张 军,唐心亮,王震洲,刘教民,,王丽丽

(1.河北工业大学计算机科学与软件学院,天津 300130;2.河北科技大学人事处,河北石家庄050018;3.河北科技大学信息科学与工程学院,河北石家庄 050018)

DSP/B IOS实时系统在电智能断路器中的应用

张 军1,唐心亮2,王震洲3,刘教民1,3,王丽丽1

(1.河北工业大学计算机科学与软件学院,天津 300130;2.河北科技大学人事处,河北石家庄050018;3.河北科技大学信息科学与工程学院,河北石家庄 050018)

分析了 TI公司实时系统的内核DSP/B IOS,以DSP/B IOS内核作为智能断路器的核心设计了智能断路器系统。以线程的形式安排各个子功能模块,分配系统资源,对系统进行详细的分析和设计,最终实现对智能断路器的实时控制。实践证明,整个系统运行良好,提高了系统的实时性和准确性。

智能断路器;DSP/B IOS;实时系统

断路器是一种重要的开关电器,其性能全面,不单用作开关,还起到控制和保护的双重作用,在低压电器装置中获得了广泛应用。断路器中智能化的引入使得断路器的性能更加完善,但是随着断路器性能的完善,系统功能越来越多,结构也越来越复杂[1-2],这就对系统软件的设计提出了更高的要求(如能够支持多任务,满足系统较高的实时性能等)。

TI公司基于软件开发面临的新要求推出了一种实时嵌入式操作系统——DSP/B IOS。该系统支持任务调度、实时分析、内存管理、时钟管理、中断管理及外设驱动管理。这些强大的功能为用户开发出各种结构复杂、实时性强、运行效率高的应用软件提供了方便。在此系统上进行应用程序开发,可根据需要对系统进行裁剪,缩短开发周期,满足应用系统实时性的要求,有利于后续系统的维护和升级。笔者在DSP/B IOS的基础上,对智能断路器的硬件和软件进行了详细的设计,充分利用DSP/B IOS的特点和优势提高了智能断路器的工作质量。

1 智能断路器的硬件设计

1.1 总体结构与工作原理

该智能断路器由DSP/B IOS实时系统、模拟信号检测单元、开关量输入单元、执行电路、通信接口、人机接口及电源等部分组成,其原理框图如图1所示[3]。

1.2 信号传感检测及隔离

电压检测通常用电压互感器(PT),而电流检测则常用电流互感器(CT),后者有实心和空心之分。实心(CT)在小电流时线性度好,但大电流时铁芯易于饱和、线性度差、测量范围小;空心CT线性度好、测量范围广,但在小电流时,信号较小,测量误差大。要提高小电流时的测量精度,必须改变互感器线圈匝数,增加互感器副边输出信号幅度。

1.3 脱扣执行工作原理

磁通变换器是脱扣控制模块的核心执行元件,在正常工作时由于永磁铁的存在使动铁芯处于闭合状态。当脉冲电流流经线圈时可产生与固有磁通方向相反的磁通,与固有磁通进行抵消。由此产生的反力弹簧将推动铁芯令断路器分离。脱扣执行有2种执行方式。一种是当各种故障信号处理完成后,CPU则按保护特性通过I/O接口发出控制信号控制线圈;另一种是模拟脱扣,此种执行方式不经过CPU处理,当故障信号超过一定值时直接比较输出脱扣信号,从而保证了断路器的可靠动作。

1.4 人机界面设计

为了适应智能控制器功能多样化的发展趋势,对人机界面的设计也提出了更高的要求。现大都采用液晶显示器,液晶显示器显示信息量大,能够以图形方式显示被整定的断路器保护特性。

