本文介紹了抽油電機(jī)變頻器變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)功能原理，如何利用uC/OS-II的多任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的算法結(jié)構(gòu)變換，操作系統(tǒng)的移植、多任務(wù)的建立和SDK下的軟件設(shè)計(jì);最后總結(jié)了在應(yīng)用中需注意的問題。
在油田生產(chǎn)中為了節(jié)省電能并減小故障率，變頻器得到越來(lái)越多的應(yīng)用。但由于油井負(fù)載的非周期大脈動(dòng)性質(zhì)，從能量的流向來(lái)看，變頻器有兩種運(yùn)行狀態(tài)——電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)。不同運(yùn)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(jié)構(gòu)控制。本應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)抽油電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)中的變結(jié)構(gòu)控制，不同的控制結(jié)構(gòu)通過任務(wù)間的切換實(shí)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(yùn)算速度可達(dá)40MIPS，片內(nèi)資源豐富，有強(qiáng)大的軟件支持，是嵌入式應(yīng)用的理想選擇。本系統(tǒng)應(yīng)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(shè)計(jì)
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(guān)的文件OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C已經(jīng)給出，只需購(gòu)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(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)空間。這項(xiàng)工作是通過os_cfg.h中的宏定義進(jìn)行的，本文只用到了多任務(wù)管理、信號(hào)量、互斥量等功能。在本應(yīng)用中，uCC/OS-II內(nèi)核經(jīng)過剪裁后只有3KB左右，相對(duì)DSP56F803的32KB內(nèi)部程序Flash只用了不到十分之一。需注意的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)置是時(shí)鐘節(jié)拍中斷頻率OS_TICKS_PER_SEC，它是系統(tǒng)多任務(wù)運(yùn)行所依賴的時(shí)間基準(zhǔn)，也決定了任務(wù)重復(fù)調(diào)用的最快頻率。這里缺省設(shè)為1000，要比文獻(xiàn)［3］中的推薦值高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。但實(shí)際應(yīng)用表明，DSP56F803以其高運(yùn)算速度在這個(gè)設(shè)置下是完全勝任的。
1．2 系統(tǒng)功能
根據(jù)油田生產(chǎn)的要求，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下功能：鍵盤輸入、參數(shù)顯示、三相電流采集、直流側(cè)電壓采集、溫度采集、變頻指令輸出以及保護(hù)等。系統(tǒng)對(duì)電流、電壓、溫度進(jìn)行周期性采樣，采樣值經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理，作為控制器的參數(shù)，最后由控制算法得出控制量，經(jīng)PWM和D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送給變頻器，形成反饋閉環(huán)控制。系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)顯示電流、溫度等參數(shù)，并可以通過鍵盤對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)在線設(shè)定。另外，高溫、過流等保護(hù)功能必不可少。系統(tǒng)原理如圖1。控制器根據(jù)直流側(cè)電容C上電壓的大小來(lái)確定以哪一種控制結(jié)構(gòu)運(yùn)行。當(dāng)直流側(cè)電壓不超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。超過設(shè)定值時(shí)要以回饋制動(dòng)方式運(yùn)行，要求兩種工作狀態(tài)要互鎖，切換要準(zhǔn)確、及時(shí)。
1．3 任務(wù)的創(chuàng)建及變結(jié)構(gòu)控制的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)功能要求，本著盡量減少任務(wù)數(shù)以減輕CPU運(yùn)行負(fù)擔(dān)的原則，本文設(shè)計(jì)了AD采集、電動(dòng)運(yùn)行、回饋制動(dòng)和顯示四個(gè)任務(wù)。另外還設(shè)計(jì)了兩個(gè)中斷服務(wù)子程序：用PortA口的中斷功能實(shí)現(xiàn)8個(gè)鍵盤輸入，用外部中斷IrqA實(shí)現(xiàn)短路、過流、缺相保護(hù)功能。
