張 軍,唐心亮,王震洲,劉教民,,王麗麗

(1.河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院,天津 300130;2.河北科技大學(xué)人事處,河北石家莊050018;3.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

DSP/B IOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)在電智能斷路器中的應(yīng)用

張 軍1,唐心亮2,王震洲3,劉教民1,3,王麗麗1

(1.河北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院,天津 300130;2.河北科技大學(xué)人事處,河北石家莊050018;3.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

分析了 TI公司實(shí)時(shí)系統(tǒng)的內(nèi)核DSP/B IOS,以DSP/B IOS內(nèi)核作為智能斷路器的核心設(shè)計(jì)了智能斷路器系統(tǒng)。以線程的形式安排各個(gè)子功能模塊,分配系統(tǒng)資源,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)智能斷路器的實(shí)時(shí)控制。實(shí)踐證明,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好,提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

智能斷路器;DSP/B IOS;實(shí)時(shí)系統(tǒng)

斷路器是一種重要的開(kāi)關(guān)電器,其性能全面,不單用作開(kāi)關(guān),還起到控制和保護(hù)的雙重作用,在低壓電器裝置中獲得了廣泛應(yīng)用。斷路器中智能化的引入使得斷路器的性能更加完善,但是隨著斷路器性能的完善,系統(tǒng)功能越來(lái)越多,結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜[1-2],這就對(duì)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)提出了更高的要求(如能夠支持多任務(wù),滿足系統(tǒng)較高的實(shí)時(shí)性能等)。

TI公司基于軟件開(kāi)發(fā)面臨的新要求推出了一種實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)——DSP/B IOS。該系統(tǒng)支持任務(wù)調(diào)度、實(shí)時(shí)分析、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理、中斷管理及外設(shè)驅(qū)動(dòng)管理。這些強(qiáng)大的功能為用戶開(kāi)發(fā)出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、運(yùn)行效率高的應(yīng)用軟件提供了方便。在此系統(tǒng)上進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā),可根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行裁剪,縮短開(kāi)發(fā)周期,滿足應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求,有利于后續(xù)系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。筆者在DSP/B IOS的基礎(chǔ)上,對(duì)智能斷路器的硬件和軟件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì),充分利用DSP/B IOS的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)提高了智能斷路器的工作質(zhì)量。

1 智能斷路器的硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

該智能斷路器由DSP/B IOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)、模擬信號(hào)檢測(cè)單元、開(kāi)關(guān)量輸入單元、執(zhí)行電路、通信接口、人機(jī)接口及電源等部分組成,其原理框圖如圖1所示[3]。

1.2 信號(hào)傳感檢測(cè)及隔離

電壓檢測(cè)通常用電壓互感器(PT),而電流檢測(cè)則常用電流互感器(CT),后者有實(shí)心和空心之分。實(shí)心(CT)在小電流時(shí)線性度好,但大電流時(shí)鐵芯易于飽和、線性度差、測(cè)量范圍小;空心CT線性度好、測(cè)量范圍廣,但在小電流時(shí),信號(hào)較小,測(cè)量誤差大。要提高小電流時(shí)的測(cè)量精度,必須改變互感器線圈匝數(shù),增加互感器副邊輸出信號(hào)幅度。

1.3 脫扣執(zhí)行工作原理

磁通變換器是脫扣控制模塊的核心執(zhí)行元件,在正常工作時(shí)由于永磁鐵的存在使動(dòng)鐵芯處于閉合狀態(tài)。當(dāng)脈沖電流流經(jīng)線圈時(shí)可產(chǎn)生與固有磁通方向相反的磁通,與固有磁通進(jìn)行抵消。由此產(chǎn)生的反力彈簧將推動(dòng)鐵芯令斷路器分離。脫扣執(zhí)行有2種執(zhí)行方式。一種是當(dāng)各種故障信號(hào)處理完成后,CPU則按保護(hù)特性通過(guò)I/O接口發(fā)出控制信號(hào)控制線圈;另一種是模擬脫扣,此種執(zhí)行方式不經(jīng)過(guò)CPU處理,當(dāng)故障信號(hào)超過(guò)一定值時(shí)直接比較輸出脫扣信號(hào),從而保證了斷路器的可靠動(dòng)作。