图1 智能断路器原理框图Fig.1 Schematic of intellignt circuit breaker

2 智能断路器系统软件设计

2.1 功能模块划分

低压断路器是供电系统中重要的电器元件之一,它的作用是保护配电网络中电器和工业设备免受短路、过载等故障的损坏。因此断路器不但可以接通或断开正常工作情况下的负载电流,而且在电路系统出现如欠压、短路等的故障情况下能够自动切断故障电路,待电路工作状态正常后可自动恢复供电。智能断路器除了有传统断路器的功能外,还有智能化、模块化、可通信化及良好的人机交互界面等特点,并且可以通过断路器的通信功能互联成区域网,实现联网通信、集中控制。

根据智能断路器的功能需求,可以将系统分为信号采集检测模块、电路信号处理模块、脱扣控制模块、数据存储模块、电路情况分析运算模块、通信模块、人机交互等模块。传统的编程思想是顺序地组织各个功能模块,这样开发出来的系统模块间有一定的耦合度,对以后系统的升级和维护带来了不便,也无法适应日趋复杂的系统对软件提出的新要求。DSP/B IOS提供了另外一种组织应用程序各功能模块的机制。它将各功能模块作为任务线程来看待,通过可配置的内核服务使各任务线程在系统调度器的安排下按照优先级的高低分时复用CPU资源,各个任务线程之间通过通信、同步、数据交换等进行协调,并且支持多任务线程。在DSP/BIOS的这种组织应用程序各个功能模块的机制下,设计的智能断路器的各个功能模块如图2所示。

2.2 线程规划

在利用DSP/B IOS设计应用程序之前,应对组成应用程序的各个功能模块进行线程类型划分,这种划分主要是基于功能模块的实时性要求进行的。DSP/B IOS支持4种线程类型[4-5],即硬件中断线程(HW I),软件中断线程(SW I),任务线程(TSK)和后台线程(IDL)。这4种类型的线程优先级按照顺序依次降低。

图2 DSP/BIOS下智能断路器的模块设计结构图Fig.2 Structure of design on intellgent circuit breaker w ith DSP/BIOS

1)硬件中断线程(HW I)在DSP/B IOS中优先级最高。一般与外部设备密切相关、实时性要求很高的功能模块程序代码放置在硬件中断中,因此将以下几个子功能模块设置为硬件中断线程:信号采集检测模块、脱扣控制模块、通信接收模块。信号采集模块是整个系统的基础,直接与硬件连接,设置为硬件中断。在智能断路器中,电流变化范围大,电压和电流的信号采集工作由2部分完成,电流互感器(CT)检测供电线电路的电流,电压互感器(PT)检测电线电路的电压。这样提高了采样的分辨率和A/D变换的精度。AD芯片经过与DSP芯片的通信,将采集到的信号数据经转换后传送给DSP芯片。在脱扣控制模块中,脱扣的控制和执行在智能断路器中是非常重要的,如果在故障电路中脱扣不及时将会发生各种不可想象的后果。考虑到在DSP/B IOS中是按照线程的优先级来调度和执行各个任务线程的,而4种线程中硬件中断的优先级最高,所以将脱扣控制模块设置为硬件中断,以便控制器能及时地发出各种控制信号。通信接收模块与底层的硬件设备密切相关,而且DSP本身的SCI接收寄存器只有最大16个字节的FIFO,如不及时对接收数据进行处理,将会造成数据丢失。

2)DSP/BIOS提供了15个软件中断线程(SW I)的优先级。软件中断在运行中是不可以被阻塞的,除非有比其优先级更高的硬件中断事件发生。根据系统的需求及软件中断线程的特点设计的软件线程有电路信号处理模块和通信模块。电路信号处理模块是对信号采集检测模块采集到的数据进行后续处理。

