基于μC/OS-Ⅱ的變頻器變結構控制系統(tǒng)設計

摘要：介紹了抽油電機變頻器變結構控制系統(tǒng)功能原理，如何利用μC/OS-II的多任務功能實現(xiàn)控制系統(tǒng)的算法結構變換，操作系統(tǒng)的移植、多任務的建立和SDK下的軟件設計；最后總結了在應用中需注意的問題。

在油田生產(chǎn)中為了節(jié)省電能并減小故障率，變頻器得到越來越多的應用。但由于油井負載的非周期大脈動性質，從能量的流向來看，變頻器有兩種運行狀態(tài)——電動運行和回饋制動。不同運行狀態(tài)的控制變量和控制方法是不同的，這就要采用所謂的變結構控制。本應用是實現(xiàn)抽油電機變頻驅動中的變結構控制，不同的控制結構通過任務間的切換實現(xiàn)。

系統(tǒng)控制核心采用DSP56F803，它是Motorola公司推出的16位DSP型微控制器，運算速度可達40MIPS，片內(nèi)資源豐富，有強大的軟件支持，是嵌入式應用的理想選擇。本系統(tǒng)應用了其SPI、SCI、PWM、鍵盤中斷及通用I/O口等功能模塊。

1 系統(tǒng)設計

1.1 μC/OS-Ⅱ的移植與配置

Motorola公司提供的軟件開發(fā)工具包SDK為使用μC/OS-Ⅱ做好了鋪墊工作，與硬件相關的文件OS_CPU.H、OS_CPU_A.SM和OS_CPU_C.C已經(jīng)給出，只需購得系統(tǒng)源代碼，然后將其考入指定的文件目錄，系統(tǒng)的移植就完成了。本文采用最新版本μC/OS-ⅡV2.51。

系統(tǒng)移植成功后，需要對操作系統(tǒng)進行配置(裁剪)，把用不到的功能去掉，以最大限度地節(jié)省存儲空間。這項工作是通過os_cfg.h中的宏定義進行的，本文只用到了多任務管理、信號量、互斥量等功能。在本應用中，μC/OS-Ⅱ內(nèi)核經(jīng)過剪裁后只有3KB左右，相對DSP56F803的32KB內(nèi)部程序Flash只用了不到十分之一。需注意的另一個關鍵設置是時鐘節(jié)拍中斷頻率Os_TICKS_PER_SEC，它是系統(tǒng)多任務運行所依賴的時間基準，也決定了任務重復調(diào)用的最快頻率。這里缺省設為1000，要比文獻[3]中的推薦值高出一個數(shù)量級。但實際應用表明，DSP56F803以其高運算速度在這個設置下是完全勝任的。

1.2 系統(tǒng)功能

根據(jù)油田生產(chǎn)的要求，系統(tǒng)要實現(xiàn)以下功能：鍵盤輸入、參數(shù)顯示、三相電流采集、直流側電壓采集、溫度采集、變頻指令輸出以及保護等。系統(tǒng)對電流、電壓、溫度進行周期性采樣，采樣值經(jīng)過數(shù)字信號處理，作為控制器的參數(shù)，最后由控制算法得出控制量，經(jīng)PWM和D/A轉換器發(fā)送給變頻器，形成反饋閉環(huán)控制。系統(tǒng)運行過程中實時顯示電流、溫度等參數(shù)，并可以通過鍵盤對控制器進行參數(shù)在線設定。另外，高溫、過流等保護功能必不可少。系統(tǒng)原理如圖1?？刂破鞲鶕?jù)直流側電容C上電壓的大小來確定以哪一種控制結構運行。當直流側電壓不超過設定值時，系統(tǒng)以電動狀態(tài)運行。超過設定值時要以回饋制動方式運行，要求兩種工作狀態(tài)要互鎖，切換要準確、及時。

1.3 任務的創(chuàng)建及變結構控制的實現(xiàn)

根據(jù)功能要求，本著盡量減少任務數(shù)以減輕CPU運行負擔的原則，本文設計了AD采集、電動運行、回饋制動和顯示四個任務。另外還設計了兩個中斷服務子程序：用PortA口的中斷功能實現(xiàn)8個鍵盤輸入，用外部中斷IrqA實現(xiàn)短路、過流、缺相保護功能。

每個任務都有自己的名稱、內(nèi)存空間和優(yōu)先級。不同的任務必須有不同的優(yōu)先級，它們可以是0～62之間的任意值，數(shù)值越小優(yōu)先級越高。優(yōu)先級的設置有不同的依據(jù)，以本文為例，回饋運行任務對時間要求最苛刻，如果不能及時啟動或過早結束都會對變頻器造成危害，所以其優(yōu)先級設為最高；AD采集任務運行最頻繁，必須為其它任務提供可靠的參數(shù)，優(yōu)先級設為次高；電動運行任務是常規(guī)運行狀態(tài)，優(yōu)先級低于AD采集任務；顯示任務只實現(xiàn)人機交互，顯示狀態(tài)和參數(shù)對控制器性能沒有直接影響，優(yōu)先級設為最低。μC/OS-Ⅱ要求為每個任務分配OS_STK類型的堆棧空間，并且它們占用的RAM存儲空間必須是連續(xù)的。

任務延時是指任務執(zhí)行完畢處于掛起等待狀態(tài)到下一次重新運行之間的時間間隔，它的單位是時鐘中斷節(jié)拍。由于OS_TICKS_PER_SEC為1000，每一拍為lms。每個任務的調(diào)用間隔不能小于一個節(jié)拍，它將影響模擬量的采樣頻率。

