引言

隨著科技的不斷發(fā)展，配電網絡自動化和工業(yè)測控技術也隨之發(fā)展迅猛，對系統(tǒng)的實時性、可靠性和多功能性要求也越來越高。而高校測控專業(yè)實驗設備模塊單一、功能簡單，遠遠落后于現代控制技術的發(fā)展。針對高校測控專業(yè)實際需求，研究和設計了一套分布式IPC工業(yè)配電測控系統(tǒng)，由1臺上位機和8臺下位機構成。各下位機能夠根據需要對多路模擬量、開關量進行檢測和控制。上位機可以發(fā)出指令和任何一臺與之相連的下位機進行通信，收集各下位機傳送來的模擬量和開關量信息，進行相關的分析、匯總、報表生成等處理，并對各下位機子系統(tǒng)進行監(jiān)控和宏觀調度。多任務調度管理是系統(tǒng)設計的重點和難點，本文將重點敘述其調度管理過程。

1 下位機系統(tǒng)功能概述

下位機主要模擬配電測控系統(tǒng)運行，可實現多路模擬量、開關量的采集、存儲、顯示以及與上位機的通信。同時，為了豐富以后實驗系統(tǒng)的教學和實驗內容，還特意增加了2個具有典型代表性的工業(yè)控制環(huán)節(jié)：直流電動機子系統(tǒng)的控制和模擬的溫度測控子系統(tǒng)。因此，下位機是一個較為復雜的測控子系統(tǒng)，普通的單片機功能簡單，很難勝任，為此選用了控制功能強大的研華IPC-610工業(yè)控制計算機，配裝了2塊PC-6313多功能模入/模出板卡。每塊PC-6313板卡有24路開入/開出、32路單端模擬量輸入/16路雙端輸入、3個定時器/計數器、2路模擬量輸出，結構緊湊、功能齊全，性價比高，配接相應的傳感器和執(zhí)行機構即可完成所有的功能，下位機系統(tǒng)框圖如圖1所示。IPC-610底板可擴展性強，有近20個ISA插槽和PCI插槽，可隨時方便系統(tǒng)的升級。

工業(yè)測控系統(tǒng)最重要的是穩(wěn)定性，DOS系統(tǒng)比Windows系統(tǒng)穩(wěn)定性強且占用內存小，非常適應工業(yè)系統(tǒng)需要。為此，本系統(tǒng)采用DOS操作系統(tǒng)，編程語言采用C語言。下位機模擬的是配電測控系統(tǒng)運行，有多道任務程序，同時要求運行速度快、穩(wěn)定性強，是一個復雜的多任務實時系統(tǒng)。多任務實時調度過程的分析和設計是下位機系統(tǒng)運行的關鍵。

2 下位機系統(tǒng)實時多任務調度過程分析和設計

2.1 任務及其占用資源的關系

下位機配電測控系統(tǒng)，共有19個任務程序和1個簡化的、初級的多任務實時操作系統(tǒng)MROS,構成了一個多任務實時測控系統(tǒng)[4]。各個任務程序的名稱及其功能如下：

task_0 （ ）：0點制表任務程序。

task_4 （ ）：4點制表任務程序。

task_8 （ ）：8點制表任務程序。

task_12 （ ）：12點制表任務程序。

task_16 （ ）：16點制表任務程序。

task_20 （ ）：20點制表任務程序。

getad （ ）：每2 s采集模擬量任務程序。

task_s （ ）：每2 ms采集開關量任務程序。

stepping（ ）：每500 ms采集溫度測控子系統(tǒng)的溫度值，根據溫度偏差，控制步進電動機正/反轉。

motor（ ）：每250 ms采集1次直流電動機的轉速，控制直流電動機按設定值運行。

pmotor（ ）：根據直流電動機的轉速，繪制直流電動機的動態(tài)運行曲線。

mnxs（ ）：在屏幕上排列顯示各個模擬量的當前值。

kgxs（ ）：在屏幕上排列顯示各個開關量的當前值。

Subdl（ ）：在屏幕上繪制工廠配電系統(tǒng)的電氣主接線圖。

Kg（ ）：把采集的開關量填入電站的電氣主接線圖中，完成開關量在圖中的動態(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態(tài)顯示。

