吳堯輝, 馮 沖, 吳昊珍

(1.河南理工大學 電氣工程與自動化學院,河南 焦作 454000；2.河南理工大學 許繼電氣股份有限公司煤礦井下智能供電系統(tǒng)實驗室,河南 焦作 454000；3.鄭州工商學院,河南 鄭州 451400)

0 引 言

電網(wǎng)智能化發(fā)展是電網(wǎng)技術發(fā)展的必然趨勢,供電保護器面臨著功能復雜化、美觀圖形交互界面、實時性好等要求。小型前后臺系統(tǒng)在應用任務越來越多的情況下,后臺的應用任務將變得異常復雜,前臺的中斷服務程序也并不滿足供電綜保對硬實時特性的要求；傳統(tǒng)的數(shù)字交互界面不能直觀和美觀地將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給工作人員?？蓜儕Z型μC/OS-Ⅲ多任務操作系統(tǒng)以較好的實時性被廣泛的應用于醫(yī)療技術、消費電子、工業(yè)控制等領域；STemWin圖形庫文件的API函數(shù)可以方便、快捷地構建美觀的人機交互界面[1,2]。

本文采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103為主控芯片,3.2in(1in=2.54 cm)的LCD觸摸屏用于人機交互界面,設計了供電綜保系統(tǒng)。μC/OS-Ⅲ對供電綜保多任務統(tǒng)一管理,嵌入式圖形化emWin庫開發(fā)為LCD觸摸屏提供圖形人機交互界面,配有μC/Probe軟件對系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)進行監(jiān)測,有利于系統(tǒng)的改進和升級。

1 保護器總體方案設計

1.1 保護器系統(tǒng)硬件設計

供電綜保硬件由單片機(micro-controller unit,MCU)和外圍硬件電路構成,如圖1所示。MCU選擇高性能、低功耗、主頻為72 MHz的Cortex-M3作為主芯片滿足供電保護器系統(tǒng)的外設需求[1],外圍硬件電路分成六個模塊,電源模塊包括MCU可識別的直流3.3 V電壓、電氣信號調(diào)理電路所需12 V電壓、人機交互模塊所需的5 V電壓和用于漏電檢測判斷所附加的外部24 V電壓；開關量輸入與繼電輸出模塊用于檢測開關狀態(tài)和執(zhí)行開關動作；電網(wǎng)參數(shù)獲取模塊主要功能是將參數(shù)獲取后經(jīng)信號調(diào)理電路把電氣信號轉換成中央處理器(central processing unit,CPU)進行A/D轉換能識別的0～3.3 V單極性信號；通信模塊包括保護器與上位機之間的通信和各保護器間的通信兩種；數(shù)據(jù)存儲模塊增加了SD卡存儲方式；ILI9341觸摸液晶屏用于人機交互模塊。

圖1 保護器硬件框圖

1.2 保護器功能及任務劃分

在使用μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)的前提下,任務具有“并發(fā)性”的基本特征,根據(jù)圖1的系統(tǒng)硬件結構框圖對任務劃分為數(shù)據(jù)采集處理任務、保護任務、顯示任務、觸摸任務、通信任務等12個應用任務,實現(xiàn)功能和內(nèi)容如表1所示。

表1 應用任務劃分及內(nèi)容

數(shù)據(jù)采集處理綜合考慮實時性與精度的平衡采用雙模數(shù)轉換器(analog to digital converter,ADC)采樣提高采樣率[3],處理算法包括快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)算法、均方根和平均值算法[4,5]。ADC采樣、SD卡存讀及CAN通信都采用直接存儲器訪問(direct memony access,DMA)方式。

1.3 系統(tǒng)工程文件組成

保護器系統(tǒng)總體軟件以MDK開發(fā)環(huán)境,采用分層思想,如STM32庫函數(shù)、操作系統(tǒng)、emWin圖形庫等,分層結構便于系統(tǒng)設計與升級。軟件層包括用戶所需的應用程序層、操作系統(tǒng)層和CMSIS標準層[6],如圖2所示。應用程序受操作系統(tǒng)的管理,操作系統(tǒng)層包括μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)、emWin圖形庫、FatFs文件系統(tǒng),CMSIS標準層是ARM公司與各芯片廠商建立,位于操作系統(tǒng)層與硬件層之間,提供外設接口和操作系統(tǒng)軟件接口,便于軟件的移植。

