基于μC/OS-II的數(shù)字化UPS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

摘 要： 針對(duì)數(shù)字化UPS,給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，為提高系統(tǒng)控制程序的實(shí)時(shí)性，提出一種基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II的嵌入式UPS 系統(tǒng)控制方案。通過對(duì)UPS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的分析，實(shí)現(xiàn)了μC/OS-II在TMS320LF2407A上的移植，對(duì)UPS系統(tǒng)控制項(xiàng)目以任務(wù)的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)調(diào)度，給出了部分參數(shù)設(shè)定和主程序清單。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文的設(shè)計(jì)有效的增強(qiáng)了系統(tǒng)控制軟件的模塊性、實(shí)時(shí)性，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，不間斷應(yīng)急電源(UPS)向著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、大容量多機(jī)冗余化和綠色化的方向發(fā)展。高性能專用DSP芯片為UPS的數(shù)字化提供了良好的硬件基礎(chǔ)，而嵌入式實(shí)時(shí)軟件操作系統(tǒng)是數(shù)字化產(chǎn)品的核心。

針對(duì)數(shù)字化UPS,本文給出了一種基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II 的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用μC/OS-II為內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)其在TMS320LF2407A上的移植，通過對(duì)UPS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的分析，各部分控制功能劃分為不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來調(diào)度實(shí)現(xiàn)，給出了部分參數(shù)設(shè)定和主程序清單。實(shí)踐證明，基于μC/OS-II 的數(shù)字化UPS 系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性。

2 數(shù)字化UPS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TMS320LF2407A 是TI 推出的專門針對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域的16 位高性能微控制器，其運(yùn)算速度高、片內(nèi)資源豐富，能夠很好的滿足數(shù)字化UPS電源控制系統(tǒng)功能的需要。數(shù)字化UPS 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，虛線框內(nèi)為主控制模塊，按功能劃分為A/D轉(zhuǎn)換、PWM(Pulse Wide Modulate)逆變控制、鎖相控制、保護(hù)控制、鍵盤及液晶顯示、通信接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能模塊。

4 數(shù)字化UPS任務(wù)設(shè)計(jì)及調(diào)度

控制軟件主程序流程圖如圖3 所示。通過對(duì)UPS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的分析，各部分控制功能劃分為不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，由μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行執(zhí)行。

圖 3 主程序流程圖

(1)數(shù)字化UPS 任務(wù)設(shè)計(jì)：如表1 所示，采用層次化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)各個(gè)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性，把用戶程序分成9 個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，包括數(shù)據(jù)采集及PWM 波計(jì)算、鎖相同步、通信處理、系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算、系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)及處理、鍵盤掃描、鍵盤處理、液晶顯示、空閑任務(wù)。任務(wù)越重要，實(shí)時(shí)性越強(qiáng)，任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高?？臻e任務(wù)不執(zhí)行任何功能，一直處于就緒狀態(tài)，只有其他任務(wù)空閑時(shí)才執(zhí)行。

表1 數(shù)字化UPS任務(wù)功能及其描述

(2) μC/OS-II 任務(wù)調(diào)度：完成任務(wù)在運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、掛起態(tài)、休眠態(tài)以及中斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)運(yùn)作的核心功能，流程如圖4所示。μC/OS-II 的任務(wù)調(diào)度是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度算法，系統(tǒng)共有9個(gè)任務(wù)和3個(gè)中斷。系統(tǒng)在任務(wù)控制塊(OS_TCB)中分配一個(gè)字(OSTCBPrio)來表示每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)發(fā)生任務(wù)調(diào)度時(shí)，系統(tǒng)通過任務(wù)就緒表查找到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)后，調(diào)用函數(shù)OS_TASK_SW()完成任務(wù)切換。