1.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)智能控制器功能多樣化的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求?，F(xiàn)大都采用液晶顯示器,液晶顯示器顯示信息量大,能夠以圖形方式顯示被整定的斷路器保護(hù)特性。

圖1 智能斷路器原理框圖Fig.1 Schematic of intellignt circuit breaker

2 智能斷路器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 功能模塊劃分

低壓斷路器是供電系統(tǒng)中重要的電器元件之一,它的作用是保護(hù)配電網(wǎng)絡(luò)中電器和工業(yè)設(shè)備免受短路、過(guò)載等故障的損壞。因此斷路器不但可以接通或斷開(kāi)正常工作情況下的負(fù)載電流,而且在電路系統(tǒng)出現(xiàn)如欠壓、短路等的故障情況下能夠自動(dòng)切斷故障電路,待電路工作狀態(tài)正常后可自動(dòng)恢復(fù)供電。智能斷路器除了有傳統(tǒng)斷路器的功能外,還有智能化、模塊化、可通信化及良好的人機(jī)交互界面等特點(diǎn),并且可以通過(guò)斷路器的通信功能互聯(lián)成區(qū)域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、集中控制。

根據(jù)智能斷路器的功能需求,可以將系統(tǒng)分為信號(hào)采集檢測(cè)模塊、電路信號(hào)處理模塊、脫扣控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電路情況分析運(yùn)算模塊、通信模塊、人機(jī)交互等模塊。傳統(tǒng)的編程思想是順序地組織各個(gè)功能模塊,這樣開(kāi)發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)模塊間有一定的耦合度,對(duì)以后系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)帶來(lái)了不便,也無(wú)法適應(yīng)日趨復(fù)雜的系統(tǒng)對(duì)軟件提出的新要求。DSP/B IOS提供了另外一種組織應(yīng)用程序各功能模塊的機(jī)制。它將各功能模塊作為任務(wù)線程來(lái)看待,通過(guò)可配置的內(nèi)核服務(wù)使各任務(wù)線程在系統(tǒng)調(diào)度器的安排下按照優(yōu)先級(jí)的高低分時(shí)復(fù)用CPU資源,各個(gè)任務(wù)線程之間通過(guò)通信、同步、數(shù)據(jù)交換等進(jìn)行協(xié)調(diào),并且支持多任務(wù)線程。在DSP/BIOS的這種組織應(yīng)用程序各個(gè)功能模塊的機(jī)制下,設(shè)計(jì)的智能斷路器的各個(gè)功能模塊如圖2所示。

2.2 線程規(guī)劃

在利用DSP/B IOS設(shè)計(jì)應(yīng)用程序之前,應(yīng)對(duì)組成應(yīng)用程序的各個(gè)功能模塊進(jìn)行線程類型劃分,這種劃分主要是基于功能模塊的實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行的。DSP/B IOS支持4種線程類型[4-5],即硬件中斷線程(HW I),軟件中斷線程(SW I),任務(wù)線程(TSK)和后臺(tái)線程(IDL)。這4種類型的線程優(yōu)先級(jí)按照順序依次降低。

圖2 DSP/BIOS下智能斷路器的模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of design on intellgent circuit breaker w ith DSP/BIOS

1)硬件中斷線程(HW I)在DSP/B IOS中優(yōu)先級(jí)最高。一般與外部設(shè)備密切相關(guān)、實(shí)時(shí)性要求很高的功能模塊程序代碼放置在硬件中斷中,因此將以下幾個(gè)子功能模塊設(shè)置為硬件中斷線程:信號(hào)采集檢測(cè)模塊、脫扣控制模塊、通信接收模塊。信號(hào)采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),直接與硬件連接,設(shè)置為硬件中斷。在智能斷路器中,電流變化范圍大,電壓和電流的信號(hào)采集工作由2部分完成,電流互感器(CT)檢測(cè)供電線電路的電流,電壓互感器(PT)檢測(cè)電線電路的電壓。這樣提高了采樣的分辨率和A/D變換的精度。AD芯片經(jīng)過(guò)與DSP芯片的通信,將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳送給DSP芯片。在脫扣控制模塊中,脫扣的控制和執(zhí)行在智能斷路器中是非常重要的,如果在故障電路中脫扣不及時(shí)將會(huì)發(fā)生各種不可想象的后果?？紤]到在DSP/B IOS中是按照線程的優(yōu)先級(jí)來(lái)調(diào)度和執(zhí)行各個(gè)任務(wù)線程的,而4種線程中硬件中斷的優(yōu)先級(jí)最高,所以將脫扣控制模塊設(shè)置為硬件中斷,以便控制器能及時(shí)地發(fā)出各種控制信號(hào)。通信接收模塊與底層的硬件設(shè)備密切相關(guān),而且DSP本身的SCI接收寄存器只有最大16個(gè)字節(jié)的FIFO,如不及時(shí)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。

