張 軍,唐心亮,王震洲,劉教民,,王麗麗

(1.河北工業(yè)大學(xué)計算機(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實時系統(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公司實時系統(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)計了智能斷路器系統(tǒng)。以線程的形式安排各個子功能模塊,分配系統(tǒng)資源,對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析和設(shè)計,最終實現(xiàn)對智能斷路器的實時控制。實踐證明,整個系統(tǒng)運行良好,提高了系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性。

智能斷路器;DSP/B IOS;實時系統(tǒng)

斷路器是一種重要的開關(guān)電器,其性能全面,不單用作開關(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)功能越來越多,結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜[1-2],這就對系統(tǒng)軟件的設(shè)計提出了更高的要求(如能夠支持多任務(wù),滿足系統(tǒng)較高的實時性能等)。

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

1.1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

該智能斷路器由DSP/B IOS實時系統(tǒng)、模擬信號檢測單元、開關(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 信號傳感檢測及隔離

電壓檢測通常用電壓互感器(PT),而電流檢測則常用電流互感器(CT),后者有實心和空心之分。實心(CT)在小電流時線性度好,但大電流時鐵芯易于飽和、線性度差、測量范圍小;空心CT線性度好、測量范圍廣,但在小電流時,信號較小,測量誤差大。要提高小電流時的測量精度,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,在正常工作時由于永磁鐵的存在使動鐵芯處于閉合狀態(tài)。當(dāng)脈沖電流流經(jīng)線圈時可產(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)各種故障信號處理完成后,CPU則按保護(hù)特性通過I/O接口發(fā)出控制信號控制線圈;另一種是模擬脫扣,此種執(zhí)行方式不經(jīng)過CPU處理,當(dāng)故障信號超過一定值時直接比較輸出脫扣信號,從而保證了斷路器的可靠動作。

1.4 人機(jī)界面設(shè)計

為了適應(yīng)智能控制器功能多樣化的發(fā)展趨勢,對人機(jī)界面的設(shè)計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

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、過載等故障的損壞。因此斷路器不但可以接通或斷開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切斷故障電路,待電路工作狀態(tài)正常后可自動恢復(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,并且可以通過斷路器的通信功能互聯(lián)成區(qū)域網(wǎng),實現(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)分為信號采集檢測模塊、電路信號處理模塊、脫扣控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電路情況分析運算模塊、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功能模塊,這樣開發(fā)出來的系統(tǒng)模塊間有一定的耦合度,對以后系統(tǒng)的升級和維護(hù)帶來了不便,也無法適應(yīng)日趨復(fù)雜的系統(tǒng)對軟件提出的新要求。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)線程來看待,通過可配置的內(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)先級的高低分時復(fù)用CPU資源,各個任務(wù)線程之間通過通信、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)用程序各個功能模塊的機(jī)制下,設(shè)計的智能斷路器的各個功能模塊如圖2所示。

2.2 線程規(guī)劃

在利用DSP/B IOS設(shè)計應(yīng)用程序之前,應(yīng)對組成應(yīng)用程序的各個功能模塊進(jìn)行線程類型劃分,這種劃分主要是基于功能模塊的實時性要求進(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)和后臺線程(IDL)。這4種類型的線程優(yōu)先級按照順序依次降低。

圖2 DSP/BIOS下智能斷路器的模塊設(shè)計結(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)先級最高。一般與外部設(shè)備密切相關(guān)、實時性要求很高的功能模塊程序代碼放置在硬件中斷中,因此將以下幾個子功能模塊設(shè)置為硬件中斷線程:信號采集檢測模塊、脫扣控制模塊、通信接收模塊。信號采集模塊是整個系統(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,電壓和電流的信號采集工作由2部分完成,電流互感器(CT)檢測供電線電路的電流,電壓互感器(PT)檢測電線電路的電壓。這樣提高了采樣的分辨率和A/D變換的精度。AD芯片經(jīng)過與DSP芯片的通信,將采集到的信號數(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將會發(fā)生各種不可想象的后果。考慮到在DSP/B IOS中是按照線程的優(yōu)先級來調(diào)度和執(zhí)行各個任務(wù)線程的,而4種線程中硬件中斷的優(yōu)先級最高,所以將脫扣控制模塊設(shè)置為硬件中斷,以便控制器能及時地發(fā)出各種控制信號。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個字節(jié)的FIFO,如不及時對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將會造成數(shù)據(jù)丟失。

2)DSP/BIOS提供了15個軟件中斷線程(SW I)的優(yōu)先級。軟件中斷在運行中是不可以被阻塞的,除非有比其優(yōu)先級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設(shè)計的軟件線程有電路信號處理模塊和通信模塊。電路信號處理模塊是對信號采集檢測模塊采集到的數(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)處于運行、就緒、暫停、終止4種狀態(tài)之一,且同優(yōu)先級的任務(wù)先來先服務(wù),較高的優(yōu)先級可搶占較低的優(yōu)先級先服務(wù)。DSP/BIOS提供了15個任務(wù)線程的優(yōu)先級(加上 TSK_idle是16個),且在等待某個資源有效時可以被阻塞。在系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)存儲模塊、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,所以在其沒有得到較新的數(shù)據(jù)時是要被阻塞的,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電路信號數(shù)據(jù)通過與預(yù)先設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,發(fā)出各種控制信號給斷路器執(zhí)行模塊。人機(jī)交互包括顯示和鍵盤單元。通過液晶屏或發(fā)光管能夠適時顯示各種狀態(tài)和負(fù)載的參數(shù)值及故障電流,故障類型和保護(hù)動作、試驗整定情況,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、開關(guān)的試驗和各種功能的檢測。

4)后臺線程(IDL)的優(yōu)先級最低,在系統(tǒng)中運行一些對實時響應(yīng)要求不高的線程。

2.3 配置線程

基于DSP/B IOS開發(fā)的應(yīng)用程序,都有一個組件管理器,在這個組件管理器中可以對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。軟件開發(fā)過程也就是從這個組件管理器開始的。在DSP/B IOS的開發(fā)界面中可實現(xiàn)對各個中斷的設(shè)置。其配置界面見圖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調(diào)度其相應(yīng)的內(nèi)核對象來實現(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 HST對象內(nèi)部是用數(shù)據(jù)管道對象來實現(xiàn)的。管道對象(PIP)用于管理塊I/O。每個PIP對象都維護(hù)著1個幀,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個線程之間傳遞數(shù)據(jù) 。流是1個通道,通過它,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線程中,都是采用SIO流式數(shù)據(jù)、隊列、PIP管道、全局變量來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;軟件中斷線程采用郵箱實現(xiàn)同步。在任務(wù)中,采用SIO流式數(shù)據(jù)、隊列、PIP管道、LOCK鎖、郵箱、全局變量實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,通過信號量旗語、郵箱實現(xiàn)同步。經(jīng)過對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的實時分析工具,該工具能夠顯示系統(tǒng)的運行情況,應(yīng)用程序開發(fā)者通過它可以了解數(shù)據(jù)傳送的實時情況及各種硬件芯片的使用情況。實時分析工具為應(yīng)用程序開發(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)過監(jiān)控與調(diào)試,系統(tǒng)中的各個線程分配合理,程序運行良好。

4 結(jié) 語

綜上所述,設(shè)計的智能斷路器系統(tǒng)運行良好。DSP/B IOS在智能斷路器中的使用提高了整個系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性,DSP/B IOS應(yīng)用系統(tǒng)中各個模塊以線程的方式來管理以及支持多任務(wù)線程的特點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)的升級和維護(hù)。

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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。