分布式IPC工業(yè)配電測控的多任務(wù)調(diào)度管理系統(tǒng)的設(shè)計

引言

隨著科技的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)絡(luò)自動化和工業(yè)測控技術(shù)也隨之發(fā)展迅猛，對系統(tǒng)的實時性、可靠性和多功能性要求也越來越高。而高校測控專業(yè)實驗設(shè)備模塊單一、功能簡單，遠遠落后于現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展。針對高校測控專業(yè)實際需求，研究和設(shè)計了一套分布式IPC工業(yè)配電測控系統(tǒng)，由1臺上位機和8臺下位機構(gòu)成。各下位機能夠根據(jù)需要對多路模擬量、開關(guān)量進行檢測和控制。上位機可以發(fā)出指令和任何一臺與之相連的下位機進行通信，收集各下位機傳送來的模擬量和開關(guān)量信息，進行相關(guān)的分析、匯總、報表生成等處理，并對各下位機子系統(tǒng)進行監(jiān)控和宏觀調(diào)度。多任務(wù)調(diào)度管理是系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點，本文將重點敘述其調(diào)度管理過程。

1 下位機系統(tǒng)功能概述

下位機主要模擬配電測控系統(tǒng)運行，可實現(xiàn)多路模擬量、開關(guān)量的采集、存儲、顯示以及與上位機的通信。同時，為了豐富以后實驗系統(tǒng)的教學和實驗內(nèi)容，還特意增加了2個具有典型代表性的工業(yè)控制環(huán)節(jié)：直流電動機子系統(tǒng)的控制和模擬的溫度測控子系統(tǒng)。因此，下位機是一個較為復雜的測控子系統(tǒng)，普通的單片機功能簡單，很難勝任，為此選用了控制功能強大的研華IPC-610工業(yè)控制計算機，配裝了2塊PC-6313多功能模入/模出板卡。每塊PC-6313板卡有24路開入/開出、32路單端模擬量輸入/16路雙端輸入、3個定時器/計數(shù)器、2路模擬量輸出，結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全，性價比高，配接相應的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)即可完成所有的功能，下位機系統(tǒng)框圖如圖1所示。IPC-610底板可擴展性強，有近20個ISA插槽和PCI插槽，可隨時方便系統(tǒng)的升級。

工業(yè)測控系統(tǒng)最重要的是穩(wěn)定性，DOS系統(tǒng)比Windows系統(tǒng)穩(wěn)定性強且占用內(nèi)存小，非常適應工業(yè)系統(tǒng)需要。為此，本系統(tǒng)采用DOS操作系統(tǒng)，編程語言采用C語言。下位機模擬的是配電測控系統(tǒng)運行，有多道任務(wù)程序，同時要求運行速度快、穩(wěn)定性強，是一個復雜的多任務(wù)實時系統(tǒng)。多任務(wù)實時調(diào)度過程的分析和設(shè)計是下位機系統(tǒng)運行的關(guān)鍵。

2 下位機系統(tǒng)實時多任務(wù)調(diào)度過程分析和設(shè)計

2.1 任務(wù)及其占用資源的關(guān)系

下位機配電測控系統(tǒng)，共有19個任務(wù)程序和1個簡化的、初級的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)MROS,構(gòu)成了一個多任務(wù)實時測控系統(tǒng)[4]。各個任務(wù)程序的名稱及其功能如下：

task_0 （ ）：0點制表任務(wù)程序。

task_4 （ ）：4點制表任務(wù)程序。

task_8 （ ）：8點制表任務(wù)程序。

task_12 （ ）：12點制表任務(wù)程序。

task_16 （ ）：16點制表任務(wù)程序。

task_20 （ ）：20點制表任務(wù)程序。

getad （ ）：每2 s采集模擬量任務(wù)程序。

task_s （ ）：每2 ms采集開關(guān)量任務(wù)程序。

stepping（ ）：每500 ms采集溫度測控子系統(tǒng)的溫度值，根據(jù)溫度偏差，控制步進電動機正/反轉(zhuǎn)。

motor（ ）：每250 ms采集1次直流電動機的轉(zhuǎn)速，控制直流電動機按設(shè)定值運行。

pmotor（ ）：根據(jù)直流電動機的轉(zhuǎn)速，繪制直流電動機的動態(tài)運行曲線。

mnxs（ ）：在屏幕上排列顯示各個模擬量的當前值。

kgxs（ ）：在屏幕上排列顯示各個開關(guān)量的當前值。

Subdl（ ）：在屏幕上繪制工廠配電系統(tǒng)的電氣主接線圖。

Kg（ ）：把采集的開關(guān)量填入電站的電氣主接線圖中，完成開關(guān)量在圖中的動態(tài)顯示。

tad（ ）：把采集的模擬量填入電站的電氣主接線圖中，完成模擬量在圖中的動態(tài)顯示。

Stepmotor（ ）：步進電動機升降速全過程控制，動態(tài)繪制升降速全過程。

Slaver（ ）：從機和主機的通信任務(wù)。將本機的64路模擬量和16路開關(guān)量以及溫度測控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳給上位機進行顯示。