Stepmotor（ ）：步進電動機升降速全過程控制，動態(tài)繪制升降速全過程。

Slaver（ ）：從機和主機的通信任務。將本機的64路模擬量和16路開關量以及溫度測控子系統(tǒng)的數據上傳給上位機進行顯示。

Subtime（ ）：北京時間動態(tài)顯示。屏幕上各個畫面正上方中均有北京時間。

quit（ ）：退出運行處理，返回C集成開發(fā)環(huán)境。

19個任務要求占用硬件資源的關系十分復雜，表述如下：所有任務均要求占用CPU，而CPU只有1個；不同的任務要求占用不同的外設資源，多個任務可能要求占用同一外設；各任務之間存在橫向聯系；多個任務在宏觀上的并發(fā)操作；多任務實時操作系統(tǒng)MROS的主要功能就是協(xié)調以上各種關系，有效地管理分配各種資源。

2.2 多任務實時操作系統(tǒng)的簡化

標準的MROS一般包括CPU管理、外設管理、中斷管理、存儲器管理和文件管理等，占用內存空間較大，CPU的運行速度較慢。下位機測控系統(tǒng)具有如下特點：

（1）對各量的監(jiān)測和控制，實際上是周期性地重復執(zhí)行各任務程序。

（2）人機聯系任務雖然是隨機的，但任務的內容是固定的，操作人員只是通過鍵盤調用一些編制就緒的程序而不修改程序本身。

（3）監(jiān)測對象固定，主機和外設規(guī)模也是固定不變的。

對于這樣一個系統(tǒng)，若采用標準的MROS，將占用較多內存空間和CPU的運行時間，降低系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)的實時性。因此，本系統(tǒng)采用了一種與硬件資源和測控對象相適應的簡化的、初級的MROS，保留了標準MROS的核心功能。即CPU管理、外設管理和中斷管理，其主要工作如下：

（1）任務調度

任務調度的主要職能，一是根據任務調度算法分配CPU，即實現某個時間或事件驅動的任務切換；二是從任務收回CPU。

按照任務的優(yōu)先級是否可以動態(tài)地改變，調度算法可以分為：靜態(tài)調度和動態(tài)調度。

按照調度過程是否允許采用搶先方式，調度算法可以分為：搶先調度方式和非搶先調度方式。非搶先調度方式在滿足高優(yōu)先級別任務的時限方面比搶先調度方式要差一些，但是它實現起來簡單，時間確定性好，并且避免了因為資源共享而引起的互斥，實際應用較廣。

本系統(tǒng)設計時，按照多任務實時操作的基本原則來編寫任務程序，通過硬件配合，可使每個任務都在幾十個微秒內完成。因此，可采用靜態(tài)調度方式設計圖1所示的IPC系統(tǒng)。但某些任務的優(yōu)先級別可以局部改變；若采用非搶先調度方式，可把1個功能分解為若干個可以在1 μs到幾十微秒內完成的程序段，以改善實時性。

（2）進程控制

為了描述和控制進程的運行，系統(tǒng)為每個進程定義了一個數據結構——進程控制塊（PCB）。PCB主要包括：進程標識符、進程當前狀態(tài)、進程隊列指針、程序開始地址、進程優(yōu)先級、CPU現場保護區(qū)、通信信息、家族聯系、占有資源清單等。

為了簡化問題，本系統(tǒng)按一定的原則編制每一個任務程序，使得每一個任務程序都在規(guī)定的時間內執(zhí)行完畢，即每一個任務程序在執(zhí)行完后才交還CPU的使用權，因此，在本系統(tǒng)所設計的MROS中，就只使用PCB中的“進程當前狀態(tài)”這一個概念。

（3） “tick”信號

“tick”信號是MROS在運行過程中需要的基本的、最小的定時單位。在圖1所示的系統(tǒng)中，“tick”由PC-6313板卡的定時/計數器8253產生。當系統(tǒng)初始化時，使PC-6313 1#板卡8253的 T2 OUT2每1 ms輸出1個脈沖，把這個脈沖信號作為中斷請求信號加在IRQ3上，每1次中斷即產生1個“tick”，在IRQ3的中斷服務程序進行與時間相關的操作。