2)DSP/BIOS提供了15個(gè)軟件中斷線程(SW I)的優(yōu)先級(jí)。軟件中斷在運(yùn)行中是不可以被阻塞的,除非有比其優(yōu)先級(jí)更高的硬件中斷事件發(fā)生。根據(jù)系統(tǒng)的需求及軟件中斷線程的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的軟件線程有電路信號(hào)處理模塊和通信模塊。電路信號(hào)處理模塊是對(duì)信號(hào)采集檢測(cè)模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。

3)在DSP/B IOS中創(chuàng)建的任務(wù)線程(TSK)處于運(yùn)行、就緒、暫停、終止4種狀態(tài)之一,且同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)先來(lái)先服務(wù),較高的優(yōu)先級(jí)可搶占較低的優(yōu)先級(jí)先服務(wù)。DSP/BIOS提供了15個(gè)任務(wù)線程的優(yōu)先級(jí)(加上 TSK_idle是16個(gè)),且在等待某個(gè)資源有效時(shí)可以被阻塞。在系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電路數(shù)據(jù)分析模塊和人機(jī)交互模塊設(shè)置為任務(wù)線程,這3種都要取得較新的數(shù)據(jù)才可以繼續(xù)執(zhí)行,所以在其沒(méi)有得到較新的數(shù)據(jù)時(shí)是要被阻塞的,直到有新的數(shù)據(jù)出現(xiàn)才繼續(xù)工作。其中電路分析模塊對(duì)電路信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)與預(yù)先設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,發(fā)出各種控制信號(hào)給斷路器執(zhí)行模塊。人機(jī)交互包括顯示和鍵盤(pán)單元。通過(guò)液晶屏或發(fā)光管能夠適時(shí)顯示各種狀態(tài)和負(fù)載的參數(shù)值及故障電流,故障類型和保護(hù)動(dòng)作、試驗(yàn)整定情況,結(jié)合按鍵還可以進(jìn)行保護(hù)的整定、預(yù)警值的設(shè)定、開(kāi)關(guān)的試驗(yàn)和各種功能的檢測(cè)。

4)后臺(tái)線程(IDL)的優(yōu)先級(jí)最低,在系統(tǒng)中運(yùn)行一些對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求不高的線程。

2.3 配置線程

基于DSP/B IOS開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序,都有一個(gè)組件管理器,在這個(gè)組件管理器中可以對(duì)DSP進(jìn)行片上資源配置,建立應(yīng)用程序所需的DSP/BIOS配置文件。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程也就是從這個(gè)組件管理器開(kāi)始的。在DSP/B IOS的開(kāi)發(fā)界面中可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)中斷的設(shè)置。其配置界面見(jiàn)圖3。

2.4 線程間的通信與同步

在DSP/B IOS環(huán)境下有3種數(shù)據(jù)通信方式:即基于管道(PIP,pipe)的通信、基于流(SIO,stream I/O)通道的通信以及基于主機(jī)(HST,host)通道的通信。每種通信方式都是通過(guò)調(diào)度其相應(yīng)的內(nèi)核對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中,基于管道(PIP,pipe)的通信和基于主機(jī)(HST,host)通道的通信都使用管道模型;SIO與DEV模塊使用流模型。在主機(jī)通信的方式中,每個(gè) HST對(duì)象內(nèi)部是用數(shù)據(jù)管道對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的。管道對(duì)象(PIP)用于管理塊I/O。每個(gè)PIP對(duì)象都維護(hù)著1個(gè)幀,所有的I/O操作在每一刻只處理1幀。管道能夠用于在程序內(nèi)的任意2個(gè)線程之間傳遞數(shù)據(jù) 。流是1個(gè)通道,通過(guò)它,數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序與I/O設(shè)備之間傳輸。

