CN101599663A - 一种智能控制器的实时控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能控制器软件实时控制系统，更涉及一种固定循环周期前后台实时控制系统。本发明的智能控制器的实时控制系统，包括：任务分开的前台事件处理和后台任务处理，后台任务处理不负责AD采样处理，只负责计算、保护、脱扣执行以及键盘显示等任务处理，前台事件处理负责定时中断、AD采样中断、通讯中断的异步事件处理，并且保证后台任务处理的循环周期等于电网周期。所述的后台任务处理是一种多任务执行控制方法，保证重要任务周期性进行、突发任务优先进行以及次要任务空闲进行等；针对长周期任务进行单任务分批多周期执行控制方法。本发明的实时控制系统相对已有技术更具优势，是一种控制精度高、控制信息不易丢失的实时控制系统。

Description

一种智能控制器的实时控制系统

技术领域

本发明涉及一种智能控制器软件实时控制系统，更涉及一种固定循环周期前后台实时控制系统，尤其适用于万能型空气断路器(ACB)的控制器。

背景技术

在万能型空气断路器(ACB)的应用中，其智能控制器的软件控制系统极其复杂。其软件设计框图如图1所示，一般包括电流电压采样、电网参数计算、保护判断、动作脱扣、调整旋钮输入、键盘显示、通讯模块、故障报警记录、时钟模块等。

智能控制器是ACB智能断路器的核心控制部件，其软件控制系统设计的优劣关系到ACB智能断路器工作的稳定性和可靠性，更关系到其过电流保护特别是瞬时短路故障保护分闸动作的及时性，要求其实时监测电网电流信息并计算判断迅速脱扣。

目前，智能控制器软件设计大都采用简单的前后台软件设计方法，其软件程序流程图如图2所示，前台事件主要为通讯中断、AD采样中断、定时中断等异步事件，后台任务主要处理AD采样、电网参数计算、保护判断、动作脱扣、通讯处理等任务，整个系统是一个无限超循环系统。这种简单的前后台控制系统最大的优点是设计简单、流程容易控制；但其任务执行是由一个完整的电网周期AD信号采样和其它保护脱扣等任务组成，循环周期将大于电网周期，在执行保护脱扣等其它任务时未能进行AD信号采样，造成电网信息丢失、保护滞后等现象发生；并且由于前台中断事件(通讯等)发生，其循环周期可能不一致，从而其保护时间一致性较差，很难精准控制时间。

智能控制器软件设计的另一种方法是论文《一种低压框架式断路器的智能脱扣器的研制》中提到的实时操作系统RTOS，运用实时多任务原理对各个功能模块实行任务调度。该方法可以较好保证保护的实时性，不会造成电网信息的丢失，并且程序模块化好、阅读性好，也便于后期维护修改。但该方法设计复杂，存储器占用空间太大，一个电网周期只采集12点信号，保护精度可能过低；每周期都必须对任务调度12次，花费大量的时间在任务堆栈保护和数据存储上，增加了CPU的工作负荷；并且在一个AD中断服务程序中又处理大量的保护和计算任务，可能会占用大量的CPU时间，将导致其它前台异步事件如高速通讯事件的丢失。

综上所述，简单的前后台设计方法其循环周期大于电网周期，导致电网信息丢失，保护滞后等现象；而采用实时操作系统RTOS其设计复杂，很难在保护精度(AD采样点足够多)和调度算法浪费时间上达到一个平衡。

发明内容

本发明专利针对以上不足，通过采用改进的前后台设计方法，既保证后台任务循环周期等于电网周期，不会造成电网信息丢失，也确保了足够多的AD信号采样，保护精度得到提高。

本发明专利是通过以下技术方案来实现的：

基本原理是包括：任务分开的前台事件处理和后台任务处理，后台任务处理不负责AD采样处理，只负责计算、保护、脱扣执行以及键盘显示等任务处理，前台事件处理负责定时中断、AD采样中断、通讯中断等异步事件处理，并且保证后台任务处理的循环周期等于电网周期。

进一步的，所述循环周期采用分解为多个“时间片”累加实现，并采用定时器对“时间片”进行定时计数。通过把固定的电网频率周期分解成若干个固定周期的“时间片”(40个、500μS)，并采用定时器对“时间片”进行定时计数。系统在每个“时间片”定时终点都将打断后台任务启动AD采样，并重新计时恢复至后台被中断点继续运行；紧接着，AD采样完成也将进入中断存储AD转换数据，处理完毕后恢复后台任务；后台保护任务执行期间始终都将定期被前台“时间片”定时和AD采样中断所打断，前后台行为在整个循环周期一直交叉进行。

