摘 要： 針對數字化UPS,給出了系統(tǒng)總體設計框圖，為提高系統(tǒng)控制程序的實時性，提出一種基于實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的嵌入式UPS 系統(tǒng)控制方案。通過對UPS控制系統(tǒng)結構與功能的分析，實現了μC/OS-II在TMS320LF2407A上的移植，對UPS系統(tǒng)控制項目以任務的形式進行設計并實現調度，給出了部分參數設定和主程序清單。實驗結果證明，本文的設計有效的增強了系統(tǒng)控制軟件的模塊性、實時性，提高了系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性。
1 引言
隨著信息技術的發(fā)展，不間斷應急電源(UPS)向著數字化、智能化、網絡化、大容量多機冗余化和綠色化的方向發(fā)展。高性能專用DSP芯片為UPS的數字化提供了良好的硬件基礎，而嵌入式實時軟件操作系統(tǒng)是數字化產品的核心。
針對數字化UPS,本文給出了一種基于實時多任務操作系統(tǒng)μC/OS-II 的系統(tǒng)控制設計。設計采用μC/OS-II為內核，實現其在TMS320LF2407A上的移植，通過對UPS控制系統(tǒng)結構與功能的分析，各部分控制功能劃分為不同優(yōu)先級的任務來調度實現，給出了部分參數設定和主程序清單。實踐證明，基于μC/OS-II 的數字化UPS 系統(tǒng)提高了控制系統(tǒng)的實時性以及系統(tǒng)運行的可靠性及穩(wěn)定性。
2 數字化UPS控制系統(tǒng)結構
TMS320LF2407A 是TI 推出的專門針對工業(yè)控制領域的16 位高性能微控制器，其運算速度高、片內資源豐富，能夠很好的滿足數字化UPS電源控制系統(tǒng)功能的需要。數字化UPS 系統(tǒng)總體設計框圖如圖1 所示，虛線框內為主控制模塊，按功能劃分為A/D轉換、PWM(Pulse Wide Modulate)逆變控制、鎖相控制、保護控制、鍵盤及液晶顯示、通信接口、實時時鐘等功能模塊。
4 數字化UPS任務設計及調度
控制軟件主程序流程圖如圖3 所示。通過對UPS控制系統(tǒng)結構與功能的分析，各部分控制功能劃分為不同優(yōu)先級的任務，由μC/OS-II實時內核進行調度，實現多任務并行執(zhí)行。
圖 3 主程序流程圖
(1)數字化UPS 任務設計：如表1 所示，采用層次化、模塊化的設計思想，根據各個任務的重要性和實時性，把用戶程序分成9 個不同優(yōu)先級的任務，包括數據采集及PWM 波計算、鎖相同步、通信處理、系統(tǒng)參數計算、系統(tǒng)狀態(tài)檢測及處理、鍵盤掃描、鍵盤處理、液晶顯示、空閑任務。任務越重要，實時性越強，任務優(yōu)先級越高?？臻e任務不執(zhí)行任何功能，一直處于就緒狀態(tài)，只有其他任務空閑時才執(zhí)行。
表1 數字化UPS任務功能及其描述
(2) μC/OS-II 任務調度：完成任務在運行態(tài)、就緒態(tài)、掛起態(tài)、休眠態(tài)以及中斷態(tài)之間的轉換，是實時多任務操作系統(tǒng)運作的核心功能，流程如圖4所示。μC/OS-II 的任務調度是基于優(yōu)先級的搶占式調度算法，系統(tǒng)共有9個任務和3個中斷。系統(tǒng)在任務控制塊(OS_TCB)中分配一個字(OSTCBPrio)來表示每個任務的優(yōu)先級，數值越小優(yōu)先級越高。當發(fā)生任務調度時，系統(tǒng)通過任務就緒表查找到優(yōu)先級最高的任務后，調用函數OS_TASK_SW()完成任務切換。
(3) 數字化UPS 中斷：設計3 個硬件中斷，一個是AD 采樣中斷，優(yōu)先級最高，采用自適應頻率方式每周期采樣32 個點;另一個是系統(tǒng)時鐘節(jié)拍中斷，優(yōu)先級次之，每10ms中斷一次作為系統(tǒng)時鐘;最后是通信中斷，優(yōu)先級低，當接收到外部數據時，便發(fā)生中斷并對接收的數據進行處理。
