本文介紹了抽油電機變頻器變結構控制系統(tǒng)功能原理,，如何利用uC/OS-II的多任務功能實現(xiàn)控制系統(tǒng)的算法結構變換,，操作系統(tǒng)的移植、多任務的建立和SDK下的軟件設計;最后總結了在應用中需注意的問題,。
在油田生產中為了節(jié)省電能并減小故障率,，變頻器得到越來越多的應用。但由于油井負載的非周期大脈動性質,，從能量的流向來看,，變頻器有兩種運行狀態(tài)——電動運行和回饋制動。不同運行狀態(tài)的控制變量和控制方法是不同的,，這就要采用所謂的變結構控制,。本應用是實現(xiàn)抽油電機變頻驅動中的變結構控制，不同的控制結構通過任務間的切換實現(xiàn),。
系統(tǒng)控制核心采用DSP56F803,，它是Motorola公司推出的16位DSP型微控制器，運算速度可達40MIPS,，片內資源豐富,，有強大的軟件支持，是嵌入式應用的理想選擇,。本系統(tǒng)應用了其SPI,、SCI、PWM,、鍵盤中斷及通用I/O口等功能模塊,。
1 系統(tǒng)設計
1．1 uC/OS-II的移植與配置
Motorola公司提供的軟件開發(fā)工具包SDK為使用uCC/OS-II做好了鋪墊工作，與硬件相關的文件OS_CPU.H,、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C已經給出,，只需購得系統(tǒng)源代碼，然后將其考入指定的文件目錄,，系統(tǒng)的移植就完成了,。本文采用最新版本uCC/OS-II V2.51。
系統(tǒng)移植成功后,，需要對操作系統(tǒng)進行配置（裁剪）,，把用不到的功能去掉，以最大限度地節(jié)省存儲空間,。這項工作是通過os_cfg.h中的宏定義進行的,，本文只用到了多任務管理、信號量,、互斥量等功能,。在本應用中，uCC/OS-II內核經過剪裁后只有3KB左右,，相對DSP56F803的32KB內部程序Flash只用了不到十分之一,。需注意的另一個關鍵設置是時鐘節(jié)拍中斷頻率OS_TICKS_PER_SEC，它是系統(tǒng)多任務運行所依賴的時間基準,，也決定了任務重復調用的最快頻率,。這里缺省設為1000,，要比文獻［3］中的推薦值高出一個數量級。但實際應用表明,，DSP56F803以其高運算速度在這個設置下是完全勝任的,。
1．2 系統(tǒng)功能
根據油田生產的要求，系統(tǒng)要實現(xiàn)以下功能：鍵盤輸入,、參數顯示,、三相電流采集、直流側電壓采集,、溫度采集,、變頻指令輸出以及保護等。系統(tǒng)對電流,、電壓,、溫度進行周期性采樣，采樣值經過數字信號處理,，作為控制器的參數,，最后由控制算法得出控制量，經PWM和D/A轉換器發(fā)送給變頻器,，形成反饋閉環(huán)控制,。系統(tǒng)運行過程中實時顯示電流、溫度等參數,，并可以通過鍵盤對控制器進行參數在線設定,。另外，高溫,、過流等保護功能必不可少,。系統(tǒng)原理如圖1?？刂破鞲鶕绷鱾入娙軨上電壓的大小來確定以哪一種控制結構運行,。當直流側電壓不超過設定值時，系統(tǒng)以電動狀態(tài)運行,。超過設定值時要以回饋制動方式運行,，要求兩種工作狀態(tài)要互鎖，切換要準確,、及時,。
1．3 任務的創(chuàng)建及變結構控制的實現(xiàn)
根據功能要求，本著盡量減少任務數以減輕CPU運行負擔的原則,，本文設計了AD采集,、電動運行、回饋制動和顯示四個任務,。另外還設計了兩個中斷服務子程序：用PortA口的中斷功能實現(xiàn)8個鍵盤輸入,，用外部中斷IrqA實現(xiàn)短路,、過流、缺相保護功能,。
