一种基于实时操作系统μC/OS-II的嵌入式UPS系统控制方案

　　针对数字化UPS,给出了系统总体设计框图，为提高系统控制程序的实时性，提出一种基于实时操作系统μC/OS-II的嵌入式UPS 系统控制方案。通过对UPS控制系统结构与功能的分析，实现了μC/OS-II在TMS320LF2407A上的移植，对UPS系统控制项目以任务的形式进行设计并实现调度，给出了部分参数设定和主程序清单。实验结果证明，本文的设计有效的增强了系统控制软件的模块性、实时性，提高了系统运行的可靠性与稳定性。

　　1 引言

　　随着信息技术的发展，不间断应急电源（UPS）向着数字化、智能化、网络化、大容量多机冗余化和绿色化的方向发展。高性能专用DSP芯片为UPS的数字化提供了良好的硬件基础，而嵌入式实时软件操作系统是数字化产品的核心。

　　针对数字化UPS,本文给出了一种基于实时多任务操作系统μC/OS-II 的系统控制设计。设计采用μC/OS-II为内核，实现其在TMS320LF2407A上的移植，通过对UPS控制系统结构与功能的分析，各部分控制功能划分为不同优先级的任务来调度实现，给出了部分参数设定和主程序清单。实践证明，基于μC/OS-II 的数字化UPS 系统提高了控制系统的实时性以及系统运行的可靠性及稳定性。

　　2 数字化UPS控制系统结构

　　TMS320LF2407A 是TI 推出的专门针对工业控制领域的16 位高性能微控制器，其运算速度高、片内资源丰富，能够很好的满足数字化UPS电源控制系统功能的需要。数字化UPS 系统总体设计框图如图1 所示，虚线框内为主控制模块，按功能划分为A/D转换、PWM（Pulse Wide Modulate）逆变控制、锁相控制、保护控制、键盘及液晶显示、通信接口、实时时钟等功能模块。

图 1 数字化UPS系统总体框图

　　（1）A/D转换：完成对市电输入的交流电压、电流信号、逆变输出的交流电压、电流信号、电池电压和电流信号的采样，是系统数字化控制实现以及UPS远程监控功能的基础。根据LF2407A A/D转换电平要求，被采样信号必须通过信号检测模块变换为0~3V直流电平。为提高系统性能，对输入/输出电压、电流进行瞬时值采样，采样频率为10kHz.

　　（2） PWM 逆变控制：PWM 逆变控制算法是UPS系统控制的核心算法，它决定了UPS系统输出性能。

　　逆变算法利用LF2407A 强大的数值运算性能以及高速计算能力实时在线计算出PWM信号脉宽，然后由A事件管理模块（EVA）的全比较单元输出4 路带死区控制的PWM 信号（PWM1~4），这4 路PWM 信号经隔离驱动模块驱动逆变器。

　　（3） 锁相控制接口：利用LF2407A的事件捕获端口CAP1 和CAP2,将市电输入和逆变输出经降压及波形变换后送入CAP1 和CAP2,由LF2407A 通过软件锁相环算法实现逆变输出电压与市电电压的同频同相。

　　（4） 通信接口：为实现对UPS 的实时监控功能，主机需对UPS电源的各模拟参量采样数据及表示工作状态的开关量数据进行实时高速采集。利用LF2407A的SCI 异步通讯接口，采用RS-485 物理标准协议，实现UPS与主机的远程通讯，以便对UPS设备状态、各项参数及故障信息进行查询。

　　（5） 键盘操作及液晶显示：提供人机对话平台，用户通过键盘操作可设置运行模式、设备通信地址等信息；液晶显示屏以图文方式显示工作状态和参数信息，提供可视化菜单。

　　（6） 实时时钟：利用串行外设接口SPI 实现与LF2407A控制器的通信，为整个系统提供统一、标准的时钟基准，另外，利用时钟芯片的存储器来存储系统掉电保护参数。　　3 μC/OS-II在LF2407A上的移植

　　μC/OS-II的硬件和软件体系结构如图2所示。

图2 μC/OS-II的硬件和软件体系结构图

　　要使μC/OS-II正常运行，LF2407A满足以下要求：处理器的C编译器能产生可重入代码，支持可扩展和可链接汇编语言模块；用C语言就可打开和关闭中断；处理器支持中断，并能产生定时中断；处理器有将堆栈指针以及其他CPU寄存器的内容读出、并存储到堆栈或内存中去的指令。

　　由于μC/OS-II 是源码公开的操作系统，且其结构化设计便于把与处理器相关的部分分离出来，因此μC/OS-II在LF2407A处理器上移植的主要工作是修改与处理器相关部分的代码。由图2 可以看出，它们主要集中在三个文件中：头文件OS_CPU.H、C 文件OS_CPU_C.C、汇编文件OS_CPU_A.ASM.

　　（1） 修改OS_CPU.H:其中包含两部分的代码，数据类型定义代码和与处理器相关的代码。LF2407A的堆栈数据类型定义为：typedef unsigned intOS_STK;所有的堆栈用OS_STK 声明，地址由高向低递减，OS_STK_GROWTH设置为1.

OS_CPU.H 剩下部分是移植必须定义底层函数的声明，为使低层接口函数与处理器状态无关，同时使任务调用相应的函数不需知道函数位置，采用软中断指令SWI作为底层接口，使用不同的功能号