?qū)⒂脩羟袚Q到備用電源上去，從而使用戶不至于被停電的一種自動裝置，簡稱備自投。

    備自投裝置作為電力系統(tǒng)中常用的一種安全自動裝置，其發(fā)展與繼電保護裝置一樣經(jīng)過了電磁(整流)型、晶體管型、集成電路型和微機型四個主要階段。究其本質(zhì)，各階段的主要技術(shù)區(qū)別在于對采集量(電流量、電壓量、開關(guān)量)的運算方式和邏輯功能的實現(xiàn)方式上有所不同。目前，以微機型備用電源自投裝置為應(yīng)用主流，它將電流量、電壓量等模擬量通過VFC(壓頻變換器)元件或ADC元件轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送到裝置的數(shù)據(jù)總線上，通過預(yù)設(shè)程序?qū)?shù)字量和開關(guān)量進行綜合邏輯分析，并根據(jù)分析結(jié)果作用于相關(guān)斷路器，從而實現(xiàn)自動切換功能。

    DSP芯片也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。

    本文采用μC／OS-II作為軟件平臺的操作系統(tǒng)，它是一種優(yōu)先級占先式內(nèi)核，具有多任務(wù)的實時調(diào)度能力，更加適合管理DSP豐富的外設(shè)資源，從而更好地發(fā)揮其高效的運算性能，滿足備自投裝置實時性、可靠性等要求。

1 μC／OS_Il的移植與配置
    為了方便移植，大部分μC／OS_II的代碼是用C語言編寫的，但底層與處理器硬件相關(guān)的少量代碼仍使用匯編語言編寫。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。圖l說明了μC／OS_II的結(jié)構(gòu)以及與硬件的關(guān)系。

    首先，修改與TMS320F240相關(guān)的文件OS_CPU．H、OS_CPU_A．ASM和OS_CPU_C．C，再加上其公開的系統(tǒng)源代碼，將它們一起拷入指定的文件目錄，系統(tǒng)的移植就完成了。系統(tǒng)移植成功后，需要對操作系統(tǒng)進行裁剪，把用不到的功能去掉，以最大限度地節(jié)省存儲空間。這項工作是通過OS_CFG．H中的宏定義進行的，本文用到多任務(wù)管理、信號量、互斥量等功能。在本應(yīng)用中，μC／OS_II內(nèi)核經(jīng)過剪裁后只有2 KB左右，相對TMS320F240的16 KB內(nèi)部程序FIash只用了不到八分之一。下面是測試內(nèi)核能否正常工作的應(yīng)用程序。測試結(jié)果如圖2所示，表明移植成功。

   

2 新型背自投動作邏輯的運行背景與硬件平臺
    該動作邏輯適用的接線方式是：2條進線、分段母線帶內(nèi)橋和2臺三圈變壓器。具體如圖3所示。

    其中Ulab反映進線1有無電壓，Il反映進線1有無電流，U1AB、U1BC反映母線1段有無電壓，U1CA反映主變1有無電壓；U2ab反映進線2有無電壓，12反映進線2有無電流，U2AB、U2BC反映母線2段有無電壓，U2CA反映主變2有無電壓。

    根據(jù)動作邏輯和其自適應(yīng)性，本裝置需要采集8路開入量：斷路器1的KKJ位置和TWJ位置；斷路器2的KKJ位置和TWJ位置；斷路器3的KKJ位置和TWJ位置；主變1保護動作信號量ACTl；主變2保護動作信號量ACT2。同時，需要5路開出量：斷路器1的跳閘命令和合閘命令；斷路器2的跳閘命令和合閘命令；斷路器3的合閘命令。

    本裝置以TMS320F240 DSP和Xilinx CPLD為核心設(shè)計其硬件平臺，根據(jù)備自投裝置的要求，系統(tǒng)要實現(xiàn)以下功能：鍵盤輸入、參數(shù)顯示、模擬量采集、開關(guān)量輸入輸出、看門狗單元以及通信等。

