基于us/OS-II操作系統(tǒng)的斷路器控制器研制

0. 引言

　　斷路器的智能操作是斷路器智能化發(fā)展過程中的一個(gè)全新的概念。智能控制器是實(shí)現(xiàn)智能操作的核心部件[1]，其基本任務(wù)是通過對電網(wǎng)參數(shù)的采集和處理，給出相應(yīng)的控制信息。此外，智能控制器通過現(xiàn)場總線可以和計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。智能控制器的核心部分是軟件設(shè)計(jì)。目前，我國的大多數(shù)控制器的軟件設(shè)計(jì)都是采用主循環(huán)程序和中斷服務(wù)程序相配合的設(shè)計(jì)方法。而近年來嵌入式系統(tǒng)的使用越來越成熟，其中us/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)由于源代碼公開化，內(nèi)核體積小，可移植性好等原因，受到廣泛的應(yīng)用。本文采用了TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A作為嵌入式系統(tǒng)硬件，將us/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)移植到DSP芯片中，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。

1. us/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)是執(zhí)行專用功能并被內(nèi)部計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備或系統(tǒng)，操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件集成于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之中，即系統(tǒng)的應(yīng)用軟件和系統(tǒng)的硬件一體化，嵌入式系統(tǒng)具有軟件代碼少，高度自動(dòng)化，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別是適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)處理的情況。

　　us/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)是一個(gè)完整的、源代碼公開的、可移植的、固化的、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，它是一種不可剝奪型內(nèi)核，所以在任務(wù)調(diào)度是必須先設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級。us/OS-II包括以下幾個(gè)部分：內(nèi)核管理、任務(wù)管理、時(shí)間管理、事件控制塊、信號量管理、郵箱管理等。

　　us/OS-II中創(chuàng)建的任務(wù)有5種狀態(tài)[2]，分別是：睡眠態(tài)、等待態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、中斷服務(wù)態(tài)。us/OS-II是占先式內(nèi)核，每個(gè)任務(wù)都要設(shè)置優(yōu)先級，優(yōu)先級最高的任務(wù)可以先進(jìn)入CPU運(yùn)行，其它任務(wù)只能先在就緒狀態(tài)中等待。us/OS-II最多可以創(chuàng)建多達(dá)64個(gè)任務(wù)（實(shí)際可以使用的是56個(gè)，因?yàn)榍?個(gè)和后4個(gè)任務(wù)優(yōu)先級被保留做系統(tǒng)升級用）。

2. 嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 智能控制器總體結(jié)構(gòu)及工作原理

　　智能控制器硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該控制器的主要任務(wù)是采集電網(wǎng)上的電流和電壓信號，經(jīng)過信號處理電路的調(diào)理后，使信號變換成DSP的輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓0到3.3V，DSP控制器通過對采集來的信號進(jìn)行分析，正確的發(fā)出動(dòng)作指令，并通過CAN總線向監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。系統(tǒng)構(gòu)成主要包括DSP及其外圍電路所構(gòu)成的最小系統(tǒng)、A/D信號采集與處理電路，液晶顯示電路，電源，脫扣電路等部分。DSP的外圍電路包括晶振、濾波回路和片外RAM連接選擇存儲(chǔ)空間時(shí)使用的一些門電路。

2.2 TMS320LF2407A芯片及其開發(fā)環(huán)境CCS2.2簡介

　　TMS320LF2407A是專為基于控制的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它將高性能的DSP內(nèi)核和豐富的微控制器的外設(shè)集成于單片中，從而成為傳統(tǒng)的微控制器的理想替代。TMS320LF2407A DSP控制器的外設(shè)包括[3]：①事件管理器②CAN接口③A/D通道模數(shù)轉(zhuǎn)換④SPI串行外設(shè)接口⑤SCI串行通信接口⑥通用雙向I/O引腳。CCS2.2是CCS系列中的最新版本，有很多既方便又強(qiáng)大的功能。主要包括：①支持同時(shí)載入多個(gè)工程文件②增加了單步調(diào)試命令③編譯器有所加強(qiáng)，對語法的檢查更加嚴(yán)格④通過建立庫工程，支持編譯函數(shù)文件成為庫文件

