摘  要： 針對(duì)目前高校測(cè)控實(shí)驗(yàn)儀功能單一,，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性等不能很好地模擬等問(wèn)題,，研究和設(shè)計(jì)了一套配電測(cè)控模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái),，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(jiǎn)化的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，能夠?qū)?6路開(kāi)關(guān)量、64路模擬量及多個(gè)鍵盤(pán)任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制,，并能夠和上位機(jī)進(jìn)行定時(shí)通信,，將收集數(shù)據(jù)及時(shí)傳送給上位機(jī)，進(jìn)行匯總,、分析和報(bào)表打印等,。重點(diǎn)分析了下位機(jī)的實(shí)時(shí)多任務(wù)之間的關(guān)系，調(diào)度過(guò)程原理及簡(jiǎn)化的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。
關(guān)鍵詞： 配電測(cè)控實(shí)驗(yàn)臺(tái),； 下位機(jī)系統(tǒng)； 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

      目前,，配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化和工業(yè)測(cè)控技術(shù)發(fā)展迅速,，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和多功能性要求也越來(lái)越高,。而高校測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊單一、功能簡(jiǎn)單,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,。針對(duì)高校測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)際需求,，研究和設(shè)計(jì)了一套分布式IPC(Industrial Personal Computer)工業(yè)配電測(cè)控系統(tǒng)，由1臺(tái)上位機(jī)和8臺(tái)下位機(jī)構(gòu)成,。各下位機(jī)能夠根據(jù)需要對(duì)多路模擬量(如電壓,、電流、功率因素,、有功功率,、無(wú)功功率等)、開(kāi)關(guān)量(如各出線開(kāi)關(guān)分合閘狀態(tài),、補(bǔ)償電容器的狀態(tài)等)進(jìn)行檢測(cè)和控制,。上位機(jī)可以發(fā)出指令和任何一臺(tái)與之相連的下位機(jī)進(jìn)行通信，收集各下位機(jī)傳送來(lái)的模擬量和開(kāi)關(guān)量信息,，進(jìn)行相關(guān)的分析,、匯總、報(bào)表生成等處理,，并對(duì)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(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文將重點(diǎn)敘述其調(diào)度管理過(guò)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(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行,，可實(shí)現(xiàn)多路模擬量、開(kāi)關(guān)量的采集,、存儲(chǔ),、顯示以及與上位機(jī)的通信。同時(shí),，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(gè)具有典型代表性的工業(yè)控制環(huán)節(jié)：直流電動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)的控制和模擬的溫度測(cè)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(gè)較為復(fù)雜的測(cè)控子系統(tǒng),，普通的單片機(jī)功能簡(jiǎn)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(jì)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(kāi)入/開(kāi)出,、32路單端模擬量輸入/16路雙端輸入,、3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、2路模擬量輸出,，結(jié)構(gòu)緊湊,、功能齊全，性價(jià)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(gè)ISA插槽和PCI插槽,，可隨時(shí)方便系統(tǒng)的升級(jí),。

