摘  要： 針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(jìn)行實時檢測和控制,，并能夠和上位機進(jìn)行定時通信,，將收集數(shù)據(jù)及時傳送給上位機，進(jìn)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,。
關(guān)鍵詞： 配電測控實驗臺,； 下位機系統(tǒng)； 多任務(wù)實時操作系統(tǒng)

      目前,，配電網(wǎng)絡(luò)自動化和工業(yè)測控技術(shù)發(fā)展迅速,，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(Industrial Personal Computer)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(如電壓,、電流、功率因素,、有功功率,、無功功率等)、開關(guān)量(如各出線開關(guān)分合閘狀態(tài),、補償電容器的狀態(tài)等)進(jìn)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(jìn)行通信，收集各下位機傳送來的模擬量和開關(guān)量信息,，進(jìn)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(jìn)行監(jiān)控和宏觀調(diào)度[1],。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[2],。
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(xué)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)(即步進(jìn)電機控制系統(tǒng)),。因此，下位機是一個較為復(fù)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[3],。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(yīng)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(yīng)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(fù)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(jìn)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(dāng)前值,。
　　 kgxs( )：在屏幕上排列顯示各個開關(guān)量的當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(例如對板卡的占用),多個任務(wù)可能要求占用同一外設(shè)(例如對CRT,、打印機的占用);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[4]。
　  可以把MROS形象地比喻成一條“軟件總線”,，各個任務(wù)程序“掛”在上面,，形成一個“管控一體化運行軟件”。
2.2 多任務(wù)實時操作系統(tǒng)的簡化
　  標(biāo)準(zhǔn)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[5]，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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的簡化的,、初級的MROS，保留了標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(jìn)程控制
　  為了描述和控制進(jìn)程的運行，系統(tǒng)為每個進(jìn)程定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——進(jìn)程控制塊(PCB),。PCB主要包括：進(jìn)程標(biāo)識符,、進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)、進(jìn)程隊列指針,、程序開始地址,、進(jìn)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,。系統(tǒng)將根據(jù)PCB感知進(jìn)程的存在,，PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。
　  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)(1 ?滋s到幾十微秒)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(jìn)程當(dāng)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(dāng)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(jìn)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[6]：
　  (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(yīng)注意任何任務(wù)都不能加重CPU的負(fù)擔(dān)，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(biāo)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(dāng)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(fù)責(zé)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(xì)的軟件系統(tǒng)流程圖并編寫相應(yīng)的程序,。

     本文介紹了一種分布式IPC配電測控實驗系統(tǒng)的多任務(wù)實時調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計，說明了在單CPU系統(tǒng)中,，多任務(wù)實時調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計原則，并據(jù)此設(shè)計了一個簡化的MROS,，能夠完成標(biāo)準(zhǔn)MROS的核心功能，即CPU管理,、外設(shè)管理和中斷管理,。下位機系統(tǒng)在該簡化的MROS調(diào)度管理下,，可以很好地完成各項任務(wù),，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，調(diào)度精度可達(dá)毫秒級,。實驗系統(tǒng)較好地模擬了配電測控系統(tǒng)的調(diào)度,、運行和管理過程,，融合了工控機,、總線、接口技術(shù),、通信技術(shù)、控制技術(shù)等多方面的知識,，可以讓學(xué)生更具體地了解工控系統(tǒng)的組成，更真實地觸摸工控系統(tǒng)的工作原理,。該系統(tǒng)配備相應(yīng)的測量儀表和傳感器即可構(gòu)成一個實時性很強的配電測控系統(tǒng),。因此具有一定的理論價值和應(yīng)用價值。
參考文獻(xiàn)
[1]     陳曾漢,，劉明白，趙志強,等. 工業(yè)PC及測控技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社,，2004：271-298.
[2]     謝輝，陳曾漢.分布式IPC工業(yè)測控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2008,1(1):35-37.
[3]     北京中泰研創(chuàng)科技有限公司[EB/OL].PC-6313多功能模入模出接口卡技術(shù)說明書.http://www.ztic.com.cn/
upload/shuoming/Pc6313.doc,2006-06-28.
[4]     周航慈,，吳光文.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006：55-61.
[5]     TANENBAUM A S. 操作系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[M].陳渝,，等譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2007：167-174.
[6]     王立剛.開放式混合實時系統(tǒng)中的調(diào)度方法研究[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),，2006：85-87.