基于μC/OS-II的數(shù)字化UPS設(shè)計與實現(xiàn)方案

(6) 實時時鐘：利用串行外設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的時鐘基準(zhǔn)，另外，利用時鐘芯片的存儲器來存儲系統(tǒng)掉電保護(hù)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 μC/OS-II的硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)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(kuò)展和可鏈接匯編語言模塊;用C語言就可打開和關(guān)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、并存儲到堆棧或內(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(jié)構(gòu)化設(shè)計便于把與處理器相關(guān)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(guān)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(guān)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(shè)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(guān)，同時使任務(wù)調(diào)用相應(yīng)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(wù)切換函數(shù)

其中，swi 為軟中斷標(biāo)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(wù)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(wù)堆棧;使用滿棧遞減方式初始化任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu);返回堆棧結(jié)構(gòu);}

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(wù)函數(shù)地址，如：*/ case 0x00:任務(wù)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(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開始運行;OSCtxSw()：實現(xiàn)任務(wù)級的任務(wù)切換功能;OSIntCtxSw()：在中斷級實現(xiàn)任務(wù)間的切換;OSTickISR()：時鐘節(jié)拍中斷服務(wù)子程序。

(5) μC/OS-II主程序框架：調(diào)用任何服務(wù)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(jié)構(gòu)，同時建立一個空閑任務(wù)。多任務(wù)的啟動通過OSStart()實現(xiàn)，但啟動前至少需建立一個應(yīng)用任務(wù)。當(dāng)調(diào)用OSStart()時，OSStart()從任務(wù)就緒表中找出用戶建立的優(yōu)先級最高任務(wù)的任務(wù)控制塊，然后調(diào)用任務(wù)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(wù)進(jìn)行切換調(diào)度，管理各個應(yīng)用任務(wù)和系統(tǒng)資源。系統(tǒng)主程序清單如下：

5 實驗結(jié)果

根據(jù)前述控制系統(tǒng)設(shè)計，成功研制了一臺3.75KVAUPS 樣機(jī)。以下為該樣機(jī)實時性、可靠性、穩(wěn)定性測試運行情況，測試設(shè)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(fù)載三相3KW 燈泡(約3.75KW爐絲)。

(1)市電輸入380V,負(fù)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(fù)載運行，市電斷電或按下強(qiáng)起按鈕，逆變器帶負(fù)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(fù)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(yīng)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(fù)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(jié)論

本文針對數(shù)字化UPS,給出了基于LF2407A 的系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)，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(wù)進(jìn)行設(shè)計和實現(xiàn)調(diào)度，給出了部分參數(shù)設(shè)定和主程序清單。該設(shè)計方案已經(jīng)成功應(yīng)用于青島創(chuàng)統(tǒng)3.75KVA 數(shù)字化UPS 的設(shè)計項目中。實踐證明，μC/OS-II 在嵌入式UPS 控制系統(tǒng)中的應(yīng)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。