摘  要： 針對目前高校測控實(shí)驗(yàn)儀功能單一，對測控系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時性等不能很好地模擬等問題，研究和設(shè)計了一套配電測控模擬實(shí)驗(yàn)臺，由上下位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。下位機(jī)以工控機(jī)為核心，配裝簡化的多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)，能夠?qū)?6路開關(guān)量、64路模擬量及多個鍵盤任務(wù)進(jìn)行實(shí)時檢測和控制，并能夠和上位機(jī)進(jìn)行定時通信，將收集數(shù)據(jù)及時傳送給上位機(jī)，進(jìn)行匯總、分析和報表打印等。重點(diǎn)分析了下位機(jī)的實(shí)時多任務(wù)之間的關(guān)系，調(diào)度過程原理及簡化的多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)的設(shè)計。
關(guān)鍵詞： 配電測控實(shí)驗(yàn)臺； 下位機(jī)系統(tǒng)； 多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)

      目前，配電網(wǎng)絡(luò)自動化和工業(yè)測控技術(shù)發(fā)展迅速，對系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性和多功能性要求也越來越高。而高校測控專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊單一、功能簡單，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展。針對高校測控專業(yè)實(shí)際需求，研究和設(shè)計了一套分布式IPC(Industrial Personal Computer)工業(yè)配電測控系統(tǒng)，由1臺上位機(jī)和8臺下位機(jī)構(gòu)成。各下位機(jī)能夠根據(jù)需要對多路模擬量(如電壓、電流、功率因素、有功功率、無功功率等)、開關(guān)量(如各出線開關(guān)分合閘狀態(tài)、補(bǔ)償電容器的狀態(tài)等)進(jìn)行檢測和控制。上位機(jī)可以發(fā)出指令和任何一臺與之相連的下位機(jī)進(jìn)行通信，收集各下位機(jī)傳送來的模擬量和開關(guān)量信息，進(jìn)行相關(guān)的分析、匯總、報表生成等處理，并對各下位機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和宏觀調(diào)度[1]。多任務(wù)調(diào)度管理是系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文將重點(diǎn)敘述其調(diào)度管理過程[2]。
1 下位機(jī)系統(tǒng)功能概述
　  下位機(jī)主要模擬配電測控系統(tǒng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)多路模擬量、開關(guān)量的采集、存儲、顯示以及與上位機(jī)的通信。同時，為了豐富以后實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還特意增加了2個具有典型代表性的工業(yè)控制環(huán)節(jié)：直流電動機(jī)子系統(tǒng)的控制和模擬的溫度測控子系統(tǒng)(即步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng))。因此，下位機(jī)是一個較為復(fù)雜的測控子系統(tǒng)，普通的單片機(jī)功能簡單，很難勝任，為此選用了控制功能強(qiáng)大的研華IPC-610工業(yè)控制計算機(jī)，配裝了2塊PC-6313多功能模入/模出板卡[3]。每塊PC-6313板卡有24路開入/開出、32路單端模擬量輸入/16路雙端輸入、3個定時器/計數(shù)器、2路模擬量輸出，結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全，性價比高，配接相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可完成所有的功能，下位機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。IPC-610底板可擴(kuò)展性強(qiáng)，有近20個ISA插槽和PCI插槽，可隨時方便系統(tǒng)的升級。