圖3 DSP/B IOS線程配置界面Fig.3 Configer interface of DSP/BIOS threads

在硬件中斷線程、軟件中斷線程與后臺(tái)線程中,都是采用SIO流式數(shù)據(jù)、隊(duì)列、PIP管道、全局變量來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;軟件中斷線程采用郵箱實(shí)現(xiàn)同步。在任務(wù)中,采用SIO流式數(shù)據(jù)、隊(duì)列、PIP管道、LOCK鎖、郵箱、全局變量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,通過(guò)信號(hào)量旗語(yǔ)、郵箱實(shí)現(xiàn)同步。經(jīng)過(guò)對(duì)3種通信方式和適用范圍的比較,在本系統(tǒng)中,線程之間的數(shù)據(jù)交換采用數(shù)據(jù)管道進(jìn)行管理,多線程間的同步采用郵箱的方式。

3 程序的調(diào)試與分析

程序的調(diào)試使用了DSP/B IOS的實(shí)時(shí)分析工具,該工具能夠顯示系統(tǒng)的運(yùn)行情況,應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者通過(guò)它可以了解數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)情況及各種硬件芯片的使用情況。實(shí)時(shí)分析工具為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者尋找系統(tǒng)的缺陷和不足提供了非常有用的幫助。經(jīng)過(guò)監(jiān)控與調(diào)試,系統(tǒng)中的各個(gè)線程分配合理,程序運(yùn)行良好。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,設(shè)計(jì)的智能斷路器系統(tǒng)運(yùn)行良好。DSP/B IOS在智能斷路器中的使用提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,DSP/B IOS應(yīng)用系統(tǒng)中各個(gè)模塊以線程的方式來(lái)管理以及支持多任務(wù)線程的特點(diǎn)滿足了智能斷路器復(fù)雜的軟件系統(tǒng)的要求,方便了系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)。

[1]王金英,王震洲,劉教民,等.決策樹(shù)算法在智能斷路器中的應(yīng)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(Journalof Hebei University of Science and Technology),2006,27(4):302-305.

[2]趙玲玲,楊奎河,李 斌,等.R-C干式過(guò)電壓吸收器在高壓真空斷路器中的應(yīng)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of Hebei University of Science and Technology),2001,22(1):56-58.

[3]王震洲,劉教民,王麗娜.基于DSP的低壓智能脫扣器[J].低壓電器(Low Voltage Apparatus),2007(13):15-18.

[4]許小可,柳曉鳴,陸志洋.DSP/B IOS在雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用(Microcomputer Applications),2007,28(1):70-73.

[5]許康平,陳建元,韋海鋒.DSP/B IOS在電能質(zhì)量檢測(cè)終端中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(Industrial Control Computer),2006,19(8):67-68.

App lication of DSP/B IOS real-time system in intelligent circuit breaker

ZHANG Jun1,TANG Xin-liang2,WANG Zhen-zhou3,L IU Jiao-min1,3,WANG Li-li1
(1.College of Computer Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Personnel Division,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;3.College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

This paper analyses the real-time system kernel named DSP/BIOS from TIcompany and designed the intelligent circuit breaker system w ith DSP/B IOS as the core of the system.In the form of thread,each sub-module,allocated system resources,analyzed and designed the system are arranged,and the real-time control of intelligent circuit breaker ultimately is achieved.Practice has p roved that the system is running well and the real-time p rogerties and the accuracy are bo tn imp roved.

intelligent circuit breaker;DSP/B IOS;real-time system

TM 561

A

1008-1542(2010)06-0542-04

2010-05-31;

2010-09-15;責(zé)任編輯:李 穆

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2006001037)

張 軍(1976-),男,河北張家口人,博士研究生,主要從事智能電器與機(jī)電一體化方面的研究。