DSP/B IOS實時系統(tǒng)在電智能斷路器中的應用

張 軍,唐心亮,王震洲,劉教民,,王麗麗

(1.河北工業(yè)大學計算機科學與軟件學院,天津 300130;2.河北科技大學人事處,河北石家莊050018;3.河北科技大學信息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

DSP/B IOS實時系統(tǒng)在電智能斷路器中的應用

張 軍1,唐心亮2,王震洲3,劉教民1,3,王麗麗1

(1.河北工業(yè)大學計算機科學與軟件學院,天津 300130;2.河北科技大學人事處,河北石家莊050018;3.河北科技大學信息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

分析了 TI公司實時系統(tǒng)的內(nèi)核DSP/B IOS,以DSP/B IOS內(nèi)核作為智能斷路器的核心設(shè)計了智能斷路器系統(tǒng)。以線程的形式安排各個子功能模塊,分配系統(tǒng)資源,對系統(tǒng)進行詳細的分析和設(shè)計,最終實現(xiàn)對智能斷路器的實時控制。實踐證明,整個系統(tǒng)運行良好,提高了系統(tǒng)的實時性和準確性。

智能斷路器;DSP/B IOS;實時系統(tǒng)

斷路器是一種重要的開關(guān)電器,其性能全面,不單用作開關(guān),還起到控制和保護的雙重作用,在低壓電器裝置中獲得了廣泛應用。斷路器中智能化的引入使得斷路器的性能更加完善,但是隨著斷路器性能的完善,系統(tǒng)功能越來越多,結(jié)構(gòu)也越來越復雜[1-2],這就對系統(tǒng)軟件的設(shè)計提出了更高的要求(如能夠支持多任務,滿足系統(tǒng)較高的實時性能等)。

TI公司基于軟件開發(fā)面臨的新要求推出了一種實時嵌入式操作系統(tǒng)——DSP/B IOS。該系統(tǒng)支持任務調(diào)度、實時分析、內(nèi)存管理、時鐘管理、中斷管理及外設(shè)驅(qū)動管理。這些強大的功能為用戶開發(fā)出各種結(jié)構(gòu)復雜、實時性強、運行效率高的應用軟件提供了方便。在此系統(tǒng)上進行應用程序開發(fā),可根據(jù)需要對系統(tǒng)進行裁剪,縮短開發(fā)周期,滿足應用系統(tǒng)實時性的要求,有利于后續(xù)系統(tǒng)的維護和升級。筆者在DSP/B IOS的基礎(chǔ)上,對智能斷路器的硬件和軟件進行了詳細的設(shè)計,充分利用DSP/B IOS的特點和優(yōu)勢提高了智能斷路器的工作質(zhì)量。

1 智能斷路器的硬件設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

該智能斷路器由DSP/B IOS實時系統(tǒng)、模擬信號檢測單元、開關(guān)量輸入單元、執(zhí)行電路、通信接口、人機接口及電源等部分組成,其原理框圖如圖1所示[3]。

1.2 信號傳感檢測及隔離

電壓檢測通常用電壓互感器(PT),而電流檢測則常用電流互感器(CT),后者有實心和空心之分。實心(CT)在小電流時線性度好,但大電流時鐵芯易于飽和、線性度差、測量范圍小;空心CT線性度好、測量范圍廣,但在小電流時,信號較小,測量誤差大。要提高小電流時的測量精度,必須改變互感器線圈匝數(shù),增加互感器副邊輸出信號幅度。

1.3 脫扣執(zhí)行工作原理

磁通變換器是脫扣控制模塊的核心執(zhí)行元件,在正常工作時由于永磁鐵的存在使動鐵芯處于閉合狀態(tài)。當脈沖電流流經(jīng)線圈時可產(chǎn)生與固有磁通方向相反的磁通,與固有磁通進行抵消。由此產(chǎn)生的反力彈簧將推動鐵芯令斷路器分離。脫扣執(zhí)行有2種執(zhí)行方式。一種是當各種故障信號處理完成后,CPU則按保護特性通過I/O接口發(fā)出控制信號控制線圈;另一種是模擬脫扣,此種執(zhí)行方式不經(jīng)過CPU處理,當故障信號超過一定值時直接比較輸出脫扣信號,從而保證了斷路器的可靠動作。