(4)任務間通信與同步：采用訪問共享數據資源的方式實現多任務間的通信，采用信號量進行任務間的同步。為實現任務間的同步，本軟件系統(tǒng)建立了3個信號量：
數據計算信號量OSPWMCntSem,用于任務1和數據采集PWM 波計算子程序通信。每完成一次中斷采樣便發(fā)出這個信號量，告訴任務1對 采集數據和PWM波進行計算處理。
圖4 任務調度流程圖。
通信信號量OSComSem,用于任務3 和通信中斷子程序進行通信。一旦接收到上位機發(fā)過來的信號，中斷子程序就發(fā)出這個信號量，告訴任務4對接收數據進行處理。
鍵盤信號量OSKeySem,用于任務6 和任務7 通信，一旦掃描到有鍵按下則發(fā)出該信號量告訴任務7做鍵盤處理。
圖 1 數字化UPS系統(tǒng)總體框圖
(1)A/D轉換：完成對市電輸入的交流電壓、電流信號、逆變輸出的交流電壓、電流信號、電池電壓和電流信號的采樣，是系統(tǒng)數字化控制實現以及UPS遠程監(jiān)控功能的基礎。根據LF2407A A/D轉換電平要求，被采樣信號必須通過信號檢測模塊變換為0~3V直流電平。為提高系統(tǒng)性能，對輸入/輸出電壓、電流進行瞬時值采樣，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 強大的數值運算性能以及高速計算能力實時在線計算出PWM信號脈寬，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(PWM1~4)，這4 路PWM 信號經隔離驅動模塊驅動逆變器。
(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)算法實現逆變輸出電壓與市電電壓的同頻同相。
(4) 通信接口：為實現對UPS 的實時監(jiān)控功能，主機需對UPS電源的各模擬參量采樣數據及表示工作狀態(tài)的開關量數據進行實時高速采集。利用LF2407A的SCI 異步通訊接口，采用RS-485 物理標準協(xié)議，實現UPS與主機的遠程通訊，以便對UPS設備狀態(tài)、各項參數及故障信息進行查詢。
(5) 鍵盤操作及液晶顯示：提供人機對話平臺，用戶通過鍵盤操作可設置運行模式、設備通信地址等信息;液晶顯示屏以圖文方式顯示工作狀態(tài)和參數信息，提供可視化菜單。[!--empirenews.page--]
(6) 實時時鐘：利用串行外設接口SPI 實現與LF2407A控制器的通信，為整個系統(tǒng)提供統(tǒng)一、標準的時鐘基準，另外，利用時鐘芯片的存儲器來存儲系統(tǒng)掉電保護參數。
3 μC/OS-II在LF2407A上的移植
μC/OS-II的硬件和軟件體系結構如圖2所示。
圖2 μC/OS-II的硬件和軟件體系結構圖
要使μC/OS-II正常運行，LF2407A滿足以下要求：處理器的C編譯器能產生可重入代碼，支持可擴展和可鏈接匯編語言模塊;用C語言就可打開和關閉中斷;處理器支持中斷，并能產生定時中斷;處理器有將堆棧指針以及其他CPU寄存器的內容讀出、并存儲到堆?；騼却嬷腥サ闹噶?。
由于μC/OS-II 是源碼公開的操作系統(tǒng)，且其結構化設計便于把與處理器相關的部分分離出來，因此μC/OS-II在LF2407A處理器上移植的主要工作是修改與處理器相關部分的代碼。由圖2 可以看出，它們主要集中在三個文件中：頭文件OS_CPU.H、C 文件OS_CPU_C.C、匯編文件OS_CPU_A.ASM.
(1) 修改OS_CPU.H:其中包含兩部分的代碼，數據類型定義代碼和與處理器相關的代碼。LF2407A的堆棧數據類型定義為：typedef unsigned intOS_STK;所有的堆棧用OS_STK 聲明，地址由高向低遞減，OS_STK_GROWTH設置為1.