(3) 數(shù)字化UPS 中斷：設(shè)計(jì)3 個(gè)硬件中斷，一個(gè)是AD 采樣中斷，優(yōu)先級(jí)最高，采用自適應(yīng)頻率方式每周期采樣32 個(gè)點(diǎn);另一個(gè)是系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷，優(yōu)先級(jí)次之，每10ms中斷一次作為系統(tǒng)時(shí)鐘;最后是通信中斷，優(yōu)先級(jí)低，當(dāng)接收到外部數(shù)據(jù)時(shí)，便發(fā)生中斷并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(4)任務(wù)間通信與同步：采用訪問共享數(shù)據(jù)資源的方式實(shí)現(xiàn)多任務(wù)間的通信，采用信號(hào)量進(jìn)行任務(wù)間的同步。為實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步，本軟件系統(tǒng)建立了3個(gè)信號(hào)量：

數(shù)據(jù)計(jì)算信號(hào)量OSPWMCntSem,用于任務(wù)1和數(shù)據(jù)采集PWM 波計(jì)算子程序通信。每完成一次中斷采樣便發(fā)出這個(gè)信號(hào)量，告訴任務(wù)1對(duì) 采集數(shù)據(jù)和PWM波進(jìn)行計(jì)算處理。

圖4 任務(wù)調(diào)度流程圖。

通信信號(hào)量OSComSem,用于任務(wù)3 和通信中斷子程序進(jìn)行通信。一旦接收到上位機(jī)發(fā)過來的信號(hào)，中斷子程序就發(fā)出這個(gè)信號(hào)量，告訴任務(wù)4對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

鍵盤信號(hào)量OSKeySem,用于任務(wù)6 和任務(wù)7 通信，一旦掃描到有鍵按下則發(fā)出該信號(hào)量告訴任務(wù)7做鍵盤處理。

圖 1 數(shù)字化UPS系統(tǒng)總體框圖

(1)A/D轉(zhuǎn)換：完成對(duì)市電輸入的交流電壓、電流信號(hào)、逆變輸出的交流電壓、電流信號(hào)、電池電壓和電流信號(hào)的采樣，是系統(tǒng)數(shù)字化控制實(shí)現(xiàn)以及UPS遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的基礎(chǔ)。根據(jù)LF2407A A/D轉(zhuǎn)換電平要求，被采樣信號(hào)必須通過信號(hào)檢測(cè)模塊變換為0~3V直流電平。為提高系統(tǒng)性能，對(duì)輸入/輸出電壓、電流進(jìn)行瞬時(shí)值采樣，采樣頻率為10kHz.

(2) PWM 逆變控制：PWM 逆變控制算法是UPS系統(tǒng)控制的核心算法，它決定了UPS系統(tǒng)輸出性能。

逆變算法利用LF2407A 強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算性能以及高速計(jì)算能力實(shí)時(shí)在線計(jì)算出PWM信號(hào)脈寬，然后由A事件管理模塊(EVA)的全比較單元輸出4 路帶死區(qū)控制的PWM 信號(hào)(PWM1~4)，這4 路PWM 信號(hào)經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)逆變器。

(3) 鎖相控制接口：利用LF2407A的事件捕獲端口CAP1 和CAP2,將市電輸入和逆變輸出經(jīng)降壓及波形變換后送入CAP1 和CAP2,由LF2407A 通過軟件鎖相環(huán)算法實(shí)現(xiàn)逆變輸出電壓與市電電壓的同頻同相。

(4) 通信接口：為實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS 的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，主機(jī)需對(duì)UPS電源的各模擬參量采樣數(shù)據(jù)及表示工作狀態(tài)的開關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速采集。利用LF2407A的SCI 異步通訊接口，采用RS-485 物理標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)UPS與主機(jī)的遠(yuǎn)程通訊，以便對(duì)UPS設(shè)備狀態(tài)、各項(xiàng)參數(shù)及故障信息進(jìn)行查詢。

(5) 鍵盤操作及液晶顯示：提供人機(jī)對(duì)話平臺(tái)，用戶通過鍵盤操作可設(shè)置運(yùn)行模式、設(shè)備通信地址等信息;液晶顯示屏以圖文方式顯示工作狀態(tài)和參數(shù)信息，提供可視化菜單。