圖1 智能控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
    調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    調(diào)理電路包括交流電壓采集調(diào)理電路,、開關(guān)量采集調(diào)理電路、開關(guān)量控制驅(qū)動(dòng)電路,。交流電壓信號的采集使用F2812  內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換模塊,，該模塊本身具有采樣保持電路且要求輸入電壓的范圍為0~3V，因此設(shè)計(jì)了由電壓互感器,、電流電壓轉(zhuǎn)換電路和RC濾波構(gòu)成隔離電路和由放大,、電壓抬升、電壓跟隨器及限幅組成的調(diào)理電路,，可將220V/50Hz的電壓信號轉(zhuǎn)換成0~3V的電壓信號,。
    開關(guān)量的采集采用CPLD實(shí)現(xiàn),。由于開關(guān)量經(jīng)常出現(xiàn)抖動(dòng)問題，因此其調(diào)理電路需采取措施去除開關(guān)抖動(dòng),。在其調(diào)理電路中,，采用電容C濾除輸入信號中的尖峰電壓(主要針對高頻干擾)，12V的穩(wěn)壓二極管濾除干擾信號(主要針對低頻干擾),，光電耦合器是為了防止外部信號影響內(nèi)部電路的工作;二極管VD用于保護(hù)光耦中的發(fā)光二級管以免發(fā)光二極管被反向擊穿開關(guān)量控制信號經(jīng)CPLD的I/O管腳輸出,。輸出信號經(jīng)過光耦器件TLP127驅(qū)動(dòng)外部的高電壓器件動(dòng)作。
    由于該智能控制單元主要是控制斷路器的關(guān)合,，而斷路器的關(guān)合過程中會產(chǎn)生強(qiáng)的電磁效應(yīng),，如果直接由DSP的GPIO管腳驅(qū)動(dòng)，外部電磁干擾有可能使DSP的程序跑飛或使DSP復(fù)位,，嚴(yán)重影響執(zhí)行后果,，所以系統(tǒng)中開關(guān)量的輸入/輸出均由CPLD完成，其可靠程度將加強(qiáng),。
    通信模塊
    F2812具有增強(qiáng)型CAN控制器eCAN模塊,，其完全支持CAN2.0B協(xié)議，性能較之已有的DSP內(nèi)嵌CAN控制器有較大的提高,，在CAN總線通信時(shí),，數(shù)據(jù)傳輸更加靈活方便，數(shù)據(jù)量更大,、可靠性更高,、功能更加完備，因此本設(shè)計(jì)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)智能終端的通信,。通信模塊的硬件設(shè)計(jì)主要是CAN總線驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),，選用飛利浦公司的CAN通信收發(fā)器PCA82C250作為F2812的CAN控制器和物理總線間接口，以實(shí)現(xiàn)對總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能,。為防止干擾信號的引入,，設(shè)計(jì)中采用高速光耦6N137對F2812及物理總線隔離。RS-232的驅(qū)動(dòng)芯片直接選用MAX232驅(qū)動(dòng)芯片,，而RS-485的驅(qū)動(dòng)芯片采用SNLBC184,，同時(shí)為了防止干擾信號進(jìn)入，設(shè)計(jì)中采用光耦TLP521對F2812和RS-232及RS-485總線驅(qū)動(dòng)芯片隔離,。

   CPLD模塊設(shè)計(jì)
    在該智能控制單元中,，CPLD是一個(gè)重要的組成部分，由CPLD組成的狀態(tài)采集及輸出執(zhí)行系統(tǒng)可以獨(dú)立工作,，主要是控制斷路器的異步關(guān)合,，接受各種輸入的按鍵操作和狀態(tài)的輸入/輸出。同步控制時(shí),，CPLD接收DSP傳送的動(dòng)作命令,，即可以執(zhí)行同步關(guān)合操作,，同時(shí)，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),，CPLD將發(fā)出中斷信號，由DSP讀取狀態(tài)并且作出相應(yīng)的處理或傳送給監(jiān)控中心,。CPLD的輸入信號主要有異步的關(guān),、合、復(fù)位輸入,，斷路器的位置信號,、開關(guān)小車的位置信號、失壓跳閘,、過流跳閘,、系統(tǒng)電壓信號等。其信息輸出模塊的功能主要是顯示斷路器是否具備可以操動(dòng)的條件,、斷路器的合/分閘狀態(tài),、斷路器的動(dòng)作執(zhí)行情況、輸出控制斷路器動(dòng)作命令等,。CPLD的控制框圖如圖2所示,。CPLD作為一個(gè)單獨(dú)的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過編寫相應(yīng)的VHDL代碼,，即可以生成相應(yīng)的操作電路,，包括對各種輸入信號的鎖存、判斷和處理,，以及對各種命令信號的執(zhí)行,，對輸出信號的控制。
     軟件設(shè)計(jì)
     軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì),。