     工業(yè)測控系統(tǒng)最重要的是穩(wěn)定性，DOS系統(tǒng)比Windows系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)且占用內(nèi)存小,非常適應(yīng)工業(yè)系統(tǒng)需要。為此，本系統(tǒng)采用DOS操作系統(tǒng)，編程語言采用C語言。下位機(jī)模擬的是配電測控系統(tǒng)運(yùn)行，有多道任務(wù)程序，同時要求運(yùn)行速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)，是一個復(fù)雜的多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)。多任務(wù)實(shí)時調(diào)度過程的分析和設(shè)計是下位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。
2 下位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時多任務(wù)調(diào)度過程分析和設(shè)計
2.1 任務(wù)及其占用資源的關(guān)系
     下位機(jī)配電測控系統(tǒng),共有19個任務(wù)程序和1個簡化的、初級的多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)MROS,構(gòu)成了一個多任務(wù)實(shí)時測控系統(tǒng)[4]。各個任務(wù)程序的名稱及其功能如下：
     task_0 ( )：0點(diǎn)制表任務(wù)程序。
　　 task_4 ( )：4點(diǎn)制表任務(wù)程序。
　　 task_8 ( )：8點(diǎn)制表任務(wù)程序。
　　 task_12 ( )：12點(diǎn)制表任務(wù)程序。
　　 task_16 ( )：16點(diǎn)制表任務(wù)程序。
　　 task_20 ( )：20點(diǎn)制表任務(wù)程序。
　　 getad ( )：每2 s采集模擬量任務(wù)程序。
　　 task_s ( )：每2 ms采集開關(guān)量任務(wù)程序。
　　 stepping( )：每500 ms采集溫度測控子系統(tǒng)的溫度值，根據(jù)溫度偏差，控制步進(jìn)電動機(jī)正/反轉(zhuǎn)。
　　 motor( )：每250 ms采集1次直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制直流電動機(jī)按設(shè)定值運(yùn)行。
　　 pmotor( )：根據(jù)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，繪制直流電動機(jī)的動態(tài)運(yùn)行曲線。
　　 mnxs( )：在屏幕上排列顯示各個模擬量的當(dāng)前值。
　　 kgxs( )：在屏幕上排列顯示各個開關(guān)量的當(dāng)前值。
　　 Subdl( )：在屏幕上繪制工廠配電系統(tǒng)的電氣主接線圖。
　　 Kg( )：把采集的開關(guān)量填入電站的電氣主接線圖中，完成開關(guān)量在圖中的動態(tài)顯示。
　　 tad( )：把采集的模擬量填入電站的電氣主接線圖中，完成模擬量在圖中的動態(tài)顯示。
　　 Stepmotor( )：步進(jìn)電動機(jī)升降速全過程控制，動態(tài)繪制升降速全過程。
　　 Slaver( )：從機(jī)和主機(jī)的通信任務(wù)。將本機(jī)的64路模擬量和16路開關(guān)量以及溫度測控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。
     Subtime( )：北京時間動態(tài)顯示。屏幕上各個畫面正上方中均有北京時間。
　  quit( )：退出運(yùn)行處理，返回C集成開發(fā)環(huán)境。
　  19個任務(wù)要求占用硬件資源的關(guān)系十分復(fù)雜，表述如下：所有任務(wù)均要求占用CPU，而CPU只有1個；不同的任務(wù)要求占用不同的外設(shè)資源(例如對板卡的占用),多個任務(wù)可能要求占用同一外設(shè)(例如對CRT、打印機(jī)的占用);各任務(wù)之間存在橫向聯(lián)系;多個任務(wù)在宏觀上的并發(fā)操作;多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)MROS的主要功能就是協(xié)調(diào)以上各種關(guān)系，有效地管理分配各種資源[4]。
　  可以把MROS形象地比喻成一條“軟件總線”，各個任務(wù)程序“掛”在上面，形成一個“管控一體化運(yùn)行軟件”。
2.2 多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)的簡化
　  標(biāo)準(zhǔn)的MROS一般包括CPU管理、外設(shè)管理、中斷管理、存儲器管理和文件管理等[5]，占用內(nèi)存空間較大，CPU的運(yùn)行速度較慢。下位機(jī)測控系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
　  (1)對各量的監(jiān)測和控制，實(shí)際上是周期性地重復(fù)執(zhí)行各任務(wù)程序。
　  (2)人機(jī)聯(lián)系任務(wù)雖然是隨機(jī)的，但任務(wù)的內(nèi)容是固定的，操作人員只是通過鍵盤調(diào)用一些編制就緒的程序而不修改程序本身。
　  (3)監(jiān)測對象固定，主機(jī)和外設(shè)規(guī)模也是固定不變的。