每個任務都有自己的名稱,、內存空間和優(yōu)先級,。不同的任務必須有不同的優(yōu)先級,，它們可以是0~62之間的任意值，數值越小優(yōu)先級越高,。優(yōu)先級的設置有不同的依據,，以本文為例，回饋運行任務對時間要求最苛刻,，如果不能及時啟動或過早結束都會對變頻器造成危害,，所以其優(yōu)先級設為最高;AD采集任務運行最頻繁，必須為其它任務提供可靠的參數,，優(yōu)先級設為次高;電動運行任務是常規(guī)運行狀態(tài),，優(yōu)先級低于AD采集任務;顯示任務只實現(xiàn)人機交互，顯示狀態(tài)和參數對控制器性能沒有直接影響,，優(yōu)先級設為最低,。uCC/OS-II要求為每個任務分配OS_STK類型的堆?？臻g,，并且它們占用的RAM存儲空間必須是連續(xù)的。
任務延時是指任務執(zhí)行完畢處于掛起等待狀態(tài)到下一次重新運行之間的時間間隔,，它的單位是時鐘中斷節(jié)拍,。由于OS_TICKS_PER_SEC為1000,，每一拍為1ms。每個任務的調用間隔不能小于一個節(jié)拍,，它將影響模擬量的采樣頻率,。各個任務的屬性定義如表1所示。
本文介紹了抽油電機變頻器變結構控制系統(tǒng)功能原理,，如何利用uC/OS-II的多任務功能實現(xiàn)控制系統(tǒng)的算法結構變換,，操作系統(tǒng)的移植、多任務的建立和SDK下的軟件設計;最后總結了在應用中需注意的問題,。
在油田生產中為了節(jié)省電能并減小故障率,，變頻器得到越來越多的應用。但由于油井負載的非周期大脈動性質,，從能量的流向來看,，變頻器有兩種運行狀態(tài)——電動運行和回饋制動。不同運行狀態(tài)的控制變量和控制方法是不同的,，這就要采用所謂的變結構控制,。本應用是實現(xiàn)抽油電機變頻驅動中的變結構控制,，不同的控制結構通過任務間的切換實現(xiàn)。
系統(tǒng)控制核心采用DSP56F803,，它是Motorola公司推出的16位DSP型微控制器,，運算速度可達40MIPS，片內資源豐富,，有強大的軟件支持,，是嵌入式應用的理想選擇。本系統(tǒng)應用了其SPI,、SCI,、PWM、鍵盤中斷及通用I/O口等功能模塊,。
1 系統(tǒng)設計
1．1 uC/OS-II的移植與配置
Motorola公司提供的軟件開發(fā)工具包SDK為使用uCC/OS-II做好了鋪墊工作,，與硬件相關的文件OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C已經給出,，只需購得系統(tǒng)源代碼,，然后將其考入指定的文件目錄，系統(tǒng)的移植就完成了,。本文采用最新版本uCC/OS-II V2.51,。
系統(tǒng)移植成功后，需要對操作系統(tǒng)進行配置（裁剪）,，把用不到的功能去掉,，以最大限度地節(jié)省存儲空間。這項工作是通過os_cfg.h中的宏定義進行的,，本文只用到了多任務管理,、信號量、互斥量等功能,。在本應用中,，uCC/OS-II內核經過剪裁后只有3KB左右，相對DSP56F803的32KB內部程序Flash只用了不到十分之一,。需注意的另一個關鍵設置是時鐘節(jié)拍中斷頻率OS_TICKS_PER_SEC,，它是系統(tǒng)多任務運行所依賴的時間基準，也決定了任務重復調用的最快頻率,。這里缺省設為1000,，要比文獻［3］中的推薦值高出一個數量級。但實際應用表明,，DSP56F803以其高運算速度在這個設置下是完全勝任的,。
1．2 系統(tǒng)功能
