基于μC/OS-II的數字化UPS設計與實(shí)現方案

(6) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘：利用串行外設接口SPI 實(shí)現與LF2407A控制器的通信，為整個(gè)系統提供統一、標準的時(shí)鐘基準，另外，利用時(shí)鐘芯片的存儲器來(lái)存儲系統掉電保護參數。

3 μC/OS-II在LF2407A上的移植

μC/OS-II的硬件和軟件體系結構如圖2所示。

圖2 μC/OS-II的硬件和軟件體系結構圖

要使μC/OS-II正常運行，LF2407A滿(mǎn)足以下要求：處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼，支持可擴展和可鏈接匯編語(yǔ)言模塊;用C語(yǔ)言就可打開(kāi)和關(guān)閉中斷;處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時(shí)中斷;處理器有將堆棧指針以及其他CPU寄存器的內容讀出、并存儲到堆?；騼却嬷腥サ闹噶?。

由于μC/OS-II 是源碼公開(kāi)的操作系統，且其結構化設計便于把與處理器相關(guān)的部分分離出來(lái)，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(gè)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，數據類(lèi)型定義代碼和與處理器相關(guān)的代碼。LF2407A的堆棧數據類(lèi)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設置為1.

OS_CPU.H 剩下部分是移植必須定義底層函數的聲明，為使低層接口函數與處理器狀態(tài)無(wú)關(guān)，同時(shí)使任務(wù)調用相應的函數不需知道函數位置，采用軟中斷指令SWI作為底層接口，使用不同的功能號來(lái)區分各函數。其定義格式如下：

__swi (0x00) void OS_TASK_SW(void);//任務(wù)切換函數

其中，swi 為軟中斷標志，0x00 是分配的中斷號，OS_TASK_SW 是函數名，兩個(gè)void 分別表示返回類(lèi)型和參數類(lèi)型。其它的底層函數接口定義與此相似。

(2)修改OS_CPU_C.C:初始化任務(wù)堆棧函數和軟中斷函數的實(shí)現。修改OSTaskStkInit()函數，代碼如下：

OS_STK *OSTaskStkInit (void (*task)(void*pd)， void *pdata, OS_STK *ptos, INT16U opt)

{ 模擬帶參數(pdata)的函數調用;定義任務(wù)堆棧;使用滿(mǎn)棧遞減方式初始化任務(wù)堆棧結構;返回堆棧結構;}

軟中斷函數的實(shí)現：

void SWI_Exception(int SWI_Num, int *Regs)

{ /*根據不同Num 值(功能號)跳轉到不同的底層服務(wù)函數地址，如：*/ case 0x00:任務(wù)切換函數OS_TASK_SW;}

(3)修改OS_CPU_A.S:包括4 個(gè)簡(jiǎn)單的匯編語(yǔ)言函數：OSStartHighRdy()：使就緒態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級最高的任務(wù)開(kāi)始運行;OSCtxSw()：實(shí)現任務(wù)級的任務(wù)切換功能;OSIntCtxSw()：在中斷級實(shí)現任務(wù)間的切換;OSTickISR()：時(shí)鐘節拍中斷服務(wù)子程序。

(5) μC/OS-II主程序框架：調用任何服務(wù)之前，μC/OS-II 要求首先調用系統函數OSInit()初始化所有變量和數據結構，同時(shí)建立一個(gè)空閑任務(wù)。多任務(wù)的啟動(dòng)通過(guò)OSStart()實(shí)現，但啟動(dòng)前至少需建立一個(gè)應用任務(wù)。當調用OSStart()時(shí)，OSStart()從任務(wù)就緒表中找出用戶(hù)建立的優(yōu)先級最高任務(wù)的任務(wù)控制塊，然后調用任務(wù)啟動(dòng)函數，接下來(lái)就完全交給實(shí)時(shí)操作系統來(lái)管理，實(shí)時(shí)內核不斷地對任務(wù)進(jìn)行切換調度，管理各個(gè)應用任務(wù)和系統資源。系統主程序清單如下：

5 實(shí)驗結果

根據前述控制系統設計，成功研制了一臺3.75KVAUPS 樣機。以下為該樣機實(shí)時(shí)性、可靠性、穩定性測試運行情況，測試設備與儀表包括：泰克TDS3043B 數字示波器、Gad-2016 失真度測試儀、FLUKE189 數字萬(wàn)用表、FLUKE36 鉗型電流表、紅外線(xiàn)溫度計、負載三相3KW 燈泡(約3.75KW爐絲)。

(1)市電輸入380V,負載變化：輸出相電壓穩定度220V±1%,U 相頻率穩定度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(mǎn)載逆變輸出波形。

(a) 空載

(b) 滿(mǎn)載

圖5 U相輸出逆變電壓波形。

(2)市電逆變互切，切換時(shí)間及可靠性測試：市電輸入384V,電池電壓490V,3.75KW額定負載運行，市電斷電或按下強起按鈕，逆變器帶負載正常啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間約60ms.市電、逆變切換時(shí)間經(jīng)多次反復試驗，均小于120ms.圖6 所示為市電到逆變的切換波形，切換時(shí)間約60ms,圖中波形經(jīng)檢測變壓器隔離降壓;市電來(lái)電，逆變器立即停止工作。

圖6 市電到逆變的切換波形

(3)逆變應急長(cháng)時(shí)間工作，輸出電壓情況測試與系統穩定性驗證：電池513V開(kāi)始放電，帶3.75KW爐絲額定負載，運行約80分鐘，IGBT及散熱器溫度始終低于32℃，系統工作正常且穩定，測試參數如表2所示。

表2 逆變運行溫升測試

6 結論

本文針對數字化UPS,給出了基于LF2407A 的系統總體設計結構，實(shí)現了實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II在LF2407A 上的移植，對UPS系統任務(wù)進(jìn)行設計和實(shí)現調度，給出了部分參數設定和主程序清單。該設計方案已經(jīng)成功應用于青島創(chuàng )統3.75KVA 數字化UPS 的設計項目中。實(shí)踐證明，μC/OS-II 在嵌入式UPS 控制系統中的應用有效地提高了系統控制的實(shí)時(shí)性以及系統整體可靠性與穩定性。