　  對于這樣一個系統(tǒng)，若采用標(biāo)準(zhǔn)的MROS，將占用較多內(nèi)存空間和CPU的運(yùn)行時間，降低系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的實(shí)時性。因此,本系統(tǒng)采用了一種與硬件資源和測控對象相適應(yīng)的簡化的、初級的MROS，保留了標(biāo)準(zhǔn)MROS的核心功能。即CPU管理、外設(shè)管理和中斷管理，其主要工作如下:
     (1)任務(wù)調(diào)度
　  任務(wù)調(diào)度的主要職能，一是根據(jù)任務(wù)調(diào)度算法分配CPU，即實(shí)現(xiàn)某個時間或事件驅(qū)動的任務(wù)切換；二是從任務(wù)收回CPU。
　  按照任務(wù)的優(yōu)先級是否可以動態(tài)地改變，調(diào)度算法可以分為：靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度。
　  按照調(diào)度過程是否允許采用搶先方式，調(diào)度算法可以分為：搶先調(diào)度方式和非搶先調(diào)度方式。非搶先調(diào)度方式在滿足高優(yōu)先級別任務(wù)的時限方面比搶先調(diào)度方式要差一些，但是它實(shí)現(xiàn)起來簡單，時間確定性好，并且避免了因?yàn)橘Y源共享而引起的互斥，實(shí)際應(yīng)用較廣。
　  本系統(tǒng)設(shè)計時，按照多任務(wù)實(shí)時操作的基本原則來編寫任務(wù)程序，通過硬件配合，可使每個任務(wù)都在幾十個微秒內(nèi)完成。因此，可采用靜態(tài)調(diào)度方式設(shè)計圖1所示的IPC系統(tǒng)。但某些任務(wù)的優(yōu)先級別可以局部改變；若采用非搶先調(diào)度方式，可把1個功能分解為若干個可以在1 μs到幾十微秒內(nèi)完成的程序段，以改善實(shí)時性。
     (2)進(jìn)程控制
　  為了描述和控制進(jìn)程的運(yùn)行，系統(tǒng)為每個進(jìn)程定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——進(jìn)程控制塊(PCB)。PCB主要包括：進(jìn)程標(biāo)識符、進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)、進(jìn)程隊(duì)列指針、程序開始地址、進(jìn)程優(yōu)先級、CPU現(xiàn)場保護(hù)區(qū)、通信信息、家族聯(lián)系、占有資源清單等。系統(tǒng)將根據(jù)PCB感知進(jìn)程的存在，PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。
　  為了簡化問題，本系統(tǒng)按一定的原則編制每一個任務(wù)程序，使得每一個任務(wù)程序都在規(guī)定的時間內(nèi)(1 ?滋s到幾十微秒)執(zhí)行完畢，即每一個任務(wù)程序在執(zhí)行完后才交還CPU的使用權(quán)，因此，在本系統(tǒng)所設(shè)計的MROS中，就只使用PCB中的“進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)”這一個概念。
     (3) “tick”信號
　  “tick”信號是MROS在運(yùn)行過程中需要的基本的、最小的定時單位。在圖1所示的系統(tǒng)中，“tick”由PC-6313板卡的定時/計數(shù)器8253產(chǎn)生。當(dāng)系統(tǒng)初始化時，使PC-6313 1#板卡8253的 T2 OUT2每1 ms輸出1個脈沖，把這個脈沖信號作為中斷請求信號加在IRQ3上，每1次中斷即產(chǎn)生1個“tick”，在IRQ3的中斷服務(wù)程序進(jìn)行與時間相關(guān)的操作。
2.3 多任務(wù)實(shí)時調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計原則
　  在單CPU系統(tǒng)中，不可能有真正意義上的并行操作，所有任務(wù)只能遵循調(diào)度策略，串行地占用CPU，即：宏觀上在同一時段內(nèi)多個程序的同時執(zhí)行，而微觀上則是多個任務(wù)的交替執(zhí)行。整個測控系統(tǒng)必須遵循的設(shè)計原則如下[6]：
　  (1)快速的任務(wù)調(diào)度和切換。調(diào)度程序本身必須是低開銷，本系統(tǒng)編寫的實(shí)時調(diào)度程序，占用CPU的執(zhí)行時間小于1μs。調(diào)度所需的“tick”是通過定時器/計數(shù)器模板上的8253產(chǎn)生的，可以根據(jù)需求確定調(diào)度精度，從幾百微秒到若干毫秒。
　  (2)在設(shè)計測控電路和編制各個實(shí)時任務(wù)程序時，應(yīng)注意任何任務(wù)都不能加重CPU的負(fù)擔(dān)，它只能在接收控制信號和調(diào)節(jié)命令后，就脫離CPU的“關(guān)注”而獨(dú)立運(yùn)行，直到新的控制信號和調(diào)節(jié)命令到來后又在新的條件下“獨(dú)立”運(yùn)行。