3)在DSP/B IOS中创建的任务线程(TSK)处于运行、就绪、暂停、终止4种状态之一,且同优先级的任务先来先服务,较高的优先级可抢占较低的优先级先服务。DSP/BIOS提供了15个任务线程的优先级(加上 TSK_idle是16个),且在等待某个资源有效时可以被阻塞。在系统中将数据存储模块、电路数据分析模块和人机交互模块设置为任务线程,这3种都要取得较新的数据才可以继续执行,所以在其没有得到较新的数据时是要被阻塞的,直到有新的数据出现才继续工作。其中电路分析模块对电路信号数据通过与预先设定好的数据进行比较,发出各种控制信号给断路器执行模块。人机交互包括显示和键盘单元。通过液晶屏或发光管能够适时显示各种状态和负载的参数值及故障电流,故障类型和保护动作、试验整定情况,结合按键还可以进行保护的整定、预警值的设定、开关的试验和各种功能的检测。

4)后台线程(IDL)的优先级最低,在系统中运行一些对实时响应要求不高的线程。

2.3 配置线程

基于DSP/B IOS开发的应用程序,都有一个组件管理器,在这个组件管理器中可以对DSP进行片上资源配置,建立应用程序所需的DSP/BIOS配置文件。软件开发过程也就是从这个组件管理器开始的。在DSP/B IOS的开发界面中可实现对各个中断的设置。其配置界面见图3。

2.4 线程间的通信与同步

在DSP/B IOS环境下有3种数据通信方式: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机(HST,host)通道的通信。每种通信方式都是通过调度其相应的内核对象来实现的。其中,基于管道(PIP,pipe)的通信和基于主机(HST,host)通道的通信都使用管道模型;SIO与DEV模块使用流模型。在主机通信的方式中,每个 HST对象内部是用数据管道对象来实现的。管道对象(PIP)用于管理块I/O。每个PIP对象都维护着1个帧,所有的I/O操作在每一刻只处理1帧。管道能够用于在程序内的任意2个线程之间传递数据 。流是1个通道,通过它,数据在应用程序与I/O设备之间传输。

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

在硬件中断线程、软件中断线程与后台线程中,都是采用SIO流式数据、队列、PIP管道、全局变量来实现数据共享;软件中断线程采用邮箱实现同步。在任务中,采用SIO流式数据、队列、PIP管道、LOCK锁、邮箱、全局变量实现数据共享,通过信号量旗语、邮箱实现同步。经过对3种通信方式和适用范围的比较,在本系统中,线程之间的数据交换采用数据管道进行管理,多线程间的同步采用邮箱的方式。

3 程序的调试与分析

程序的调试使用了DSP/B IOS的实时分析工具,该工具能够显示系统的运行情况,应用程序开发者通过它可以了解数据传送的实时情况及各种硬件芯片的使用情况。实时分析工具为应用程序开发者寻找系统的缺陷和不足提供了非常有用的帮助。经过监控与调试,系统中的各个线程分配合理,程序运行良好。

4 结 语

综上所述,设计的智能断路器系统运行良好。DSP/B IOS在智能断路器中的使用提高了整个系统的实时性和准确性,DSP/B IOS应用系统中各个模块以线程的方式来管理以及支持多任务线程的特点满足了智能断路器复杂的软件系统的要求,方便了系统的升级和维护。

[1]王金英,王震洲,刘教民,等.决策树算法在智能断路器中的应用[J].河北科技大学学报(Journalof Hebei University of Science and Technology),2006,27(4):302-305.

[2]赵玲玲,杨奎河,李 斌,等.R-C干式过电压吸收器在高压真空断路器中的应用[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2001,22(1):56-58.

[3]王震洲,刘教民,王丽娜.基于DSP的低压智能脱扣器[J].低压电器(Low Voltage Apparatus),2007(13):15-18.

[4]许小可,柳晓鸣,陆志洋.DSP/B IOS在雷达目标检测系统上的应用[J].微计算机应用(Microcomputer Applications),2007,28(1):70-73.

[5]许康平,陈建元,韦海锋.DSP/B IOS在电能质量检测终端中的应用[J].工业控制计算机(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;责任编辑:李 穆

河北省自然科学基金资助项目(E2006001037)

张 军(1976-),男,河北张家口人,博士研究生,主要从事智能电器与机电一体化方面的研究。