2.3 多任務實時調度系統(tǒng)的設計原則

在單CPU系統(tǒng)中，不可能有真正意義上的并行操作，所有任務只能遵循調度策略，串行地占用CPU，即：宏觀上在同一時段內多個程序的同時執(zhí)行，而微觀上則是多個任務的交替執(zhí)行。整個測控系統(tǒng)必須遵循的設計原則如下：

（1）快速的任務調度和切換。調度程序本身必須是低開銷，本系統(tǒng)編寫的實時調度程序，占用CPU的執(zhí)行時間小于1μs。調度所需的“tick”是通過定時器/計數器模板上的8253產生的，可以根據需求確定調度精度，從幾百微秒到若干毫秒。

（2）在設計測控電路和編制各個實時任務程序時，應注意任何任務都不能加重CPU的負擔，它只能在接收控制信號和調節(jié)命令后，就脫離CPU的“關注”而獨立運行，直到新的控制信號和調節(jié)命令到來后又在新的條件下“獨立”運行。

2.4 多任務實時調度的過程分析

圖2是任務調度的過程示意圖。

圖2任務調度說明如下：

（1） 實時時鐘在0點、4點、8點、12點、16點和20點時，分別把task_0（ ）、task_4（ ）、task_8（ ）、task_12（ ）、task_16（ ）和task_20（ ）推入就緒隊列。

（2） 實時時鐘每隔5 ms、500 ms、2 s,分別把task_s（ ）、stepping（ ）、getad（ ）推入就緒隊列。

（3） a鍵、s鍵、b鍵、q鍵，分別把mnxs（ ）、kgxs（ ）、stepmoter（ ）、quit（ ）推入就緒隊列。

（4） m鍵把允許標志pmotorf1置1，在motor（ ）任務執(zhí)行過程中，如果發(fā)現pmotorf1=1，就把pmotor（ ）推入隊列。

（5） t鍵和d鍵均把subd1（ ）推入就緒隊列。在subd1（ ）的執(zhí)行過程中，如果發(fā)現是t鍵，則把kg（ ）推入就緒隊列；如果發(fā)現是d鍵，則把tad（ ）推入就緒隊列。

（6） kg（ ）、tad（ ）、mnxs（ ）、kgxs（ ）在各自運行過程中，又把自己推入就緒隊列，CPU不斷對它們提供運行機會，在沒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機運行曲線，每250 ms運行motor（ ）時，pmotor（ ）都可以被設置為就緒狀態(tài)。pmotor（ ）每運行1次，就在屏幕上顯示1次直流電動機的當前速度值。

（7） 下位機串行口中斷一直處于開放狀態(tài)，若主機要求和該下位機通信，則把slaver（ ）推入就緒狀態(tài)。Slaver（ ）運行時，將指定的數據傳送給上位機。由于采用智能通信模塊，下位機只需把指定的數據傳送給智能通信模塊即可，其后，由通信模塊將數據傳送給主機。串行通信的速度很快，可滿足系統(tǒng)實時性的要求。

3 下位機軟件系統(tǒng)設計流程

下位機軟件系統(tǒng)結構示意圖如圖3所示。軟件系統(tǒng)由三大塊子系統(tǒng)構成：圖3（a）為初始化及任務調度，是系統(tǒng)的管理層負責任務調度；圖3（b）為任務程序集合，它們在管理層的調度下實現各種功能；圖3（c）為中斷服務程序，是簡化MROS的組成部分。可以據此畫出更詳細的軟件系統(tǒng)流程圖并編寫相應的程序。

結論

本文對目前高校測控實驗儀功能單一，對測控系統(tǒng)的可靠性、實時性等不能很好地模擬等問題，研究和設計了一套配電測控模擬實驗臺，由上下位機系統(tǒng)構成。下位機以工控機為核心，配裝簡化的多任務實時操作系統(tǒng)，能夠對16路開關量、64路模擬量及多個鍵盤任務進行實時檢測和控制，并能夠和上位機進行定時通信，將收集數據及時傳送給上位機，進行匯總、分析和報表打印等。重點分析了下位機的實時多任務之間的關系，調度過程原理及簡化的多任務實時操作系統(tǒng)的設計。