2.4 多任務(wù)實(shí)時調(diào)度的過程分析
     圖2是任務(wù)調(diào)度的過程示意圖。

    圖2任務(wù)調(diào)度說明如下：
    (1) 實(shí)時時鐘在0點(diǎn)、4點(diǎn)、8點(diǎn)、12點(diǎn)、16點(diǎn)和20點(diǎn)時，分別把task_0( )、task_4( )、task_8( )、task_12( )、task_16( )和task_20( )推入就緒隊(duì)列。
    (2) 實(shí)時時鐘每隔5 ms、500 ms、2 s,分別把task_s( )、stepping( )、getad( )推入就緒隊(duì)列。
    (3) a鍵、s鍵、b鍵、q鍵，分別把mnxs( )、kgxs( )、stepmoter( )、quit( )推入就緒隊(duì)列。
    (4) m鍵把允許標(biāo)志pmotorf1置1，在motor( )任務(wù)執(zhí)行過程中，如果發(fā)現(xiàn)pmotorf1=1，就把pmotor( )推入隊(duì)列。
    (5) t鍵和d鍵均把subd1( )推入就緒隊(duì)列。在subd1( )的執(zhí)行過程中，如果發(fā)現(xiàn)是t鍵，則把kg( )推入就緒隊(duì)列；如果發(fā)現(xiàn)是d鍵，則把tad( )推入就緒隊(duì)列。
    (6) kg( )、tad( )、mnxs( )、kgxs( )在各自運(yùn)行過程中，又把自己推入就緒隊(duì)列，CPU不斷對它們提供運(yùn)行機(jī)會，在沒有其他按鍵操作的情況下，pmotorf1總是等于1，即一直允許繪制直流電動機(jī)運(yùn)行曲線，每250 ms運(yùn)行motor( )時，pmotor( )都可以被設(shè)置為就緒狀態(tài)。pmotor( )每運(yùn)行1次，就在屏幕上顯示1次直流電動機(jī)的當(dāng)前速度值。
    (7) 下位機(jī)串行口中斷一直處于開放狀態(tài)，若主機(jī)要求和該下位機(jī)通信,則把slaver( )推入就緒狀態(tài)。Slaver( )運(yùn)行時，將指定的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。由于采用智能通信模塊，下位機(jī)只需把指定的數(shù)據(jù)傳送給智能通信模塊即可，其后，由通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。串行通信的速度很快，可滿足系統(tǒng)實(shí)時性的要求。
3 下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計流程
　 下位機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。軟件系統(tǒng)由三大塊子系統(tǒng)構(gòu)成：圖3(a)為初始化及任務(wù)調(diào)度，是系統(tǒng)的管理層負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度；圖3(b)為任務(wù)程序集合，它們在管理層的調(diào)度下實(shí)現(xiàn)各種功能；圖3(c)為中斷服務(wù)程序,是簡化MROS的組成部分。可以據(jù)此畫出更詳細(xì)的軟件系統(tǒng)流程圖并編寫相應(yīng)的程序。

     本文介紹了一種分布式IPC配電測控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的多任務(wù)實(shí)時調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計，說明了在單CPU系統(tǒng)中，多任務(wù)實(shí)時調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計原則，并據(jù)此設(shè)計了一個簡化的MROS，能夠完成標(biāo)準(zhǔn)MROS的核心功能，即CPU管理、外設(shè)管理和中斷管理。下位機(jī)系統(tǒng)在該簡化的MROS調(diào)度管理下，可以很好地完成各項(xiàng)任務(wù)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)度精度可達(dá)毫秒級。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較好地模擬了配電測控系統(tǒng)的調(diào)度、運(yùn)行和管理過程，融合了工控機(jī)、總線、接口技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等多方面的知識，可以讓學(xué)生更具體地了解工控系統(tǒng)的組成，更真實(shí)地觸摸工控系統(tǒng)的工作原理。該系統(tǒng)配備相應(yīng)的測量儀表和傳感器即可構(gòu)成一個實(shí)時性很強(qiáng)的配電測控系統(tǒng)。因此具有一定的理論價值和應(yīng)用價值。
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