??? 摘 要： 介紹了抽油電機(jī)變頻器變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)功能原理,，如何利用μC/OS-II" title="C/OS-II">C/OS-II的多任務(wù)" title="多任務(wù)">多任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的算法結(jié)構(gòu)變換,，操作系統(tǒng)的移植、多任務(wù)的建立和SDK下的軟件設(shè)計(jì);最后總結(jié)了在應(yīng)用中需注意的問(wèn)題,。
??? 關(guān)鍵詞： μC/OS-II? 多任務(wù)? DSP56F803? 變結(jié)構(gòu)控制
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??? 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(lái)越多的應(yīng)用。但由于油井負(fù)載的非周期大脈動(dòng)性質(zhì),，從能量的流向來(lái)看,，變頻器有兩種運(yùn)行狀態(tài)——電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)。不同運(yùn)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(jié)構(gòu)控制,。本應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)抽油電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)中的變結(jié)構(gòu)控制,不同的控制結(jié)構(gòu)" title="控制結(jié)構(gòu)">控制結(jié)構(gòu)通過(guò)任務(wù)間的切換實(shí)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(yùn)算速度可達(dá)40MIPS，片內(nèi)資源豐富,，有強(qiáng)大的軟件支持,，是嵌入式應(yīng)用的理想選擇。本系統(tǒng)應(yīng)用了其SPI、SCI,、PWM,、鍵盤(pán)中斷及通用I/O口等功能模塊。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1?μC/OS-II的移植與配置
??? Motorola公司提供的軟件開(kāi)發(fā)工具包SDK為使用μC/OS-II做好了鋪墊工作,，與硬件相關(guān)的文件OS_CPU.H,、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C已經(jīng)給出，只需購(gòu)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-II V2.51,。
??? 系統(tǒng)移植成功后,，需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)空間,。這項(xiàng)工作是通過(guò)os_cfg.h中的宏定義進(jìn)行的，本文只用到了多任務(wù)管理,、信號(hào)量" title="信號(hào)量">信號(hào)量,、互斥量等功能。在本應(yīng)用中,，μC/OS-II內(nèi)核經(jīng)過(guò)剪裁后只有3KB左右,，相對(duì)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(gè)關(guān)鍵設(shè)置是時(shí)鐘節(jié)拍中斷頻率OS_TICKS_PER_SEC,，它是系統(tǒng)多任務(wù)運(yùn)行所依賴(lài)的時(shí)間基準(zhǔn),，也決定了任務(wù)重復(fù)調(diào)用的最快頻率。這里缺省設(shè)為1000,，要比文獻(xiàn)[3]中的推薦值高出一個(gè)數(shù)量級(jí),。但實(shí)際應(yīng)用表明，DSP56F803以其高運(yùn)算速度在這個(gè)設(shè)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(shí)現(xiàn)以下功能：鍵盤(pán)輸入、參數(shù)顯示,、三相電流采集,、直流側(cè)電壓采集、溫度采集,、變頻指令輸出以及保護(hù)等,。系統(tǒng)對(duì)電流、電壓,、溫度進(jìn)行周期性采樣,，采樣值經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)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(zhuǎn)換器發(fā)送給變頻器,，形成反饋閉環(huán)控制。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示電流,、溫度等參數(shù),，并可以通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)在線設(shè)定,。另外,，高溫、過(guò)流等保護(hù)功能必不可少,。系統(tǒng)原理如圖1,。控制器根據(jù)直流側(cè)電容C上電壓的大小來(lái)確定以哪一種控制結(jié)構(gòu)運(yùn)行,。當(dāng)直流側(cè)電壓不超過(guò)設(shè)定值時(shí),，系統(tǒng)以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。超過(guò)設(shè)定值時(shí)要以回饋制動(dòng)方式運(yùn)行,，要求兩種工作狀態(tài)要互鎖,，切換要準(zhǔn)確、及時(shí),。