圖2 系統(tǒng)軟件層次

2 保護器人機交互設計

人機交互界面采用3.2寸液晶電阻觸摸屏,分辨率為320×240。由于普通I/O口控制效率太低,通過配置時序寄存器和控制寄存器由FSMC的NORFLASH模式8080接口控制ILI9341液晶屏；通過XPT2046芯片讀取觸摸位置的ADC電壓值轉化成坐標來實現(xiàn)觸摸功能。

emWin圖形庫位于硬件層與用戶應用層之間,運行在硬件層之上并向應用層提供GUI相應API函數(shù)接口,起到承上啟下作用。分層的概念使應用程序不依賴硬件平臺,更加便于移植和優(yōu)化。從表2的emWin軟件架構可以看出,包括控件層、窗口管理器、GUI核心層、存儲設備。

表2 emWin軟件架構

保護器的人機交互界面包括主界面和4個二級界面,主頁面以表盤的形式動態(tài)實時顯示電壓、電流、絕緣阻抗等,4個二級界面用于查看和設置詳細電網(wǎng)系統(tǒng)的各項參數(shù),包括數(shù)據(jù)實時顯示、保護參數(shù)設置、故障信息查詢和系統(tǒng)時間顯示。保護器主界面如圖3所示。

圖3 保護器主界面

Segger公司為emWin開發(fā)的小工具對于交互界面的前期設計極其方便,如GUIBuilder對界面進行初設計后可生成C代碼文件,BmpCvtST.exe軟件將繪制好的背景圖PNG格式的圖片轉換成C語言代碼的位圖顯示,FontCvtDemo軟件生成字庫或字模等[7]。

保護器對交互界面數(shù)值更新與顯示有實時性和美觀性要求。主界面的創(chuàng)建使用位圖顯示的2D靜態(tài)表盤和動態(tài)指針,使用靜態(tài)圖像表盤+動態(tài)指針的分層處理可使主界面刷新變的流暢,由于位圖圖片存儲所需空間較大,所以選擇位圖、指針及顯示數(shù)值的分段存儲方式。電網(wǎng)數(shù)據(jù)實時顯示若選擇直接使用窗口重繪功能將會導致屏幕不斷閃爍,因此，二級界面中的數(shù)據(jù)顯示窗口選擇存儲設備進行渲染并通過回調(diào)機制實時顯示電網(wǎng)參數(shù)。中文字庫若選擇直接讀取外置字庫的方式,CPU利用率變大且速度較慢,因此使用外部FLAH直接調(diào)用字庫的方法。

3 μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)應用設計

3.1 μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)移植與配置

相較于以前版本,μC/OS-Ⅲ功能和性能都有所提高,已經(jīng)是第三代內(nèi)核系統(tǒng)。它是一個可裁剪、可固化、基于優(yōu)先級可剝奪型的多任務內(nèi)核。由于源代碼開放使其有更多的學習資料,依靠穩(wěn)定性和實時性好等特點也廣泛應用于工業(yè)控制、信息處理等領域。下載官方相應內(nèi)核評估板的μC/OS-Ⅲ源代碼文件,大大降低移植的復雜度。操作系統(tǒng)文件結構[8]如圖4所示,在工程中添加操作系統(tǒng)文件組,移植工作主要包括(5)和(3),(5)主要針對特定CPU架構進行修改,(3)是保護器功能所需外設的交互代碼。文件組(8)根據(jù)對應用任務運行時間、運行頻率以及實時性的不同要求,對應用任務進行的合理配置,os_cfg.h文件體現(xiàn)了μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)是一個可裁剪內(nèi)核,可根據(jù)設計需要將#define OS_CFG_APP_X_EN置1或0(X表示配置項)。

圖4 操作系統(tǒng)文件結構

3.2 應用任務的配置

根據(jù)對應用任務運行時間、運行頻率以及實時性的不同要求,對應用任務進行的合理配置,從而保證系統(tǒng)的實時性和運行穩(wěn)定性。應用任務配置如表3所示,數(shù)據(jù)采集任務使用ADC以DMA方式進行采集,因此CPU執(zhí)行采集任務的時間很短,小于1 ms,使用20 ms延時函數(shù)控制采樣周期,在采集延時過程中,CPU執(zhí)行其他任務。在20 ms的延時時間段內(nèi),數(shù)據(jù)處理任務處理上一次采樣的原始數(shù)據(jù),設計要求小于5 ms,四個保護任務運行時間要小于5 ms,綜上理論上保護類任務的總延時不會超過30 ms,滿足各種保護任務的實時性要求。