Subtime（ ）：北京時間動態(tài)顯示。屏幕上各個畫面正上方中均有北京時間。

quit（ ）：退出運行處理，返回C集成開發(fā)環(huán)境。

19個任務(wù)要求占用硬件資源的關(guān)系十分復雜，表述如下：所有任務(wù)均要求占用CPU，而CPU只有1個；不同的任務(wù)要求占用不同的外設(shè)資源，多個任務(wù)可能要求占用同一外設(shè)；各任務(wù)之間存在橫向聯(lián)系；多個任務(wù)在宏觀上的并發(fā)操作；多任務(wù)實時操作系統(tǒng)MROS的主要功能就是協(xié)調(diào)以上各種關(guān)系，有效地管理分配各種資源。

2.2 多任務(wù)實時操作系統(tǒng)的簡化

標準的MROS一般包括CPU管理、外設(shè)管理、中斷管理、存儲器管理和文件管理等，占用內(nèi)存空間較大，CPU的運行速度較慢。下位機測控系統(tǒng)具有如下特點：

（1）對各量的監(jiān)測和控制，實際上是周期性地重復執(zhí)行各任務(wù)程序。

（2）人機聯(lián)系任務(wù)雖然是隨機的，但任務(wù)的內(nèi)容是固定的，操作人員只是通過鍵盤調(diào)用一些編制就緒的程序而不修改程序本身。

（3）監(jiān)測對象固定，主機和外設(shè)規(guī)模也是固定不變的。

對于這樣一個系統(tǒng)，若采用標準的MROS，將占用較多內(nèi)存空間和CPU的運行時間，降低系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的實時性。因此，本系統(tǒng)采用了一種與硬件資源和測控對象相適應的簡化的、初級的MROS，保留了標準MROS的核心功能。即CPU管理、外設(shè)管理和中斷管理，其主要工作如下：

（1）任務(wù)調(diào)度

任務(wù)調(diào)度的主要職能，一是根據(jù)任務(wù)調(diào)度算法分配CPU，即實現(xiàn)某個時間或事件驅(qū)動的任務(wù)切換；二是從任務(wù)收回CPU。

按照任務(wù)的優(yōu)先級是否可以動態(tài)地改變，調(diào)度算法可以分為：靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度。

按照調(diào)度過程是否允許采用搶先方式，調(diào)度算法可以分為：搶先調(diào)度方式和非搶先調(diào)度方式。非搶先調(diào)度方式在滿足高優(yōu)先級別任務(wù)的時限方面比搶先調(diào)度方式要差一些，但是它實現(xiàn)起來簡單，時間確定性好，并且避免了因為資源共享而引起的互斥，實際應用較廣。

本系統(tǒng)設(shè)計時，按照多任務(wù)實時操作的基本原則來編寫任務(wù)程序，通過硬件配合，可使每個任務(wù)都在幾十個微秒內(nèi)完成。因此，可采用靜態(tài)調(diào)度方式設(shè)計圖1所示的IPC系統(tǒng)。但某些任務(wù)的優(yōu)先級別可以局部改變；若采用非搶先調(diào)度方式，可把1個功能分解為若干個可以在1 μs到幾十微秒內(nèi)完成的程序段，以改善實時性。

（2）進程控制

為了描述和控制進程的運行，系統(tǒng)為每個進程定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——進程控制塊（PCB）。PCB主要包括：進程標識符、進程當前狀態(tài)、進程隊列指針、程序開始地址、進程優(yōu)先級、CPU現(xiàn)場保護區(qū)、通信信息、家族聯(lián)系、占有資源清單等。

為了簡化問題，本系統(tǒng)按一定的原則編制每一個任務(wù)程序，使得每一個任務(wù)程序都在規(guī)定的時間內(nèi)執(zhí)行完畢，即每一個任務(wù)程序在執(zhí)行完后才交還CPU的使用權(quán)，因此，在本系統(tǒng)所設(shè)計的MROS中，就只使用PCB中的“進程當前狀態(tài)”這一個概念。

（3） “tick”信號

“tick”信號是MROS在運行過程中需要的基本的、最小的定時單位。在圖1所示的系統(tǒng)中，“tick”由PC-6313板卡的定時/計數(shù)器8253產(chǎn)生。當系統(tǒng)初始化時，使PC-6313 1#板卡8253的 T2 OUT2每1 ms輸出1個脈沖，把這個脈沖信號作為中斷請求信號加在IRQ3上，每1次中斷即產(chǎn)生1個“tick”，在IRQ3的中斷服務(wù)程序進行與時間相關(guān)的操作。