3. 嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 us/OS-II在2407上的移植

　　us/OS-II在2407上的實(shí)現(xiàn)移植是嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，主要工作是對移植相關(guān)的OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C三個(gè)文件的編寫以及對OS_CFG.H配置的正確設(shè)定。

　　在對OS_CFG.H配置中根據(jù)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)際需要，對最低優(yōu)先級OS_LOWEST_PRIO、最多任務(wù)控制塊OS_MAX_EVENTS、最多任務(wù)數(shù)OS_MAX_TASKS進(jìn)行設(shè)置，對需要使用的功能進(jìn)行選擇置位。[!--empirenews.page--]

　　對OS_CPU.H文件的編寫主要包括對以下4個(gè)宏進(jìn)行設(shè)置：

　?、?OS_ENTER_CRITICAL（）

　?、?OS_EXIT_ CRITICAL（）

　　③ OS_STK_GROWTH

　?、?OS_TASK_SW（）

　　其中，OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_ CRITICAL（）是關(guān)于關(guān)中斷和開中斷的設(shè)置，由于在TMS320LF2407A中C編譯器可以嵌入?yún)R編語言，所以本文設(shè)置：

　　#define OS_ENTER_CRITICAL（） asm（" SETC INTM"） //關(guān)中斷

　　#define OS_EXIT_CRITICAL（） asm（" CLRC INTM"） //開中斷

　　OS_STK_GROWTH是關(guān)于堆棧的使用方式，由于TMS320LF2407A中堆棧是從低地址向高地址遞增的，所以本文設(shè)置：

　　#define OS_STK_GROWTH 0

　　OS_TASK_SW（）是在任務(wù)切換中使用的，任務(wù)切換其實(shí)就是將原來任務(wù)的相關(guān)寄存器值入棧保存，以便以后這個(gè)任務(wù)被再次調(diào)用時(shí)可以恢復(fù)原先的相關(guān)寄存器值。本文設(shè)置OS_TASK_SW（）作為中斷調(diào)用軟中斷指令OSCtxSw。

　　對OS_CPU_C.C文件的編寫包括編寫以下10個(gè)C語言函數(shù)：

　　① OSTaskStkInit（）② OSTaskCreatHook（）③ OSTaskDelHook（）④ OSTaskSwHook（）

　?、?OSTaskIdleHook（）⑥ OSTaskStatHook（）⑦ OSTimeTickHook（）⑧ OSIintHookBegin（）

　　⑨ OSInitHookEnd（）⑩ OSTCBInitHook（）

　　在本文的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只對OSTaskStkInit（）函數(shù)進(jìn)行了編寫，OSTaskStkInit（）函數(shù)的作用是初始化任務(wù)的棧結(jié)構(gòu)，將任務(wù)所有寄存器的值都保存到堆棧中。OSTaskStkInit（）函數(shù)的示意性代碼如下所示。

　　OS_STK ＊OSTaskStkInit（void （＊task）（void ＊pd）,

　　void ＊pdata,

　　OS_STK ＊ptos,

　　INT16U opt）

　?。?/p>

　　opt = opt;

　　＊ptos++ = （OS_STK）pdata; /＊ augument ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ blank ＊/

　　＊ptos++ = （OS_STK）0x27FC;/＊ ST1 ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0x2600;/＊ ST0 ＊/

　　＊ptos++ = （OS_STK）0; /＊ ACCH ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ ACCL ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ PH ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ PL ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ T ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ AR0 ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ AR2 ＊/

　　＊ptos++ = （OS_STK）0; /＊ AR3 ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ AR4 ＊/

　　＊ptos++ = （OS_STK）0; /＊ AR5 ＊/[!--empirenews.page--]

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ AR6 ＊/

　?。猵tos++ = （OS_STK）0; /＊ AR7 ＊/

　　… … …

　　return ptos;