                  圖2 CPLD的控制框圖
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植;應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn),。
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    μC/OS -Ⅱ簡介
    本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用源代碼公開實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，它是一個(gè)基于優(yōu)先級的,、可移植,、可固化、可裁剪,、占先式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，其絕大部分源碼是用ANSIC寫的。
    μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植要使用μC/OS-Ⅱ,，首先要把內(nèi)核成功移植到所使用的CPU上,。μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植工作包括4個(gè)內(nèi)容。
     a.在OS_CPU.H中定義與處理器相關(guān)的常量,、宏及數(shù)據(jù)類型,。例如關(guān)中斷和開中斷的定義分別為#defineOS_ENTER_CRITICAL()asm“DINT”及#defineOS_EXIT_CRITICAL()asm“EINT”,。
     b.調(diào)整和修改頭文件OS_CFG.H，以裁減或修改μC/OS-Ⅱ的系統(tǒng)服務(wù),，減少資源損耗,。例如，
#defineOS_MBOX_EN0即禁止使用郵箱相關(guān)的代碼,。
     c.編寫C語言文件OS_CPU.C,。由于本設(shè)計(jì)中未用到其他幾個(gè)函數(shù)，因此這里主要完成函數(shù)OSTaskStkInit()的編寫,。OSTaskStkInit()用來初始化任務(wù)的堆棧結(jié)構(gòu),，使其看起來象剛發(fā)生過中斷并將所有的寄存器保存到堆棧的情形一樣。
     d.編寫匯編語言文件OS_CPU.ASM,。本文件包括4個(gè)子函數(shù)程序：OSStartHighRdy()(運(yùn)行最高優(yōu)先級任務(wù)),，OSCtxSw()(任務(wù)級的任務(wù)切換)，OSIntCtxSw()(中斷級的任務(wù)切換)和OSTickISR()(μC/OS-Ⅱ時(shí)間節(jié)拍中斷函數(shù)),，這是μC/OS-Ⅱ移植中的重點(diǎn)和難點(diǎn),，這幾個(gè)函數(shù)的合理實(shí)現(xiàn)，是保證μC/OS-Ⅱ運(yùn)行的基礎(chǔ),。
     上述工作完成后,，μC/OS-Ⅱ就可以運(yùn)行了。
     應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)智能控制單元的功能要求,，將系統(tǒng)分為交流電壓采集模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊、斷路器動(dòng)作時(shí)間預(yù)測模塊,、通信模塊,、以及與CPLD的接口模塊共11個(gè)任務(wù)和3個(gè)中斷來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)任務(wù)根據(jù)其實(shí)時(shí)性的要求并參照單調(diào)執(zhí)行率調(diào)度法RMS分配一定的優(yōu)先級,、任務(wù)及中斷的定義,，如表1所示。

    優(yōu)先級最高的是開始任務(wù)(TaskStart),，這是系統(tǒng)啟動(dòng)后運(yùn)行的第1個(gè)任務(wù),。在該任務(wù)中要完成系統(tǒng)及相關(guān)外設(shè)的初始化，并進(jìn)行必要的自檢測,，然后創(chuàng)建其余的各個(gè)任務(wù),。在完成其余各個(gè)任務(wù)創(chuàng)建之后，該任務(wù)要?jiǎng)h除自己,，把系統(tǒng)資源讓給其他任務(wù),，整個(gè)系統(tǒng)開始正常運(yùn)行。該任務(wù)的示意代碼如下：
                  /*系統(tǒng)及外設(shè)初始化*/
                  /*系統(tǒng)自檢測*/
                  /*創(chuàng)建各個(gè)任務(wù)*/
                  StartCpuTimer2();/*啟動(dòng)時(shí)間片*/
                  OSStatInit();/*統(tǒng)計(jì)任務(wù)初始化*/
                  創(chuàng)建智能控制單元的各個(gè)應(yīng)用任務(wù);