2.3 多任務(wù)實時調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計原則

在單CPU系統(tǒng)中，不可能有真正意義上的并行操作，所有任務(wù)只能遵循調(diào)度策略，串行地占用CPU，即：宏觀上在同一時段內(nèi)多個程序的同時執(zhí)行，而微觀上則是多個任務(wù)的交替執(zhí)行。整個測控系統(tǒng)必須遵循的設(shè)計原則如下：

（1）快速的任務(wù)調(diào)度和切換。調(diào)度程序本身必須是低開銷，本系統(tǒng)編寫的實時調(diào)度程序，占用CPU的執(zhí)行時間小于1μs。調(diào)度所需的“tick”是通過定時器/計數(shù)器模板上的8253產(chǎn)生的，可以根據(jù)需求確定調(diào)度精度，從幾百微秒到若干毫秒。

（2）在設(shè)計測控電路和編制各個實時任務(wù)程序時，應注意任何任務(wù)都不能加重CPU的負擔，它只能在接收控制信號和調(diào)節(jié)命令后，就脫離CPU的“關(guān)注”而獨立運行，直到新的控制信號和調(diào)節(jié)命令到來后又在新的條件下“獨立”運行。

2.4 多任務(wù)實時調(diào)度的過程分析

圖2是任務(wù)調(diào)度的過程示意圖。

圖2任務(wù)調(diào)度說明如下：

（1） 實時時鐘在0點、4點、8點、12點、16點和20點時，分別把task_0（ ）、task_4（ ）、task_8（ ）、task_12（ ）、task_16（ ）和task_20（ ）推入就緒隊列。

（2） 實時時鐘每隔5 ms、500 ms、2 s,分別把task_s（ ）、stepping（ ）、getad（ ）推入就緒隊列。

（3） a鍵、s鍵、b鍵、q鍵，分別把mnxs（ ）、kgxs（ ）、stepmoter（ ）、quit（ ）推入就緒隊列。

（4） m鍵把允許標志pmotorf1置1，在motor（ ）任務(wù)執(zhí)行過程中，如果發(fā)現(xiàn)pmotorf1=1，就把pmotor（ ）推入隊列。

（5） t鍵和d鍵均把subd1（ ）推入就緒隊列。在subd1（ ）的執(zhí)行過程中，如果發(fā)現(xiàn)是t鍵，則把kg（ ）推入就緒隊列；如果發(fā)現(xiàn)是d鍵，則把tad（ ）推入就緒隊列。

（6） kg（ ）、tad（ ）、mnxs（ ）、kgxs（ ）在各自運行過程中，又把自己推入就緒隊列，CPU不斷對它們提供運行機會，在沒有其他按鍵操作的情況下，pmotorf1總是等于1，即一直允許繪制直流電動機運行曲線，每250 ms運行motor（ ）時，pmotor（ ）都可以被設(shè)置為就緒狀態(tài)。pmotor（ ）每運行1次，就在屏幕上顯示1次直流電動機的當前速度值。

（7） 下位機串行口中斷一直處于開放狀態(tài)，若主機要求和該下位機通信，則把slaver（ ）推入就緒狀態(tài)。Slaver（ ）運行時，將指定的數(shù)據(jù)傳送給上位機。由于采用智能通信模塊，下位機只需把指定的數(shù)據(jù)傳送給智能通信模塊即可，其后，由通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給主機。串行通信的速度很快，可滿足系統(tǒng)實時性的要求。

3 下位機軟件系統(tǒng)設(shè)計流程

下位機軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。軟件系統(tǒng)由三大塊子系統(tǒng)構(gòu)成：圖3（a）為初始化及任務(wù)調(diào)度，是系統(tǒng)的管理層負責任務(wù)調(diào)度；圖3（b）為任務(wù)程序集合，它們在管理層的調(diào)度下實現(xiàn)各種功能；圖3（c）為中斷服務(wù)程序，是簡化MROS的組成部分。可以據(jù)此畫出更詳細的軟件系統(tǒng)流程圖并編寫相應的程序。

結(jié)論

本文對目前高校測控實驗儀功能單一，對測控系統(tǒng)的可靠性、實時性等不能很好地模擬等問題，研究和設(shè)計了一套配電測控模擬實驗臺，由上下位機系統(tǒng)構(gòu)成。下位機以工控機為核心，配裝簡化的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，能夠?qū)?6路開關(guān)量、64路模擬量及多個鍵盤任務(wù)進行實時檢測和控制，并能夠和上位機進行定時通信，將收集數(shù)據(jù)及時傳送給上位機，進行匯總、分析和報表打印等。重點分析了下位機的實時多任務(wù)之間的關(guān)系，調(diào)度過程原理及簡化的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)的設(shè)計。