1.4 人機界面設(shè)計

為了適應智能控制器功能多樣化的發(fā)展趨勢,對人機界面的設(shè)計也提出了更高的要求。現(xiàn)大都采用液晶顯示器,液晶顯示器顯示信息量大,能夠以圖形方式顯示被整定的斷路器保護特性。

圖1 智能斷路器原理框圖Fig.1 Schematic of intellignt circuit breaker

2 智能斷路器系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 功能模塊劃分

低壓斷路器是供電系統(tǒng)中重要的電器元件之一,它的作用是保護配電網(wǎng)絡中電器和工業(yè)設(shè)備免受短路、過載等故障的損壞。因此斷路器不但可以接通或斷開正常工作情況下的負載電流,而且在電路系統(tǒng)出現(xiàn)如欠壓、短路等的故障情況下能夠自動切斷故障電路,待電路工作狀態(tài)正常后可自動恢復供電。智能斷路器除了有傳統(tǒng)斷路器的功能外,還有智能化、模塊化、可通信化及良好的人機交互界面等特點,并且可以通過斷路器的通信功能互聯(lián)成區(qū)域網(wǎng),實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信、集中控制。

根據(jù)智能斷路器的功能需求,可以將系統(tǒng)分為信號采集檢測模塊、電路信號處理模塊、脫扣控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電路情況分析運算模塊、通信模塊、人機交互等模塊。傳統(tǒng)的編程思想是順序地組織各個功能模塊,這樣開發(fā)出來的系統(tǒng)模塊間有一定的耦合度,對以后系統(tǒng)的升級和維護帶來了不便,也無法適應日趨復雜的系統(tǒng)對軟件提出的新要求。DSP/B IOS提供了另外一種組織應用程序各功能模塊的機制。它將各功能模塊作為任務線程來看待,通過可配置的內(nèi)核服務使各任務線程在系統(tǒng)調(diào)度器的安排下按照優(yōu)先級的高低分時復用CPU資源,各個任務線程之間通過通信、同步、數(shù)據(jù)交換等進行協(xié)調(diào),并且支持多任務線程。在DSP/BIOS的這種組織應用程序各個功能模塊的機制下,設(shè)計的智能斷路器的各個功能模塊如圖2所示。

2.2 線程規(guī)劃

在利用DSP/B IOS設(shè)計應用程序之前,應對組成應用程序的各個功能模塊進行線程類型劃分,這種劃分主要是基于功能模塊的實時性要求進行的。DSP/B IOS支持4種線程類型[4-5],即硬件中斷線程(HW I),軟件中斷線程(SW I),任務線程(TSK)和后臺線程(IDL)。這4種類型的線程優(yōu)先級按照順序依次降低。

圖2 DSP/BIOS下智能斷路器的模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of design on intellgent circuit breaker w ith DSP/BIOS