　?。?/p>

　　其余9個(gè)C語言函數(shù)只進(jìn)行了聲明，沒有包含代碼或者為了防止C編譯器誤發(fā)警告只編寫了簡單的指針自我賦值程序。

　　對OS_CPU_A.ASM文件的編寫包括編寫以下4個(gè)匯編語言函數(shù)：

　　① OSStartHighRdy（）② OSCtxSw（）③ OSIntCtxSw（）④ OSTickISR（）

　　其中，調(diào)用OSStartHighRdy（）是用來使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運(yùn)行。OSCtxSw（）是用來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，中斷服務(wù)子程序、陷阱或異常處理的向量地址必須指向OSCtxSw（）。OSIntCtxSw（）也是用來實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換的，所不同的是OSIntCtxSw（）是在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換。OSTickISR（）是用來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘節(jié)拍功能。

　　將以上這些函數(shù)編寫好以后，如果能編譯通過并且裝載入2407或外部RAM中，則說明us/OS-II在2407上移植成功。移植成功以后就要進(jìn)行測試，可以編寫例如點(diǎn)亮指示燈這樣的小程序作為任務(wù)，裝載入DSP運(yùn)行，如果運(yùn)行成功，就在此程序基礎(chǔ)上進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)。

　　3.2 智能控制器軟件設(shè)計(jì)

　　本文在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要，編寫了以下幾個(gè)功能程序，主要包括液晶顯示程序、A/D采樣轉(zhuǎn)換程序、保護(hù)算法、瞬動(dòng)判斷保護(hù)程序、濾波算法及有效值計(jì)算、CAN通信的發(fā)送和接受等[4]。在各個(gè)功能程序編寫好以后，創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)包含一個(gè)功能程序。對各個(gè)任務(wù)要根據(jù)不同的實(shí)際情況賦予不同的優(yōu)先級，其中A/D采樣轉(zhuǎn)換和瞬動(dòng)判斷保護(hù)由于對實(shí)時(shí)性的要求比較高，應(yīng)賦予較高的優(yōu)先權(quán)，液晶顯示由于為了人們讀取的視覺需要，延時(shí)時(shí)間比較長，賦予的優(yōu)先權(quán)最低。任務(wù)優(yōu)先級的安排如下：

　　A/D采樣轉(zhuǎn)換程序 > 瞬動(dòng)判斷保護(hù)程序 > 濾波算法及有效值計(jì)算 > 保護(hù)算法> CAN通信的發(fā)送和接受 > 液晶顯示

　　任務(wù)通過函數(shù)OSTaskCreateExt（）來創(chuàng)建，創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)的示例代碼如下：

　　//創(chuàng)建任務(wù)：

　　INT8U OSTaskCreate （void （＊task） （void ＊pd）, void ＊pdata, OS_STK ＊ptos, INT8U prio）

　　其中task是指向任務(wù)代碼的指針;pdata是任務(wù)開始執(zhí)行時(shí)，傳遞給任務(wù)的參數(shù)指針;ptos是分配給任務(wù)的堆棧的棧頂指針;prio是分配給任務(wù)的優(yōu)先級。

　　//任務(wù)示例代碼：

　　void Task （void ＊pdata）

　　｛ While （1）

　?。?＊＊＊根據(jù)實(shí)際功能編寫的代碼＊＊/

　　OSTimeDly（INT16U ticks）; //任務(wù)延時(shí)

　?。?/p>

　　｝

　　當(dāng)任務(wù)被剝奪CPU的使用后，us/OS-II用任務(wù)控制塊OS_TCB來保存該任務(wù)的狀態(tài)。

4. 實(shí)驗(yàn)

　　本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試，然后再到企業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。主要試驗(yàn)項(xiàng)目包括液晶顯示、測量、保護(hù)特性測試、上位機(jī)和控制器之間的CAN總線通信等。試驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的智能控制器實(shí)現(xiàn)了測量、保護(hù)、通信和監(jiān)控等功能，實(shí)時(shí)性好，指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求。

5. 結(jié)束語

　　本文為了實(shí)現(xiàn)低壓斷路器的可通信與智能化，研制了一種基于DSP和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)us/OS-II的新型智能控制器，不僅實(shí)現(xiàn)了斷路器的基本功能，而且由于采用了us/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提高了DSP的運(yùn)行效率和控制器的可靠性。