    KickDog();/*WatchDog復(fù)位*/
                  OSTaskdel(OS_PRIO_SELF);/*刪除開始任務(wù)*/
      除了TaskStart()之外,，其余各任務(wù)模塊的結(jié)構(gòu)都是無限循環(huán)體,，圖3給出了一般任務(wù)流程圖,。

                  圖3 任務(wù)流程圖
    任務(wù)通信與同步
    μC/OS-Ⅱ提供了5種用于數(shù)據(jù)共享和任務(wù)通信的方法：信號量、郵箱,、消息隊(duì)列,、事件標(biāo)志及互斥型信號量。信號量可以控制共享資源的使用權(quán),，也可以協(xié)調(diào)外部事件與任務(wù)的執(zhí)行,，提供了任務(wù)間通信、同步和互斥的最快通信,，μC/OS-Ⅱ提供了3種類型的信號量,，即二進(jìn)制型,、計(jì)數(shù)型和互斥型,。事件標(biāo)志可使任務(wù)與多個(gè)事件同步，若與多個(gè)事件的任何一個(gè)同步,，稱為獨(dú)立型同步;若與多個(gè)事件都同步,，稱之為關(guān)聯(lián)型同步。郵箱是一種通信機(jī)制,，它可以發(fā)送一個(gè)指針型的變量,，該指針指向一個(gè)包含了特定消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。消息隊(duì)列是另一種通信機(jī)制,，它可以使一個(gè)任務(wù)或中斷服務(wù)子程序向另一個(gè)任務(wù)發(fā)送以指針定義的變量,，具體應(yīng)用不同，每個(gè)指針指向的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也不同,?；コ庑托盘柫渴且环N特殊的二進(jìn)制型信號量，主要用于解決內(nèi)在的互斥問題,，減少實(shí)際應(yīng)用中所必需的優(yōu)先級翻轉(zhuǎn),。在設(shè)計(jì)智能控制單元軟件時(shí)，充分利用了μC/OS-Ⅱ提供的這些通信機(jī)制,，以協(xié)調(diào)各獨(dú)立任務(wù)的運(yùn)行,。
    通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
    F2812提供了標(biāo)準(zhǔn)的CAN2.0B總線協(xié)議，而此協(xié)議是一種物理層協(xié)議,，因?yàn)樵撝悄芸刂茊卧糜陔娏ο到y(tǒng)控制中,，電力系統(tǒng)通用的應(yīng)用層協(xié)議主要有CDT，MODBUS,，DNP3.0等,，在本設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)用層的協(xié)議將采用MODBUS協(xié)議，通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,，但是由于采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)可以由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理,，主要由數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送,、打包,、解包任務(wù)完成。
     總結(jié)
    a.設(shè)計(jì)中使用具有多外設(shè)的新型高性能DSPTMS320F2812芯片,，大大減少了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的工作量,，縮短了開發(fā)周期。設(shè)計(jì)中采用了DSP最小系統(tǒng)與調(diào)理電路分開設(shè)計(jì)的方法,，并且在DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用多層板結(jié)構(gòu),，并大量使用了貼片元件，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及電磁兼容性,。
    b.作為基于優(yōu)先級調(diào)度的嵌入式操作系統(tǒng),， 
    任務(wù)優(yōu)先級的合理分配對系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。在本設(shè)計(jì)中,，對任務(wù)優(yōu)先級的分配首先考慮是滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,，其次在同等條件下再考慮任務(wù)的執(zhí)行頻度，通過反復(fù)調(diào)整,，最終確定優(yōu)先級的分配表1,。
    c.本課題利用了基于CPLD的執(zhí)行電路設(shè)計(jì)，由于CPLD的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)的可靠性及快速的反應(yīng),，非常適合電力系統(tǒng)控制,，因此采用全CPLD(或ACTELFPGA)應(yīng)是一個(gè)研究方向。
    d.F2812作為TI公司推出的2000系列的新成員,，目前在國內(nèi)的開發(fā)和設(shè)計(jì)還處于摸索階段,，本文中所提出的基于TMS320F2812+μC/OS-Ⅱ的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想會對F2812的學(xué)習(xí)和使用起到一定的促進(jìn)作用。