1)硬件中斷線程(HW I)在DSP/B IOS中優(yōu)先級最高。一般與外部設(shè)備密切相關(guān)、實時性要求很高的功能模塊程序代碼放置在硬件中斷中,因此將以下幾個子功能模塊設(shè)置為硬件中斷線程:信號采集檢測模塊、脫扣控制模塊、通信接收模塊。信號采集模塊是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ),直接與硬件連接,設(shè)置為硬件中斷。在智能斷路器中,電流變化范圍大,電壓和電流的信號采集工作由2部分完成,電流互感器(CT)檢測供電線電路的電流,電壓互感器(PT)檢測電線電路的電壓。這樣提高了采樣的分辨率和A/D變換的精度。AD芯片經(jīng)過與DSP芯片的通信,將采集到的信號數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳送給DSP芯片。在脫扣控制模塊中,脫扣的控制和執(zhí)行在智能斷路器中是非常重要的,如果在故障電路中脫扣不及時將會發(fā)生各種不可想象的后果。考慮到在DSP/B IOS中是按照線程的優(yōu)先級來調(diào)度和執(zhí)行各個任務線程的,而4種線程中硬件中斷的優(yōu)先級最高,所以將脫扣控制模塊設(shè)置為硬件中斷,以便控制器能及時地發(fā)出各種控制信號。通信接收模塊與底層的硬件設(shè)備密切相關(guān),而且DSP本身的SCI接收寄存器只有最大16個字節(jié)的FIFO,如不及時對接收數(shù)據(jù)進行處理,將會造成數(shù)據(jù)丟失。

2)DSP/BIOS提供了15個軟件中斷線程(SW I)的優(yōu)先級。軟件中斷在運行中是不可以被阻塞的,除非有比其優(yōu)先級更高的硬件中斷事件發(fā)生。根據(jù)系統(tǒng)的需求及軟件中斷線程的特點設(shè)計的軟件線程有電路信號處理模塊和通信模塊。電路信號處理模塊是對信號采集檢測模塊采集到的數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。

3)在DSP/B IOS中創(chuàng)建的任務線程(TSK)處于運行、就緒、暫停、終止4種狀態(tài)之一,且同優(yōu)先級的任務先來先服務,較高的優(yōu)先級可搶占較低的優(yōu)先級先服務。DSP/BIOS提供了15個任務線程的優(yōu)先級(加上 TSK_idle是16個),且在等待某個資源有效時可以被阻塞。在系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)存儲模塊、電路數(shù)據(jù)分析模塊和人機交互模塊設(shè)置為任務線程,這3種都要取得較新的數(shù)據(jù)才可以繼續(xù)執(zhí)行,所以在其沒有得到較新的數(shù)據(jù)時是要被阻塞的,直到有新的數(shù)據(jù)出現(xiàn)才繼續(xù)工作。其中電路分析模塊對電路信號數(shù)據(jù)通過與預先設(shè)定好的數(shù)據(jù)進行比較,發(fā)出各種控制信號給斷路器執(zhí)行模塊。人機交互包括顯示和鍵盤單元。通過液晶屏或發(fā)光管能夠適時顯示各種狀態(tài)和負載的參數(shù)值及故障電流,故障類型和保護動作、試驗整定情況,結(jié)合按鍵還可以進行保護的整定、預警值的設(shè)定、開關(guān)的試驗和各種功能的檢測。

4)后臺線程(IDL)的優(yōu)先級最低,在系統(tǒng)中運行一些對實時響應要求不高的線程。

2.3 配置線程

基于DSP/B IOS開發(fā)的應用程序,都有一個組件管理器,在這個組件管理器中可以對DSP進行片上資源配置,建立應用程序所需的DSP/BIOS配置文件。軟件開發(fā)過程也就是從這個組件管理器開始的。在DSP/B IOS的開發(fā)界面中可實現(xiàn)對各個中斷的設(shè)置。其配置界面見圖3。

2.4 線程間的通信與同步

在DSP/B IOS環(huán)境下有3種數(shù)據(jù)通信方式:即基于管道(PIP,pipe)的通信、基于流(SIO,stream I/O)通道的通信以及基于主機(HST,host)通道的通信。每種通信方式都是通過調(diào)度其相應的內(nèi)核對象來實現(xiàn)的。其中,基于管道(PIP,pipe)的通信和基于主機(HST,host)通道的通信都使用管道模型;SIO與DEV模塊使用流模型。在主機通信的方式中,每個 HST對象內(nèi)部是用數(shù)據(jù)管道對象來實現(xiàn)的。管道對象(PIP)用于管理塊I/O。每個PIP對象都維護著1個幀,所有的I/O操作在每一刻只處理1幀。管道能夠用于在程序內(nèi)的任意2個線程之間傳遞數(shù)據(jù) 。流是1個通道,通過它,數(shù)據(jù)在應用程序與I/O設(shè)備之間傳輸。