    裝置采集進線和主變的8路電壓量和2路電流量以及繼電器和主變保護的開關(guān)位置狀態(tài)，并跟蹤變電站系統(tǒng)當(dāng)前的運行方式，自動判斷是否滿足充電、放電及動作條件，之后發(fā)跳合閘命令，完成動作邏輯。通過現(xiàn)場二次互感器引入各路電壓電流模擬信號量，并采集現(xiàn)場的位置開關(guān)和節(jié)點信號。其繼電器動作信號輸出端與現(xiàn)場控制線路開關(guān)投切的繼電器連接。系統(tǒng)運行過程中實時顯示電流、電壓、開關(guān)量等參數(shù)，并可以通過鍵盤對控制器進行參數(shù)在線設(shè)定。裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3 任務(wù)劃分與任務(wù)調(diào)度
3.1 任務(wù)劃分
    由于μC／OS-It是搶占式任務(wù)調(diào)度方式，并且要求每個任務(wù)的優(yōu)先級唯一，所以在進行任務(wù)劃分、任務(wù)優(yōu)先級確定的時候，必須仔細衡量各任務(wù)之間對共享資源的操作要求，避免產(chǎn)生優(yōu)先級反轉(zhuǎn)或系統(tǒng)死鎖的問題。另外，正確的任務(wù)劃分和優(yōu)先級分配可以充分體現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度算法的效率，從而提高整個程序的實時性能。根據(jù)任務(wù)分解規(guī)則和裝置系統(tǒng)功能的特點，可以將裝置任務(wù)模塊分解為以下幾個任務(wù)，如表1所列。

    考慮到數(shù)據(jù)定時采樣和開關(guān)量輸入任務(wù)是數(shù)據(jù)處理和準確動作判斷的基礎(chǔ)，實時性要求很高，所以在DSP硬件定時中斷中完成，程序具體實現(xiàn)如下：
    interrut voidint2(void){／*通用定時器1啟動A／D轉(zhuǎn)換*／
    if（*EVIVRA=0x0027){
    asm(″setcINTM″)； ／*關(guān)中斷*／
    *IFR一0x0002；／*清除IFR的中斷標志位″／
    *EVIFRA=0x07ff；
    ／*清除定時器1的中斷標志位，為下一次中斷做好準備″／
    ADConver(); ／*數(shù)據(jù)采樣任務(wù)*／
    asm(″clrcINTM″)； ／*開中斷*／
    }
    return；
    }

3．2任務(wù)調(diào)度
    μC／OS-11中，每個任務(wù)都處于休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)5種狀態(tài)之一。如圖5所示，當(dāng)前運行的是開關(guān)量輸出任務(wù)，數(shù)據(jù)處理動作判斷任務(wù)因為等待數(shù)據(jù)定時采樣任務(wù)發(fā)出的信號量seml而處于掛起態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)定時采樣中斷發(fā)生時，內(nèi)核進行任務(wù)切換，就緒態(tài)任務(wù)中數(shù)據(jù)定時采樣任務(wù)優(yōu)先級最高，所以進入運行態(tài)。當(dāng)完成采樣時，發(fā)出信號量selnl給數(shù)據(jù)處理動作判斷任務(wù)，使其就緒，并且成為就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)，轉(zhuǎn)入運行態(tài)。此時，開關(guān)量輸出任務(wù)等待信號量sem2處于掛起態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)處理完畢后，發(fā)信號量sem2，開關(guān)量輸出任務(wù)得到該信號量后進入就緒態(tài)。因為當(dāng)前運行任務(wù)的優(yōu)先級低于開關(guān)量輸出任務(wù)，所以立即運行開關(guān)量輸出任務(wù)。

結(jié)語
    本裝置投入運行以來，一直很穩(wěn)定，取得了良好的運行效果，顯示了高可靠性、安全性和實時牲。多任務(wù)操作系統(tǒng)思想的運用改變了傳統(tǒng)的嵌入式開發(fā)過程，使備自投裝置具有足夠的通用性和可擴展性。同時，這種應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺的設(shè)計對其他微機控制保護裝置也有一定的借鑒意義。