每個(gè)任務(wù)都有自己的名稱、內(nèi)存空間和優(yōu)先級(jí)。不同的任務(wù)必須有不同的優(yōu)先級(jí)，它們可以是0~62之間的任意值，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。優(yōu)先級(jí)的設(shè)置有不同的依據(jù)，以本文為例，回饋運(yùn)行任務(wù)對(duì)時(shí)間要求最苛刻，如果不能及時(shí)啟動(dòng)或過早結(jié)束都會(huì)對(duì)變頻器造成危害，所以其優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高;AD采集任務(wù)運(yùn)行最頻繁，必須為其它任務(wù)提供可靠的參數(shù)，優(yōu)先級(jí)設(shè)為次高;電動(dòng)運(yùn)行任務(wù)是常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)先級(jí)低于AD采集任務(wù);顯示任務(wù)只實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，顯示狀態(tài)和參數(shù)對(duì)控制器性能沒有直接影響，優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低。uCC/OS-II要求為每個(gè)任務(wù)分配OS_STK類型的堆棧空間，并且它們占用的RAM存儲(chǔ)空間必須是連續(xù)的。
任務(wù)延時(shí)是指任務(wù)執(zhí)行完畢處于掛起等待狀態(tài)到下一次重新運(yùn)行之間的時(shí)間間隔，它的單位是時(shí)鐘中斷節(jié)拍。由于OS_TICKS_PER_SEC為1000，每一拍為1ms。每個(gè)任務(wù)的調(diào)用間隔不能小于一個(gè)節(jié)拍，它將影響模擬量的采樣頻率。各個(gè)任務(wù)的屬性定義如表1所示。
本文介紹了抽油電機(jī)變頻器變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)功能原理，如何利用uC/OS-II的多任務(wù)功能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的算法結(jié)構(gòu)變換，操作系統(tǒng)的移植、多任務(wù)的建立和SDK下的軟件設(shè)計(jì);最后總結(jié)了在應(yīng)用中需注意的問題。
在油田生產(chǎn)中為了節(jié)省電能并減小故障率，變頻器得到越來(lái)越多的應(yīng)用。但由于油井負(fù)載的非周期大脈動(dòng)性質(zhì)，從能量的流向來(lái)看，變頻器有兩種運(yùn)行狀態(tài)——電動(dòng)運(yùn)行和回饋制動(dòng)。不同運(yùn)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(jié)構(gòu)控制。本應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)抽油電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)中的變結(jié)構(gòu)控制，不同的控制結(jié)構(gòu)通過任務(wù)間的切換實(shí)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(yùn)算速度可達(dá)40MIPS，片內(nèi)資源豐富，有強(qiáng)大的軟件支持，是嵌入式應(yīng)用的理想選擇。本系統(tǒng)應(yīng)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(shè)計(jì)
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(guān)的文件OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C已經(jīng)給出，只需購(gòu)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(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)空間。這項(xiàng)工作是通過os_cfg.h中的宏定義進(jìn)行的，本文只用到了多任務(wù)管理、信號(hào)量、互斥量等功能。在本應(yīng)用中，uCC/OS-II內(nèi)核經(jīng)過剪裁后只有3KB左右，相對(duì)DSP56F803的32KB內(nèi)部程序Flash只用了不到十分之一。需注意的另一個(gè)關(guān)鍵設(shè)置是時(shí)鐘節(jié)拍中斷頻率OS_TICKS_PER_SEC，它是系統(tǒng)多任務(wù)運(yùn)行所依賴的時(shí)間基準(zhǔn)，也決定了任務(wù)重復(fù)調(diào)用的最快頻率。這里缺省設(shè)為1000，要比文獻(xiàn)［3］中的推薦值高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。但實(shí)際應(yīng)用表明，DSP56F803以其高運(yùn)算速度在這個(gè)設(shè)置下是完全勝任的。
1．2 系統(tǒng)功能
