基于μC/OS-II的數(shù)字化UPS設計與實現(xiàn)方案
(6) 實時時鐘:利用串行外設接口SPI 實現(xiàn)與LF2407A控制器的通信,為整個系統(tǒng)提供統(tǒng)一、標準的時鐘基準,另外,利用時鐘芯片的存儲器來存儲系統(tǒng)掉電保護參數(shù)。
3 μC/OS-II在LF2407A上的移植
μC/OS-II的硬件和軟件體系結構如圖2所示。
圖2 μC/OS-II的硬件和軟件體系結構圖
要使μC/OS-II正常運行,LF2407A滿足以下要求:處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼,支持可擴展和可鏈接匯編語言模塊;用C語言就可打開和關閉中斷;處理器支持中斷,并能產(chǎn)生定時中斷;處理器有將堆棧指針以及其他CPU寄存器的內(nèi)容讀出、并存儲到堆?;騼?nèi)存中去的指令。
由于μC/OS-II 是源碼公開的操作系統(tǒng),且其結構化設計便于把與處理器相關的部分分離出來,因此μC/OS-II在LF2407A處理器上移植的主要工作是修改與處理器相關部分的代碼。由圖2 可以看出,它們主要集中在三個文件中:頭文件OS_CPU.H、C 文件OS_CPU_C.C、匯編文件OS_CPU_A.ASM.
(1) 修改OS_CPU.H:其中包含兩部分的代碼,數(shù)據(jù)類型定義代碼和與處理器相關的代碼。LF2407A的堆棧數(shù)據(jù)類型定義為:typedef unsigned intOS_STK;所有的堆棧用OS_STK 聲明,地址由高向低遞減,OS_STK_GROWTH設置為1.
OS_CPU.H 剩下部分是移植必須定義底層函數(shù)的聲明,為使低層接口函數(shù)與處理器狀態(tài)無關,同時使任務調(diào)用相應的函數(shù)不需知道函數(shù)位置,采用軟中斷指令SWI作為底層接口,使用不同的功能號來區(qū)分各函數(shù)。其定義格式如下:
__swi (0x00) void OS_TASK_SW(void);//任務切換函數(shù)
其中,swi 為軟中斷標志,0x00 是分配的中斷號,OS_TASK_SW 是函數(shù)名,兩個void 分別表示返回類型和參數(shù)類型。其它的底層函數(shù)接口定義與此相似。
(2)修改OS_CPU_C.C:初始化任務堆棧函數(shù)和軟中斷函數(shù)的實現(xiàn)。修改OSTaskStkInit()函數(shù),代碼如下:
OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void*pd), void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)
{ 模擬帶參數(shù)(pdata)的函數(shù)調(diào)用;定義任務堆棧;使用滿棧遞減方式初始化任務堆棧結構;返回堆棧結構;}
軟中斷函數(shù)的實現(xiàn):
void SWI_Exception(int SWI_Num, int *Regs)
{ /*根據(jù)不同Num 值(功能號)跳轉(zhuǎn)到不同的底層服務函數(shù)地址,如:*/ case 0x00:任務切換函數(shù)OS_TASK_SW;}
(3)修改OS_CPU_A.S:包括4 個簡單的匯編語言函數(shù):OSStartHighRdy():使就緒態(tài)任務中優(yōu)先級最高的任務開始運行;OSCtxSw():實現(xiàn)任務級的任務切換功能;OSIntCtxSw():在中斷級實現(xiàn)任務間的切換;OSTickISR():時鐘節(jié)拍中斷服務子程序。
(5) μC/OS-II主程序框架:調(diào)用任何服務之前,μC/OS-II 要求首先調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)OSInit()初始化所有變量和數(shù)據(jù)結構,同時建立一個空閑任務。多任務的啟動通過OSStart()實現(xiàn),但啟動前至少需建立一個應用任務。當調(diào)用OSStart()時,OSStart()從任務就緒表中找出用戶建立的優(yōu)先級最高任務的任務控制塊,然后調(diào)用任務啟動函數(shù),接下來就完全交給實時操作系統(tǒng)來管理,實時內(nèi)核不斷地對任務進行切換調(diào)度,管理各個應用任務和系統(tǒng)資源。系統(tǒng)主程序清單如下:
5 實驗結果
根據(jù)前述控制系統(tǒng)設計,成功研制了一臺3.75KVAUPS 樣機。以下為該樣機實時性、可靠性、穩(wěn)定性測試運行情況,測試設備與儀表包括:泰克TDS3043B 數(shù)字示波器、Gad-2016 失真度測試儀、FLUKE189 數(shù)字萬用表、FLUKE36 鉗型電流表、紅外線溫度計、負載三相3KW 燈泡(約3.75KW爐絲)。
(1)市電輸入380V,負載變化:輸出相電壓穩(wěn)定度220V±1%,U 相頻率穩(wěn)定度50Hz±0.4%,波形失真度2%,其他兩相與U 相基本相同,任何兩相相位差120°±1°。圖5 為空載與滿載逆變輸出波形。
(a) 空載
(b) 滿載
圖5 U相輸出逆變電壓波形。
(2)市電逆變互切,切換時間及可靠性測試:市電輸入384V,電池電壓490V,3.75KW額定負載運行,市電斷電或按下強起按鈕,逆變器帶負載正常啟動,啟動時間約60ms.市電、逆變切換時間經(jīng)多次反復試驗,均小于120ms.圖6 所示為市電到逆變的切換波形,切換時間約60ms,圖中波形經(jīng)檢測變壓器隔離降壓;市電來電,逆變器立即停止工作。
圖6 市電到逆變的切換波形
(3)逆變應急長時間工作,輸出電壓情況測試與系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證:電池513V開始放電,帶3.75KW爐絲額定負載,運行約80分鐘,IGBT及散熱器溫度始終低于32℃,系統(tǒng)工作正常且穩(wěn)定,測試參數(shù)如表2所示。
表2 逆變運行溫升測試
6 結論
本文針對數(shù)字化UPS,給出了基于LF2407A 的系統(tǒng)總體設計結構,實現(xiàn)了實時操作系統(tǒng)μC/OS-II在LF2407A 上的移植,對UPS系統(tǒng)任務進行設計和實現(xiàn)調(diào)度,給出了部分參數(shù)設定和主程序清單。該設計方案已經(jīng)成功應用于青島創(chuàng)統(tǒng)3.75KVA 數(shù)字化UPS 的設計項目中。實踐證明,μC/OS-II 在嵌入式UPS 控制系統(tǒng)中的應用有效地提高了系統(tǒng)控制的實時性以及系統(tǒng)整體可靠性與穩(wěn)定性。
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