     工業(yè)測(cè)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(yǔ)言采用C語(yǔ)言,。下位機(jī)模擬的是配電測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行,，有多道任務(wù)程序，同時(shí)要求運(yùn)行速度快,、穩(wěn)定性強(qiáng),，是一個(gè)復(fù)雜的多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度過(guò)程的分析和設(shè)計(jì)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(shí)多任務(wù)調(diào)度過(guò)程分析和設(shè)計(jì)
2.1 任務(wù)及其占用資源的關(guān)系
     下位機(jī)配電測(cè)控系統(tǒng),共有19個(gè)任務(wù)程序和1個(gè)簡(jiǎn)化的,、初級(jí)的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MROS,構(gòu)成了一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)[4]。各個(gè)任務(wù)程序的名稱(chēng)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(kāi)關(guān)量任務(wù)程序,。
　　 stepping( )：每500 ms采集溫度測(cè)控子系統(tǒng)的溫度值，根據(jù)溫度偏差,，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正/反轉(zhuǎn),。
　　 motor( )：每250 ms采集1次直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制直流電動(dòng)機(jī)按設(shè)定值運(yùn)行,。
　　 pmotor( )：根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,，繪制直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行曲線。
　　 mnxs( )：在屏幕上排列顯示各個(gè)模擬量的當(dāng)前值,。
　　 kgxs( )：在屏幕上排列顯示各個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)量填入電站的電氣主接線圖中,，完成開(kāi)關(guān)量在圖中的動(dòng)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(dòng)態(tài)顯示。
　　 Stepmotor( )：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)升降速全過(guò)程控制,，動(dòng)態(tài)繪制升降速全過(guò)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(kāi)關(guān)量以及溫度測(cè)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(shí)間動(dòng)態(tài)顯示。屏幕上各個(gè)畫(huà)面正上方中均有北京時(shí)間,。
　  quit( )：退出運(yùn)行處理,，返回C集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。
　  19個(gè)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(gè)；不同的任務(wù)要求占用不同的外設(shè)資源(例如對(duì)板卡的占用),多個(gè)任務(wù)可能要求占用同一外設(shè)(例如對(duì)CRT,、打印機(jī)的占用);各任務(wù)之間存在橫向聯(lián)系;多個(gè)任務(wù)在宏觀上的并發(fā)操作;多任務(wù)實(shí)時(shí)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(gè)任務(wù)程序“掛”在上面,，形成一個(gè)“管控一體化運(yùn)行軟件”。
2.2 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(chǔ)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(cè)控系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
　  (1)對(duì)各量的監(jiān)測(cè)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(guò)鍵盤(pán)調(diào)用一些編制就緒的程序而不修改程序本身,。
　  (3)監(jiān)測(cè)對(duì)象固定，主機(jī)和外設(shè)規(guī)模也是固定不變的,。
　  對(duì)于這樣一個(gè)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(shí)間,，降低系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,。因此,本系統(tǒng)采用了一種與硬件資源和測(cè)控對(duì)象相適應(yīng)的簡(jiǎn)化的、初級(jí)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(gè)時(shí)間或事件驅(qū)動(dòng)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(jí)是否可以動(dòng)態(tài)地改變,，調(diào)度算法可以分為：靜態(tài)調(diào)度和動(dòng)態(tài)調(diào)度。
　  按照調(diào)度過(guò)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(jí)別任務(wù)的時(shí)限方面比搶先調(diào)度方式要差一些，但是它實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單,，時(shí)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(jì)時(shí),，按照多任務(wù)實(shí)時(shí)操作的基本原則來(lái)編寫(xiě)任務(wù)程序，通過(guò)硬件配合,，可使每個(gè)任務(wù)都在幾十個(gè)微秒內(nèi)完成,。因此，可采用靜態(tài)調(diào)度方式設(shè)計(jì)圖1所示的IPC系統(tǒng),。但某些任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別可以局部改變,；若采用非搶先調(diào)度方式，可把1個(gè)功能分解為若干個(gè)可以在1 μs到幾十微秒內(nèi)完成的程序段,，以改善實(shí)時(shí)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(gè)進(jìn)程定義了一個(gè)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(shí)符,、進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)、進(jìn)程隊(duì)列指針,、程序開(kāi)始地址,、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、CPU現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)化問(wèn)題,，本系統(tǒng)按一定的原則編制每一個(gè)任務(wù)程序,，使得每一個(gè)任務(wù)程序都在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(1 ?滋s到幾十微秒)執(zhí)行完畢，即每一個(gè)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(jì)的MROS中,，就只使用PCB中的“進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)”這一個(gè)概念。
     (3) “tick”信號(hào)
　  “tick”信號(hào)是MROS在運(yùn)行過(guò)程中需要的基本的,、最小的定時(shí)單位,。在圖1所示的系統(tǒng)中，“tick”由PC-6313板卡的定時(shí)/計(jì)數(shù)器8253產(chǎn)生,。當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí),，使PC-6313 1#板卡8253的 T2 OUT2每1 ms輸出1個(gè)脈沖，把這個(gè)脈沖信號(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)加在IRQ3上,，每1次中斷即產(chǎn)生1個(gè)“tick”，在IRQ3的中斷服務(wù)程序進(jìn)行與時(shí)間相關(guān)的操作,。
2.3 多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)段內(nèi)多個(gè)程序的同時(shí)執(zhí)行，而微觀上則是多個(gè)任務(wù)的交替執(zhí)行,。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)必須遵循的設(shè)計(jì)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(kāi)銷(xiāo)，本系統(tǒng)編寫(xiě)的實(shí)時(shí)調(diào)度程序,，占用CPU的執(zhí)行時(shí)間小于1μs,。調(diào)度所需的“tick”是通過(guò)定時(shí)器/計(jì)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(jì)測(cè)控電路和編制各個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)程序時(shí)，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(hào)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(hào)和調(diào)節(jié)命令到來(lái)后又在新的條件下“獨(dú)立”運(yùn)行,。
2.4 多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度的過(guò)程分析
     圖2是任務(wù)調(diào)度的過(guò)程示意圖,。

    圖2任務(wù)調(diào)度說(shuō)明如下：
    (1) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘在0點(diǎn)、4點(diǎn),、8點(diǎn),、12點(diǎn)、16點(diǎn)和20點(diǎn)時(shí),，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(shí)時(shí)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(guò)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(guò)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(guò)程中,，又把自己推入就緒隊(duì)列，CPU不斷對(duì)它們提供運(yùn)行機(jī)會(huì),，在沒(méi)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(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線,，每250 ms運(yùn)行motor( )時(shí),，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(dòng)機(jī)的當(dāng)前速度值,。
    (7) 下位機(jī)串行口中斷一直處于開(kāi)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(shí),，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(shí)性的要求,。
3 下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?cè)诠芾韺拥恼{(diào)度下實(shí)現(xiàn)各種功能,；圖3(c)為中斷服務(wù)程序,是簡(jiǎn)化MROS的組成部分,。可以據(jù)此畫(huà)出更詳細(xì)的軟件系統(tǒng)流程圖并編寫(xiě)相應(yīng)的程序,。

     本文介紹了一種分布式IPC配電測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，說(shuō)明了在單CPU系統(tǒng)中,，多任務(wù)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jí),。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)較好地模擬了配電測(cè)控系統(tǒng)的調(diào)度,、運(yùn)行和管理過(guò)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(shí),，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(cè)量?jī)x表和傳感器即可構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的配電測(cè)控系統(tǒng),。因此具有一定的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值,。
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