基于μC/OS-II的数字化UPS设计与实现方案

摘 要： 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。

4 数字化UPS任务设计及调度

控制软件主程序流程图如图3 所示。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，由μC/OS-II实时内核进行调度，实现多任务并行执行。

图 3 主程序流程图

(1)数字化UPS 任务设计：如表1 所示，采用层次化、模块化的设计思想，根据各个任务的重要性和实时性，把用户程序分成9 个不同优先级的任务，包括数据采集及PWM 波计算、锁相同步、通信处理、系统参数计算、系统状态检测及处理、键盘扫描、键盘处理、液晶显示、空闲任务。任务越重要，实时性越强，任务优先级越高。空闲任务不执行任何功能，一直处于就绪状态，只有其他任务空闲时才执行。

表1 数字化UPS任务功能及其描述

(2) μC/OS-II 任务调度：完成任务在运行态、就绪态、挂起态、休眠态以及中断态之间的转换，是实时多任务操作系统运作的核心功能，流程如图4所示。μC/OS-II 的任务调度是基于优先级的抢占式调度算法，系统共有9个任务和3个中断。系统在任务控制块(OS_TCB)中分配一个字(OSTCBPrio)来表示每个任务的优先级，数值越小优先级越高。当发生任务调度时，系统通过任务就绪表查找到优先级最高的任务后，调用函数OS_TASK_SW()完成任务切换。

(3) 数字化UPS 中断：设计3 个硬件中断，一个是AD 采样中断，优先级最高，采用自适应频率方式每周期采样32 个点;另一个是系统时钟节拍中断，优先级次之，每10ms中断一次作为系统时钟;最后是通信中断，优先级低，当接收到外部数据时，便发生中断并对接收的数据进行处理。

(4)任务间通信与同步：采用访问共享数据资源的方式实现多任务间的通信，采用信号量进行任务间的同步。为实现任务间的同步，本软件系统建立了3个信号量：

数据计算信号量OSPWMCntSem,用于任务1和数据采集PWM 波计算子程序通信。每完成一次中断采样便发出这个信号量，告诉任务1对 采集数据和PWM波进行计算处理。

图4 任务调度流程图。

通信信号量OSComSem,用于任务3 和通信中断子程序进行通信。一旦接收到上位机发过来的信号，中断子程序就发出这个信号量，告诉任务4对接收数据进行处理。

键盘信号量OSKeySem,用于任务6 和任务7 通信，一旦扫描到有键按下则发出该信号量告诉任务7做键盘处理。

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