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1．3 任務(wù)的創(chuàng)建及變結(jié)構(gòu)控制的實(shí)現(xiàn)
??? 根據(jù)功能要求,，本著盡量減少任務(wù)數(shù)以減輕CPU運(yùn)行負(fù)擔(dān)的原則，本文設(shè)計(jì)了AD采集,、電動(dòng)運(yùn)行,、回饋制動(dòng)和顯示四個(gè)任務(wù)。另外還設(shè)計(jì)了兩個(gè)中斷服務(wù)子程序：用PortA口的中斷功能實(shí)現(xiàn)8個(gè)鍵盤(pán)輸入,，用外部中斷IrqA實(shí)現(xiàn)短路,、過(guò)流、缺相保護(hù)功能,。
??? 每個(gè)任務(wù)都有自己的名稱(chēng),、內(nèi)存空間和優(yōu)先級(jí)。不同的任務(wù)必須有不同的優(yōu)先級(jí),，它們可以是0~62之間的任意值,，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。優(yōu)先級(jí)的設(shè)置有不同的依據(jù),，以本文為例,，回饋運(yùn)行任務(wù)對(duì)時(shí)間要求最苛刻，如果不能及時(shí)啟動(dòng)或過(guò)早結(jié)束都會(huì)對(duì)變頻器造成危害,，所以其優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高,；AD采集任務(wù)運(yùn)行最頻繁，必須為其它任務(wù)提供可靠的參數(shù)，優(yōu)先級(jí)設(shè)為次高,；電動(dòng)運(yùn)行任務(wù)是常規(guī)運(yùn)行狀態(tài),，優(yōu)先級(jí)低于AD采集任務(wù)；顯示任務(wù)只實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,，顯示狀態(tài)和參數(shù)對(duì)控制器性能沒(méi)有直接影響,，優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低。μC/OS-II要求為每個(gè)任務(wù)分配OS_STK類(lèi)型的堆?？臻g,，并且它們占用的RAM存儲(chǔ)空間必須是連續(xù)的。
??? 任務(wù)延時(shí)是指任務(wù)執(zhí)行完畢處于掛起等待狀態(tài)到下一次重新運(yùn)行之間的時(shí)間間隔,，它的單位是時(shí)鐘中斷節(jié)拍,。由于OS_TICKS_PER_SEC為1000，每一拍為1ms,。每個(gè)任務(wù)的調(diào)用間隔不能小于一個(gè)節(jié)拍,，它將影響模擬量的采樣頻率。
??? 各個(gè)任務(wù)的屬性定義如表1所示,。
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1．4 任務(wù)間的通信
??? 各個(gè)任務(wù)是通過(guò)搶占CPU的使用權(quán)來(lái)運(yùn)行的,，它們之間存在一定的邏輯關(guān)系，彼此互相聯(lián)系又互相制約,。信號(hào)量,、郵箱、消息隊(duì)列等功能為實(shí)現(xiàn)任務(wù)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(hào)量設(shè)置事件標(biāo)志，喚醒任務(wù),、用郵箱在任務(wù)間傳遞參數(shù),、用消息隊(duì)列的循環(huán)尋址功能進(jìn)行模擬通道的數(shù)據(jù)采集等。本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)信號(hào)量,，在系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始后,，任務(wù)TASK_AD檢測(cè)直流側(cè)電壓的大小。當(dāng)電壓未超過(guò)設(shè)定值時(shí),，發(fā)出信號(hào)DC_NORM喚醒任務(wù)Task_NORMAL,；當(dāng)電壓高出設(shè)定值時(shí)，發(fā)出信號(hào)DC_OVER喚醒任務(wù)Task_FEBACK,。雖然這兩個(gè)任務(wù)基于不同的控制結(jié)構(gòu),，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(gè)任務(wù)的同時(shí)必須讓另外一個(gè)任務(wù)掛起,。這里引入了互斥型信號(hào)量T_MUTEX實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,。得到T_MUTEX信號(hào)的任務(wù)將獨(dú)自占有共享資源的使用權(quán)，兩個(gè)任務(wù)不會(huì)因資源沖突而同時(shí)掛起,，解決了任務(wù)間優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題,，避免了系統(tǒng)功能失效。任務(wù)間邏輯關(guān)系如圖2所示,。
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??? 操作系統(tǒng)為任務(wù)間通信提供了多種途徑,，但最簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了顯示任務(wù)與鍵盤(pán)中斷服務(wù)之間的通信,，代碼如下：
??? 鍵盤(pán)中斷：
??? static void KeyboardISR(void)
??? {
??? ??UWord16?? cpu_sr;