根據(jù)油田生產(chǎn)的要求，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下功能：鍵盤輸入、參數(shù)顯示、三相電流采集、直流側(cè)電壓采集、溫度采集、變頻指令輸出以及保護(hù)等。系統(tǒng)對(duì)電流、電壓、溫度進(jìn)行周期性采樣，采樣值經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理，作為控制器的參數(shù)，最后由控制算法得出控制量，經(jīng)PWM和D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送給變頻器，形成反饋閉環(huán)控制。系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)顯示電流、溫度等參數(shù)，并可以通過鍵盤對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)在線設(shè)定。另外，高溫、過流等保護(hù)功能必不可少。系統(tǒng)原理如圖1。控制器根據(jù)直流側(cè)電容C上電壓的大小來(lái)確定以哪一種控制結(jié)構(gòu)運(yùn)行。當(dāng)直流側(cè)電壓不超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)以電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。超過設(shè)定值時(shí)要以回饋制動(dòng)方式運(yùn)行，要求兩種工作狀態(tài)要互鎖，切換要準(zhǔn)確、及時(shí)。
1．3 任務(wù)的創(chuàng)建及變結(jié)構(gòu)控制的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)功能要求，本著盡量減少任務(wù)數(shù)以減輕CPU運(yùn)行負(fù)擔(dān)的原則，本文設(shè)計(jì)了AD采集、電動(dòng)運(yùn)行、回饋制動(dòng)和顯示四個(gè)任務(wù)。另外還設(shè)計(jì)了兩個(gè)中斷服務(wù)子程序：用PortA口的中斷功能實(shí)現(xiàn)8個(gè)鍵盤輸入，用外部中斷IrqA實(shí)現(xiàn)短路、過流、缺相保護(hù)功能。
每個(gè)任務(wù)都有自己的名稱、內(nèi)存空間和優(yōu)先級(jí)。不同的任務(wù)必須有不同的優(yōu)先級(jí)，它們可以是0~62之間的任意值，數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高。優(yōu)先級(jí)的設(shè)置有不同的依據(jù)，以本文為例，回饋運(yùn)行任務(wù)對(duì)時(shí)間要求最苛刻，如果不能及時(shí)啟動(dòng)或過早結(jié)束都會(huì)對(duì)變頻器造成危害，所以其優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高;AD采集任務(wù)運(yùn)行最頻繁，必須為其它任務(wù)提供可靠的參數(shù)，優(yōu)先級(jí)設(shè)為次高;電動(dòng)運(yùn)行任務(wù)是常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)先級(jí)低于AD采集任務(wù);顯示任務(wù)只實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，顯示狀態(tài)和參數(shù)對(duì)控制器性能沒有直接影響，優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低。uCC/OS-II要求為每個(gè)任務(wù)分配OS_STK類型的堆棧空間，并且它們占用的RAM存儲(chǔ)空間必須是連續(xù)的。
任務(wù)延時(shí)是指任務(wù)執(zhí)行完畢處于掛起等待狀態(tài)到下一次重新運(yùn)行之間的時(shí)間間隔，它的單位是時(shí)鐘中斷節(jié)拍。由于OS_TICKS_PER_SEC為1000，每一拍為1ms。每個(gè)任務(wù)的調(diào)用間隔不能小于一個(gè)節(jié)拍，它將影響模擬量的采樣頻率。各個(gè)任務(wù)的屬性定義如表1所示。
1．4 任務(wù)間的通信
各個(gè)任務(wù)是通過搶占CPU的使用權(quán)來(lái)運(yùn)行的，它們之間存在一定的邏輯關(guān)系，彼此互相聯(lián)系又互相制約。信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等功能為實(shí)現(xiàn)任務(wù)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(hào)量設(shè)置事件標(biāo)志，喚醒任務(wù)、用郵箱在任務(wù)間傳遞參數(shù)、用消息隊(duì)列的循環(huán)尋址功能進(jìn)行模擬通道的數(shù)據(jù)采集等。本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)信號(hào)量，在系統(tǒng)運(yùn)行開始后，任務(wù)TASK_AD檢測(cè)直流側(cè)電壓的大小。當(dāng)電壓未超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)出信號(hào)DC_NORM喚醒任務(wù)Task_NORMAL;當(dāng)電壓高出設(shè)定值時(shí)，發(fā)出信號(hào)DC_OVER喚醒任務(wù)Task_FEBACK。雖然這兩個(gè)任務(wù)基于不同的控制結(jié)構(gòu)，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(gè)任務(wù)的同時(shí)必須讓另外一個(gè)任務(wù)掛起。這里引入了互斥型信號(hào)量T_MUTEX實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。得到T_MUTEX信號(hào)的任務(wù)將獨(dú)自占有共享資源的使用權(quán)，兩個(gè)任務(wù)不會(huì)因資源沖突而同時(shí)掛起，解決了任務(wù)間優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問題，避免了系統(tǒng)功能失效。任務(wù)間邏輯關(guān)系如圖2所示。