OS_CPU.H 剩下部分是移植必須定義底層函數的聲明，為使低層接口函數與處理器狀態(tài)無關，同時使任務調用相應的函數不需知道函數位置，采用軟中斷指令SWI作為底層接口，使用不同的功能號來區(qū)分各函數。其定義格式如下：
__swi (0x00) void OS_TASK_SW(void);//任務切換函數
其中，swi 為軟中斷標志，0x00 是分配的中斷號，OS_TASK_SW 是函數名，兩個void 分別表示返回類型和參數類型。其它的底層函數接口定義與此相似。
(2)修改OS_CPU_C.C:初始化任務堆棧函數和軟中斷函數的實現。修改OSTaskStkInit()函數，代碼如下：
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void*pd)， void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{ 模擬帶參數(pdata)的函數調用;定義任務堆棧;使用滿棧遞減方式初始化任務堆棧結構;返回堆棧結構;}
軟中斷函數的實現：
void SWI_Exception(int SWI_Num, int *Regs)
{ /*根據不同Num 值(功能號)跳轉到不同的底層服務函數地址，如：*/ case 0x00:任務切換函數OS_TASK_SW;}
(3)修改OS_CPU_A.S:包括4 個簡單的匯編語言函數：OSStartHighRdy()：使就緒態(tài)任務中優(yōu)先級最高的任務開始運行;OSCtxSw()：實現任務級的任務切換功能;OSIntCtxSw()：在中斷級實現任務間的切換;OSTickISR()：時鐘節(jié)拍中斷服務子程序。
(5) μC/OS-II主程序框架：調用任何服務之前，μC/OS-II 要求首先調用系統(tǒng)函數OSInit()初始化所有變量和數據結構，同時建立一個空閑任務。多任務的啟動通過OSStart()實現，但啟動前至少需建立一個應用任務。當調用OSStart()時，OSStart()從任務就緒表中找出用戶建立的優(yōu)先級最高任務的任務控制塊，然后調用任務啟動函數，接下來就完全交給實時操作系統(tǒng)來管理，實時內核不斷地對任務進行切換調度，管理各個應用任務和系統(tǒng)資源。系統(tǒng)主程序清單如下：
5 實驗結果
根據前述控制系統(tǒng)設計，成功研制了一臺3.75KVAUPS 樣機。以下為該樣機實時性、可靠性、穩(wěn)定性測試運行情況，測試設備與儀表包括：泰克TDS3043B 數字示波器、Gad-2016 失真度測試儀、FLUKE189 數字萬用表、FLUKE36 鉗型電流表、紅外線溫度計、負載三相3KW 燈泡(約3.75KW爐絲)。
(1)市電輸入380V,負載變化：輸出相電壓穩(wěn)定度220V±1%,U 相頻率穩(wěn)定度50Hz±0.4%,波形失真度<2%,其他兩相與U 相基本相同，任何兩相相位差120°±1°。圖5 為空載與滿載逆變輸出波形。
(a) 空載
(b) 滿載
圖5 U相輸出逆變電壓波形。
(2)市電逆變互切，切換時間及可靠性測試：市電輸入384V,電池電壓490V,3.75KW額定負載運行，市電斷電或按下"強起"按鈕，逆變器帶負載正常啟動，啟動時間約60ms.市電、逆變切換時間經多次反復試驗，均小于120ms.圖6 所示為市電到逆變的切換波形，切換時間約60ms,圖中波形經檢測變壓器隔離降壓;市電來電，逆變器立即停止工作。
圖6 市電到逆變的切換波形
(3)逆變應急長時間工作，輸出電壓情況測試與系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證：電池513V開始放電，帶3.75KW爐絲額定負載，運行約80分鐘，IGBT及散熱器溫度始終低于32℃，系統(tǒng)工作正常且穩(wěn)定，測試參數如表2所示。
表2 逆變運行溫升測試
6 結論
本文針對數字化UPS,給出了基于LF2407A 的系統(tǒng)總體設計結構，實現了實時操作系統(tǒng)μC/OS-II在LF2407A 上的移植，對UPS系統(tǒng)任務進行設計和實現調度，給出了部分參數設定和主程序清單。該設計方案已經成功應用于青島創(chuàng)統(tǒng)3.75KVA 數字化UPS 的設計項目中。實踐證明，μC/OS-II 在嵌入式UPS 控制系統(tǒng)中的應用有效地提高了系統(tǒng)控制的實時性以及系統(tǒng)整體可靠性與穩(wěn)定性。[!--empirenews.page--]
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