圖3 DSP/B IOS線程配置界面Fig.3 Configer interface of DSP/BIOS threads

在硬件中斷線程、軟件中斷線程與后臺線程中,都是采用SIO流式數(shù)據(jù)、隊列、PIP管道、全局變量來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;軟件中斷線程采用郵箱實現(xiàn)同步。在任務中,采用SIO流式數(shù)據(jù)、隊列、PIP管道、LOCK鎖、郵箱、全局變量實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,通過信號量旗語、郵箱實現(xiàn)同步。經(jīng)過對3種通信方式和適用范圍的比較,在本系統(tǒng)中,線程之間的數(shù)據(jù)交換采用數(shù)據(jù)管道進行管理,多線程間的同步采用郵箱的方式。

3 程序的調(diào)試與分析

程序的調(diào)試使用了DSP/B IOS的實時分析工具,該工具能夠顯示系統(tǒng)的運行情況,應用程序開發(fā)者通過它可以了解數(shù)據(jù)傳送的實時情況及各種硬件芯片的使用情況。實時分析工具為應用程序開發(fā)者尋找系統(tǒng)的缺陷和不足提供了非常有用的幫助。經(jīng)過監(jiān)控與調(diào)試,系統(tǒng)中的各個線程分配合理,程序運行良好。

4 結(jié) 語

綜上所述,設(shè)計的智能斷路器系統(tǒng)運行良好。DSP/B IOS在智能斷路器中的使用提高了整個系統(tǒng)的實時性和準確性,DSP/B IOS應用系統(tǒng)中各個模塊以線程的方式來管理以及支持多任務線程的特點滿足了智能斷路器復雜的軟件系統(tǒng)的要求,方便了系統(tǒng)的升級和維護。

[1]王金英,王震洲,劉教民,等.決策樹算法在智能斷路器中的應用[J].河北科技大學學報(Journalof Hebei University of Science and Technology),2006,27(4):302-305.

[2]趙玲玲,楊奎河,李 斌,等.R-C干式過電壓吸收器在高壓真空斷路器中的應用[J].河北科技大學學報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2001,22(1):56-58.

[3]王震洲,劉教民,王麗娜.基于DSP的低壓智能脫扣器[J].低壓電器(Low Voltage Apparatus),2007(13):15-18.

[4]許小可,柳曉鳴,陸志洋.DSP/B IOS在雷達目標檢測系統(tǒng)上的應用[J].微計算機應用(Microcomputer Applications),2007,28(1):70-73.

[5]許康平,陳建元,韋海鋒.DSP/B IOS在電能質(zhì)量檢測終端中的應用[J].工業(yè)控制計算機(Industrial Control Computer),2006,19(8):67-68.

App lication of DSP/B IOS real-time system in intelligent circuit breaker

ZHANG Jun1,TANG Xin-liang2,WANG Zhen-zhou3,L IU Jiao-min1,3,WANG Li-li1
(1.College of Computer Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Personnel Division,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;3.College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

This paper analyses the real-time system kernel named DSP/BIOS from TIcompany and designed the intelligent circuit breaker system w ith DSP/B IOS as the core of the system.In the form of thread,each sub-module,allocated system resources,analyzed and designed the system are arranged,and the real-time control of intelligent circuit breaker ultimately is achieved.Practice has p roved that the system is running well and the real-time p rogerties and the accuracy are bo tn imp roved.

intelligent circuit breaker;DSP/B IOS;real-time system

TM 561

A

1008-1542(2010)06-0542-04

2010-05-31;

2010-09-15;責任編輯:李 穆

河北省自然科學基金資助項目(E2006001037)

張 軍(1976-),男,河北張家口人,博士研究生,主要從事智能電器與機電一體化方面的研究。