操作系統(tǒng)為任務(wù)間通信提供了多種途徑，但最簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了顯示任務(wù)與鍵盤中斷服務(wù)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(hù)
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(hù)結(jié)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(wù)在此期間對(duì)state1的修改，使用了臨界區(qū)代碼保護(hù)。
顯示任務(wù)的部分代碼：
switch（state1）
{case 1： //PTA_0對(duì)應(yīng)的鍵被按下
…… //相應(yīng)的服務(wù)程序，略
case 128： //PTA_7對(duì)應(yīng)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(wù)中采用多分支結(jié)構(gòu)，根據(jù)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(jìn)行相應(yīng)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(kuò)展形成16個(gè)按鍵。這樣只用一個(gè)全局變量就完成了中斷與任務(wù)間的通信，程序用內(nèi)嵌匯編的C來(lái)寫，簡(jiǎn)捷高效。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的問題
首先是存儲(chǔ)器分配問題。多任務(wù)、郵箱等功能的使用會(huì)增加RAM的額外開銷，在不擴(kuò)展外部RAM的情況下，可用的只有片內(nèi)2KB數(shù)據(jù)RAM和512字的程序RAM，資源相對(duì)有限，存儲(chǔ)空間的合理分配就顯得很重要。任務(wù)堆棧所占用的RAM空間要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)確定，必須考慮任務(wù)調(diào)用的嵌套情況、任務(wù)中函數(shù)為局部變量所分配的內(nèi)存數(shù)目。另外，它必須能保存DSP的所有22個(gè)寄存器和16個(gè)存儲(chǔ)器字。如果為任務(wù)分配的存儲(chǔ)空間富余過多則造成資源緊張，甚至?xí)騼?nèi)存溢出導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。解決方法是調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)OSTaskStkChk（），它可以檢測(cè)每個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)使用的內(nèi)存大小，為合理分配內(nèi)存空間提供了依據(jù)。另外，可采用一些簡(jiǎn)化方法節(jié)省RAM空間。例如SDK為AD采集的每個(gè)通道都定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，它包括三個(gè)元素：句柄、數(shù)值長(zhǎng)度和采樣值;如果使用五路AD采集，就得定義五個(gè)結(jié)構(gòu)體。通常不進(jìn)行初始化，DSP內(nèi)核在運(yùn)行時(shí)將它們放入RAM空間，占用RAM較多。通常關(guān)心的只是采樣值一個(gè)元素，其他兩個(gè)只完成輔助功能。如果使用一個(gè)存放采樣值的變量代替這個(gè)結(jié)構(gòu)體，或直接采用匯編語(yǔ)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(shù)的例程。
仿照在807中的成功應(yīng)用，筆者調(diào)用spiWrite（）函數(shù)，通過SPI驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換芯片。但在編譯連接時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)類型unsigned short與const void不匹配，在const.c中將spiWrite做強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)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(nèi)嵌匯編的C語(yǔ)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)控制功能，也體現(xiàn)了操作系統(tǒng)的多任務(wù)功能在實(shí)現(xiàn)多算法結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性。