摘 要： 針對目前高校測控實驗儀功能單一，對測控系統的可靠性、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，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的設計。
關鍵詞： 配電測控實驗臺； 下位機系統； 多任務實時操作系統
目前，配電網絡自動化和工業測控技術發展迅速，對系統的實時性、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展。針對高校測控專業實際需求，研究和設計了一套分布式IPC(Industrial Personal Computer)工業配電測控系統，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(如電壓、電流、功率因素、有功功率、無功功率等)、開關量(如各出線開關分合閘狀態、補償電容器的狀態等)進行檢測和控制。上位機可以發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進行監控和宏觀調度[1]。多任務調度管理是系統設計的重點和難點，本文將重點敘述其調度管理過程[2]。
1 下位機系統功能概述
下位機主要模擬配電測控系統運行，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控制環節：直流電動機子系統的控制和模擬的溫度測控子系統(即步進電機控制系統)。因此，下位機是一個較為復雜的測控子系統，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工業控制計算機，配裝了2塊PC-6313多功能模入/模出板卡[3]。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行機構即可完成所有的功能，下位機系統框圖如圖1所示。IPC-610底板可擴展性強，有近20個ISA插槽和PCI插槽，可隨時方便系統的升級。
工業測控系統最重要的是穩定性，DOS系統比Windows系統穩定性強且占用內存小,非常適應工業系統需要。為此，本系統采用DOS操作系統，編程語言采用C語言。下位機模擬的是配電測控系統運行，有多道任務程序，同時要求運行速度快、穩定性強，是一個復雜的多任務實時系統。多任務實時調度過程的分析和設計是下位機系統運行的關鍵。
2 下位機系統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,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MROS,構成了一個多任務實時測控系統[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顯示。
Stepmotor( )：步進電動機升降速全過程控制，動態繪制升降速全過程。
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的數據上傳給上位機進行顯示。
Subtime( )：北京時間動態顯示。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集成開發環境。
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(例如對板卡的占用),多個任務可能要求占用同一外設(例如對CRT、打印機的占用);各任務之間存在橫向聯系;多個任務在宏觀上的并發操作;多任務實時操作系統MROS的主要功能就是協調以上各種關系，有效地管理分配各種資源[4]。
可以把MROS形象地比喻成一條“軟件總線”，各個任務程序“掛”在上面，形成一個“管控一體化運行軟件”。
2.2 多任務實時操作系統的簡化
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[5]，占用內存空間較大，CPU的運行速度較慢。下位機測控系統具有如下特點：
(1)對各量的監測和控制，實際上是周期性地重復執行各任務程序。
(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)監測對象固定，主機和外設規模也是固定不變的。
對于這樣一個系統，若采用標準的MROS，將占用較多內存空間和CPU的運行時間，降低系統資源的利用率和系統的實時性。因此,本系統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。
按照任務的優先級是否可以動態地改變，調度算法可以分為：靜態調度和動態調度。
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，可采用靜態調度方式設計圖1所示的IPC系統。但某些任務的優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、進程隊列指針、程序開始地址、進程優先級、CPU現場保護區、通信信息、家族聯系、占有資源清單等。系統將根據PCB感知進程的存在，PCB是進程存在的唯一標志。
為了簡化問題，本系統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定的時間內(1 ?滋s到幾十微秒)執行完畢，即每一個任務程序在執行完后才交還CPU的使用權，因此，在本系統所設計的MROS中，就只使用PCB中的“進程當前狀態”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所示的系統中，“tick”由PC-6313板卡的定時/計數器8253產生。當系統初始化時，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的設計原則
在單CPU系統中，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行，而微觀上則是多個任務的交替執行。整個測控系統必須遵循的設計原則如下[6]：
(1)快速的任務調度和切換。調度程序本身必須是低開銷，本系統編寫的實時調度程序，占用CPU的執行時間小于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( )任務執行過程中，如果發現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( )的執行過程中，如果發現是t鍵，則把kg( )推入就緒隊列；如果發現是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。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，若主機要求和該下位機通信,則把slaver( )推入就緒狀態。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，可滿足系統實時性的要求。
3 下位機軟件系統設計流程
下位機軟件系統結構示意圖如圖3所示。軟件系統由三大塊子系統構成：圖3(a)為初始化及任務調度，是系統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流程圖并編寫相應的程序。
本文介紹了一種分布式IPC配電測控實驗系統的多任務實時調度系統的設計，說明了在單CPU系統中，多任務實時調度系統的設計原則，并據此設計了一個簡化的MROS，能夠完成標準MROS的核心功能，即CPU管理、外設管理和中斷管理。下位機系統在該簡化的MROS調度管理下，可以很好地完成各項任務，系統運行穩定，調度精度可達毫秒級。實驗系統較好地模擬了配電測控系統的調度、運行和管理過程，融合了工控機、總線、接口技術、通信技術、控制技術等多方面的知識，可以讓學生更具體地了解工控系統的組成，更真實地觸摸工控系統的工作原理。該系統配備相應的測量儀表和傳感器即可構成一個實時性很強的配電測控系統。因此具有一定的理論價值和應用價值。
參考文獻
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[2] 謝輝，陳曾漢.分布式IPC工業測控系統[J].儀表技術與傳感器, 2008,1(1):35-37.
[3] 北京中泰研創科技有限公司[EB/OL].PC-6313多功能模入模出接口卡技術說明書.http://www.ztic.com.cn/
upload/shuoming/Pc6313.doc,2006-06-28.
[4] 周航慈，吳光文.基于嵌入式實時操作系統的程序設計技術[M].北京：國防工業出版社，2006：55-61.
[5] TANENBAUM A S. 操作系統設計與實現[M].陳渝，等譯. 北京：電子工業出版社，2007：167-174.
[6] 王立剛.開放式混合實時系統中的調度方法研究[D]. 中國科學技術大學，2006：85-87.