根據油田生產的要求，系統(tǒng)要實現(xiàn)以下功能：鍵盤輸入、參數顯示,、三相電流采集,、直流側電壓采集、溫度采集,、變頻指令輸出以及保護等,。系統(tǒng)對電流、電壓,、溫度進行周期性采樣,，采樣值經過數字信號處理，作為控制器的參數,，最后由控制算法得出控制量,，經PWM和D/A轉換器發(fā)送給變頻器,，形成反饋閉環(huán)控制,。系統(tǒng)運行過程中實時顯示電流、溫度等參數,，并可以通過鍵盤對控制器進行參數在線設定,。另外，高溫,、過流等保護功能必不可少,。系統(tǒng)原理如圖1?？刂破鞲鶕绷鱾入娙軨上電壓的大小來確定以哪一種控制結構運行,。當直流側電壓不超過設定值時，系統(tǒng)以電動狀態(tài)運行,。超過設定值時要以回饋制動方式運行,，要求兩種工作狀態(tài)要互鎖，切換要準確,、及時,。
1．3 任務的創(chuàng)建及變結構控制的實現(xiàn)
根據功能要求，本著盡量減少任務數以減輕CPU運行負擔的原則,，本文設計了AD采集,、電動運行、回饋制動和顯示四個任務,。另外還設計了兩個中斷服務子程序：用PortA口的中斷功能實現(xiàn)8個鍵盤輸入,，用外部中斷IrqA實現(xiàn)短路、過流,、缺相保護功能,。
每個任務都有自己的名稱、內存空間和優(yōu)先級。不同的任務必須有不同的優(yōu)先級,，它們可以是0~62之間的任意值,，數值越小優(yōu)先級越高。優(yōu)先級的設置有不同的依據,，以本文為例,，回饋運行任務對時間要求最苛刻，如果不能及時啟動或過早結束都會對變頻器造成危害,，所以其優(yōu)先級設為最高;AD采集任務運行最頻繁,，必須為其它任務提供可靠的參數，優(yōu)先級設為次高;電動運行任務是常規(guī)運行狀態(tài),，優(yōu)先級低于AD采集任務;顯示任務只實現(xiàn)人機交互,，顯示狀態(tài)和參數對控制器性能沒有直接影響，優(yōu)先級設為最低,。uCC/OS-II要求為每個任務分配OS_STK類型的堆?？臻g，并且它們占用的RAM存儲空間必須是連續(xù)的,。
任務延時是指任務執(zhí)行完畢處于掛起等待狀態(tài)到下一次重新運行之間的時間間隔,，它的單位是時鐘中斷節(jié)拍。由于OS_TICKS_PER_SEC為1000,，每一拍為1ms,。每個任務的調用間隔不能小于一個節(jié)拍，它將影響模擬量的采樣頻率,。各個任務的屬性定義如表1所示,。
1．4 任務間的通信
各個任務是通過搶占CPU的使用權來運行的，它們之間存在一定的邏輯關系,，彼此互相聯(lián)系又互相制約,。信號量、郵箱,、消息隊列等功能為實現(xiàn)任務間通信提供了有力工具,，它們的使用方法靈活多變，如用信號量設置事件標志,，喚醒任務,、用郵箱在任務間傳遞參數、用消息隊列的循環(huán)尋址功能進行模擬通道的數據采集等,。本文設計了兩個信號量,，在系統(tǒng)運行開始后，任務TASK_AD檢測直流側電壓的大小,。當電壓未超過設定值時,，發(fā)出信號DC_NORM喚醒任務Task_NORMAL;當電壓高出設定值時,，發(fā)出信號DC_OVER喚醒任務Task_FEBACK。雖然這兩個任務基于不同的控制結構,，采用不同的算法,，但都要使用PWM輸出和SPI通信口，所以在喚醒一個任務的同時必須讓另外一個任務掛起,。這里引入了互斥型信號量T_MUTEX實現(xiàn)這個功能,。得到T_MUTEX信號的任務將獨自占有共享資源的使用權，兩個任務不會因資源沖突而同時掛起,，解決了任務間優(yōu)先級反轉問題,，避免了系統(tǒng)功能失效。任務間邏輯關系如圖2所示,。
操作系統(tǒng)為任務間通信提供了多種途徑,，但最簡單有效的方法是共享全局變量。本文使用共享全局變量的方法實現(xiàn)了顯示任務與鍵盤中斷服務之間的通信,，代碼如下：
鍵盤中斷：
static void KeyboardISR（void）