各個任務的屬性定義如表1所示。

表1 各個任務的屬性定義

1.4 任務間的通信

各個任務是通過搶占CPU的使用權來運行的，它們之間存在一定的邏輯關系，彼此互相聯(lián)系又互相制約。信號量、郵箱、消息隊列等功能為實現(xiàn)任務間通信提供了有力工具，它們的使用方法靈活多變，如用信號量設置事件標志，喚醒任務、用郵箱在任務間傳遞參數(shù)、用消息隊列的循環(huán)尋址功能進行模擬通道的數(shù)據(jù)采集等。本文設計了兩個信號量，在系統(tǒng)運行開始后，任務TASK_AD檢測直流側電壓的大小。當電壓未超過設定值時，發(fā)出信號DC_NORM喚醒任務Task_NORMAL；當電壓高出設定值時，發(fā)出信號DC_OVER喚醒任務Task_FEBACK。雖然這兩個任務基于不同的控制結構，采用不同的算法，但都要使用PWM輸出和SPI通信口，所以在喚醒一個任務的同時必須讓另外一個任務掛起。這里引入了互斥型信號量T_MUTEX實現(xiàn)這個功能。得到T_MUTEX信號的任務將獨自占有共享資源的使用權，兩個任務不會因資源沖突而同時掛起，解決了任務間優(yōu)先級反轉問題，避免了系統(tǒng)功能失效。任務間邏輯關系如圖2所示。

操作系統(tǒng)為任務間通信提供了多種途徑，但最簡單有效的方法是共享全局變量。本文使用共享全局變量的方法實現(xiàn)了顯示任務與鍵盤中斷服務之間的通信，代碼如下：

鍵盤中斷：

static void KeyboardISR(void)

{

UWoMl6 cpu_sr；

OS_ENTER_CRITICAL()；//臨界區(qū)代碼保護

asm{

move X：$0FB7，A1 //讀鍵盤中斷狀態(tài)表

move A1，state1 //將中斷狀態(tài)放入全局變量

｝；

OS_EXIT_CRITICAL()； //臨界區(qū)代碼保護結束

｝

這里statel是全局變量，鍵盤中斷的工作僅僅是將PORTA口中斷狀態(tài)寄存器(IESR，地址$0FB8) 讀入statel中。為防止其他任務在此期間對statel的修改，使用了臨界區(qū)代碼保護。

顯示任務的部分代碼：

switch(statel)

{case 1： //PTA_0對應的鍵被按下

…… //相應的服務程序，略

case 128： //PTA_7對應的鍵被按下

break；｝

asm{move$00,X：$OFB8｝; //清鍵盤中斷狀態(tài)，以備下次中斷

顯示任務中采用多分支結構，根據(jù)statel=2n，(n=0,1,2,3,,4,5,6,7)，不同的值代表不同的鍵被按下，程序進行相應的處理；最后將IESR寄存器清零。用同樣的方法，兩位之間互相組合可擴展形成16個按鍵。這樣只用一個全局變量就完成了中斷與任務間的通信，程序用內(nèi)嵌匯編的C來寫，簡捷高效。

2 系統(tǒng)設計中需注意的問題

首先是存儲器分配問題。多任務、郵箱等功能的使用會增加RAM的額外開銷，在不擴展外部RAM的情況下，可用的只有片內(nèi)2KB數(shù)據(jù)RAM和512字的程序RAM，資源相對有限，存儲空間的合理分配就顯得很重要。任務堆棧所占用的RAM空間要根據(jù)實際應用來確定，必須考慮任務調(diào)用的嵌套情況、任務中函數(shù)為局部變量所分配的內(nèi)存數(shù)目。另外，它必須能保存DSR的所有22個寄存器和16個存儲器字。如果為任務分配的存儲空間富余過多則造成資源緊張，甚至會因內(nèi)存溢出導致系統(tǒng)崩潰。解決方法是調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)OSTaskStkChk()，它可以檢測每個任務運行時使用的內(nèi)存大小，為合理分配內(nèi)存空間提供了依據(jù)。另外，可采用一些簡化方法節(jié)省RAM空間。例如SDK為AD采集的每個通道都定義一個結構體，它包括三個元素：句柄、數(shù)值長度和采樣值；如果使用五路AD采集，就得定義五個結構體。通常不進行初始化，DSP內(nèi)核在運行時將它們放入RAM空間，占用RAM較多。通常關心的只是采樣值一個元素，其他兩個只完成輔助功能。如果使用一個存放采樣值的變量代替這個結構體，或直接采用匯編語言寫這段代碼，就可大幅度地節(jié)省RAM空間。本文的AD采集程序就是用匯編完成。

SDK沒有提供在DSP56F803下使用SPI函數(shù)的例程。仿照在807中的成功應用，筆者調(diào)用spiWfite()函數(shù)，通過SPI驅動D/A轉換芯片。但在編譯連接時出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤，數(shù)據(jù)類型unsigned short與const void不匹配，在const.c中將spiWrite做強制類型轉換(void*)(&spiWrite)，解決了這一問題。

利用SDK與μC/OS-Ⅱ相配合，充分發(fā)揮了DSP型控制器DSP56F803的功能，采用內(nèi)嵌匯編的C語言編程，大大提高了代碼的可讀性和可移植性，絡短了系統(tǒng)開發(fā)周期，成功實現(xiàn)了系統(tǒng)的變結構控制功能，也體現(xiàn)了操作系統(tǒng)的多任務功能在實現(xiàn)多算法結構上的優(yōu)越性。