???? ?OS_ENTER_CRITICAL(); //臨界區(qū)代碼保護(hù)
??? ??asm{
??? ??move X:＄0FB7,A1??//讀鍵盤(pán)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(hù)結(jié)束
??? ??}
??? 這里state1是全局變量,，鍵盤(pán)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state1中,。為防止其他任務(wù)在此期間對(duì)state1的修改,，使用了臨界區(qū)代碼保護(hù),。
??? 顯示任務(wù)的部分代碼：
????switch(state1)
???????{case 1:??//PTA_0對(duì)應(yīng)的鍵被按下
???????……???//相應(yīng)的服務(wù)程序,，略
?? ?? ?case 128:??//PTA_7對(duì)應(yīng)的鍵被按下
?? ????break; }
? ??asm{move ＄00,X:＄0FB8};??????? //清鍵盤(pán)中斷狀態(tài)，以備下次中斷
??? 顯示任務(wù)中采用多分支結(jié)構(gòu),，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(jìn)行相應(yīng)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(kuò)展形成16個(gè)按鍵。這樣只用一個(gè)全局變量就完成了中斷與任務(wù)間的通信,，程序用內(nèi)嵌匯編的C來(lái)寫(xiě),，簡(jiǎn)捷高效。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的問(wèn)題
??? 首先是存儲(chǔ)器分配問(wèn)題,。多任務(wù),、郵箱等功能的使用會(huì)增加RAM的額外開(kāi)銷(xiāo)，在不擴(kuò)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(duì)有限，存儲(chǔ)空間的合理分配就顯得很重要,。任務(wù)堆棧所占用的RAM空間要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)確定,，必須考慮任務(wù)調(diào)用的嵌套情況、任務(wù)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DSP的所有22個(gè)寄存器和16個(gè)存儲(chǔ)器字。如果為任務(wù)分配的存儲(chǔ)空間富余過(guò)多則造成資源緊張,，甚至?xí)騼?nèi)存溢出導(dǎo)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(cè)每個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)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(jiǎn)化方法節(jié)省RAM空間。例如SDK為AD采集的每個(gè)通道都定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體" title="結(jié)構(gòu)體">結(jié)構(gòu)體,，它包括三個(gè)元素：句柄,、數(shù)值長(zhǎng)度和采樣值；如果使用五路AD采集,，就得定義五個(gè)結(jié)構(gòu)體,。通常不進(jìn)行初始化，DSP內(nèi)核在運(yùn)行時(shí)將它們放入RAM空間,，占用RAM較多,。通常關(guān)心的只是采樣值一個(gè)元素，其他兩個(gè)只完成輔助功能,。如果使用一個(gè)存放采樣值的變量代替這個(gè)結(jié)構(gòu)體,，或直接采用匯編語(yǔ)言寫(xiě)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(méi)有提供在DSP56F803下使用SPI函數(shù)的例程。仿照在807中的成功應(yīng)用,，筆者調(diào)用spiWrite()函數(shù),，通過(guò)SPI驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換芯片。但在編譯連接時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤,，數(shù)據(jù)類(lèi)型unsigned short與const void不匹配,，在const.c中將spiWrite做強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換(void*)(&spiWrite)，解決了這一問(wèn)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(yǔ)言編程,，大大提高了代碼的可讀性和可移植性,，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制功能,，也體現(xiàn)了操作系統(tǒng)的多任務(wù)功能在實(shí)現(xiàn)多算法結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性,。
參考文獻(xiàn)
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2 Motolora SDK Programmer's Guide. 2001
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