{
UWord16 cpu_sr;
OS_ENTER_CRITICAL（）; //臨界區(qū)代碼保護
asm{
move X：$0FB7,，A1 //讀鍵盤中斷狀態(tài)表
move A1，state1 //將中斷狀態(tài)放入全局變量
};
OS_EXIT_CRITICAL（）; //臨界區(qū)代碼保護結束
}
這里state1是全局變量,，鍵盤中斷的工作僅僅是將PORTA口中斷狀態(tài)寄存器（IESR,，地址$0FB8）讀入state1中。為防止其他任務在此期間對state1的修改,，使用了臨界區(qū)代碼保護。
顯示任務的部分代碼：
switch（state1）
{case 1： //PTA_0對應的鍵被按下
…… //相應的服務程序,，略
case 128： //PTA_7對應的鍵被按下
break; }
asm{move $00,，X：$0FB8}; //清鍵盤中斷狀態(tài)， 以備下次中斷
顯示任務中采用多分支結構,，根據statel=2n,，（n=0，1,，2,，3，,，4,，5，6,，7）,，不同的值代表不同的鍵被按下，程序進行相應的處理;最后將IESR寄存器清零,。用同樣的方法,，兩位之間互相組合可擴展形成16個按鍵。這樣只用一個全局變量就完成了中斷與任務間的通信，程序用內嵌匯編的C來寫,，簡捷高效,。
2 系統(tǒng)設計中需注意的問題
首先是存儲器分配問題。多任務,、郵箱等功能的使用會增加RAM的額外開銷,，在不擴展外部RAM的情況下，可用的只有片內2KB數據RAM和512字的程序RAM,，資源相對有限,，存儲空間的合理分配就顯得很重要。任務堆棧所占用的RAM空間要根據實際應用來確定,，必須考慮任務調用的嵌套情況,、任務中函數為局部變量所分配的內存數目。另外,，它必須能保存DSP的所有22個寄存器和16個存儲器字,。如果為任務分配的存儲空間富余過多則造成資源緊張，甚至會因內存溢出導致系統(tǒng)崩潰,。解決方法是調用系統(tǒng)函數OSTaskStkChk（）,，它可以檢測每個任務運行時使用的內存大小，為合理分配內存空間提供了依據,。另外,，可采用一些簡化方法節(jié)省RAM空間。例如SDK為AD采集的每個通道都定義一個結構體,，它包括三個元素：句柄,、數值長度和采樣值;如果使用五路AD采集，就得定義五個結構體,。通常不進行初始化,，DSP內核在運行時將它們放入RAM空間，占用RAM較多,。通常關心的只是采樣值一個元素,，其他兩個只完成輔助功能。如果使用一個存放采樣值的變量代替這個結構體,，或直接采用匯編語言寫這段代碼,，就可大幅度地節(jié)省RAM空間。本文的AD采集程序就是用匯編完成,。
SDK沒有提供在DSP56F803下使用SPI函數的例程,。
仿照在807中的成功應用，筆者調用spiWrite（）函數,，通過SPI驅動D/A轉換芯片,。但在編譯連接時出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤,，數據類型unsigned short與const void不匹配，在const.c中將spiWrite做強制類型轉換（void*）（&spiWrite）,，解決了這一問題,。
利用SDK與uC/OS-II相配合，充分發(fā)揮了DSP型控制器DSP56F803的功能,，采用內嵌匯編的C語言編程,，大大提高了代碼的可讀性和可移植性，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期,，成功實現(xiàn)了系統(tǒng)的變結構控制功能,，也體現(xiàn)了操作系統(tǒng)的多任務功能在實現(xiàn)多算法結構上的優(yōu)越性。