對于應用任務,優(yōu)先級的配置也更加靈活卻也極為重要,優(yōu)先級需要綜合考慮任務重要性、任務運行時間限制、任務運行頻度和留有適當?shù)拈g隔。任務?？臻g的分配原則是先給每個任務足夠大的棧空間后充分利用μC/Probe的任務監(jiān)視功能,得到每個任務棧的實際使用情況,所得值再乘以1.5～1.8安全系數(shù)用于中斷嵌套。

3.3 應用任務通信與資源管理

在μC/OS-Ⅲ中任務間通過全局變量和消息隊列進行數(shù)據(jù)通信,任務消息隊列在任務創(chuàng)建后就存在于該任務TCB中,消息傳遞速度較快,適合通信量較少的任務間。對于數(shù)據(jù)量較多的則選擇全局變量的方式。如表4所示,保護器系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源表。

表4 保護器系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源表

共享資源有數(shù)據(jù)采集的原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理任務的電氣信號、故障信息結構體、時間日期結構體。對于共享資源的處理有關中斷、信號量、互斥信號量等,若采用關中斷方式保護共享資源則不利于保護器系統(tǒng)實時性,也增加中斷延遲時間；若采用信號量方式,會導致任務優(yōu)先級反轉問題,μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)是基于任務優(yōu)先級剝奪CPU使用權,低優(yōu)先級任務先于高優(yōu)先級任務執(zhí)行顯然不合理；因此本設計使用互斥信號量方式對共享資源進行保護。

數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理再到保護類任務由信號量和事件標志組實現(xiàn)了嚴格的雙向同步,因此不會產(chǎn)生對共享資源的破壞,不需要互斥信號量,加快了保護類任務的執(zhí)行。對電氣信號、故障信息、時間信息使用互斥信號量進行共享資源管理。

3.4 應用任務行為同步管理

μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)提供了多種同步機制的內(nèi)核對象,如事件標志組、信號量、消息隊列等[9]。如圖5所示任務間同步運行,包括數(shù)據(jù)采集處理與保護類任務的同步、保護類任務故障時與其他任務的同步、中斷服務管理任務與通信及時間日期的同步。

圖5 任務間同步運行與通信

保護類任務以高優(yōu)先級先運行,在運行完畢后將標志位置1,等待事件標志組全部置1后數(shù)據(jù)采集任務執(zhí)行,ADC采集電氣信號后由數(shù)據(jù)處理任務對原始數(shù)據(jù)處理并生成保護類任務所需的各項參數(shù),并發(fā)布廣播信號,使保護類任務處于就緒態(tài)。

當有故障產(chǎn)生,保護類任務執(zhí)行并在故障解除后以任務消息隊列的形式進行單向同步,SD卡存儲、GUI顯示、通信任務的上位機顯示以阻塞的方式等待任務消息。

中斷使用延遲發(fā)布模式,通過優(yōu)先級為0的中斷服務管理任務發(fā)布任務消息實現(xiàn)RTC每秒定時和CAN通信報文的接收和發(fā)送。

4 系統(tǒng)運行監(jiān)測

使用μC/Probe對綜保系統(tǒng)運行檢測情況如圖6所示,能夠顯示任務狀態(tài)、任務優(yōu)先級、切換頻率和任務堆棧等,CPU利用率為64.32 %,符合CPU利用率在60 %～70 %之間的要求；堆棧利用率均在50 %～70 %之間,考慮到任務堆棧要有1.5～1.8倍的余量,所以任務堆棧設置合理。在不對系統(tǒng)進行任何操作時,優(yōu)先級較低的空閑任務和GUI任務的任務切換頻率和CPU運行率較大,保證低優(yōu)先級任務能為高優(yōu)先級任務運行讓出CPU使用權；當有參數(shù)設定及故障查詢后,數(shù)據(jù)采集處理任務和保護判斷類任務顯示各項數(shù)據(jù)相近,滿足任務間的同步及正常通信,保證了系統(tǒng)的實時性。

圖6 系統(tǒng)運行檢測

5 結束語

本文介紹了基于μC/OS-Ⅲ和emWin的供電綜合保護器設計。設計的保護器具備常見故障類型的保護判斷及動作功能,根據(jù)應用任務要求配合μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務運行管理,系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行且滿足任務實時性要求,emWin圖形庫設計的人機交互對電網(wǎng)各參數(shù)的監(jiān)測有更加直觀和美觀的體驗。