进一步的，后台多任务执行控制方法是根据后台任务的重要性分别区分为重要任务、突发任务以及空闲任务；重要任务为电流电压计算、保护判断、脱扣执行等；突发任务为通讯处理等；空闲任务为LCD显示、1S处理等；每循环周期，重要任务必须被执行；而当有前台通讯中断事件时其对应的突发通讯处理会被操作；一般性的空闲任务，会被安排在空闲的时候进行。突发任务和空闲任务其实时性要求不高，不要求在一个循环周期内完成，并且其任务执行的时间较长，可采用单任务分批多周期执行控制方法来执行。

进一步的，所述的单任务分批多周期执行控制方法是指突发任务或空闲任务其执行时间较长，无法在一个循环周期内完成，根据其执行时间分解成若干部分，每循环周期只完成一小部分，实现分批多周期完成；例如，LCD显示可分成显示数组生成、LCD擦除、LCD显示等三个子任务，每个周期只执行一个子任务，这样就可以保证在一个循环周期不会溢出电网周期。

进一步的，所述的前台异步事件包括500μS时间片定时中断、AD采样完成中断以及通讯接收发送中断等，为保证各个前台行为不会互相冲突，要求其前台中断事件服务子程序必须快速执行，从而避免了某个前台中断事件过多占用CPU时间而导致其它前台中断事件的丢失，同时也保证了后台任务处理的及时性。

本发明的技术方案不仅解决了已有的简单的前后台设计方法其循环周期大于电网周期，导致电网信息丢失，保护滞后等现象，而且也解决了实时操作系统RTOS其设计复杂，很难在保护精度(AD采样点足够多)和调度算法浪费时间上达到一个平衡的不足。因此，本发明的技术方案更具优势，是一种控制精度高、控制信息不易丢失的实时控制系统，特别适用于ACB智能控制器，而且也适用于电子式塑壳断路器、MCC电动机控制保护器等采用MCU微控制器软件控制、保护实时性较高的场合。

附图说明

图1是ACB智能控制器功能结构图；

图2是已有的简单的前后台控制系统流程图；

图3是本发明的实时控制系统流程图；

图4是本发明的实时控制系统单周期时序图；

图5是本发明的实时控制系统多周期时序图；

图6是本发明的实时控制系统的单任务分批多次执行流程图；

图7是本发明的实时控制系统的前台中断任务流程图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图3所示，本发明的实时控制系统的控制方式流程图，包括任务分开的前台事件处理2和后台任务处理1。所述的后台任务处理1包括：AD采样值计算11、电网参数计算12、保护判断13、脱扣执行14、LCD显示15等。所述的前台事件处理2中的异步事件包括：500μS时间片定时中断21、AD采样中断22、通讯中断23等；前台事件处理2的一个循环周期等于电网周期，时间片定时中断21每500μS定时中断一次用于时间定时计数并启动AD采样，一个循环周期将定时中断40次并AD采样40点，足以保证保护计算的准确性。其具体的CPU执行时序图为如图4所示单周期时序图，该时序图进一步详细说明了前后台各个任务执行的顺序，从中也说明了前后台任务是相互交叉进行的(后台任务被前台定时、AD采样中断所打断)。

如图3所述的实时控制系统的控制方式流程图中，后台任务处理1是多任务处理，并根据任务的重要性分别区分为重要任务、突发任务以及空闲任务；重要任务为AD采样值计算11、电网参数计算12、保护判断13、脱扣执行14、键盘扫描处理17、旋钮扫描处理16等；突发任务为通讯处理18等；空闲任务为LCD显示15、1秒处理19等。每循环周期，重要任务必须被执行以保证过电流保护的实时性；而当有前台事件处理2产生前台通讯中断事件时，根据其事件标志位进行处理；一般性的空闲任务，如LCD显示15、1秒处理19，会被安排在空闲的时候进行。具体的后台任务处理1的多任务执行顺序如图5的多周期时序图所示，该时序图进一步详细说明了后台各种重要性不同的任务执行的周期，从图5中可得知，AD采样值计算11等重要任务的循环周期为一个电网周期20mS，空闲任务1S处理等的循环周期为1S，而突发事件通讯处理18则必须根据通讯接收中断标志位才进行处理，其执行时间点将根据外部通讯事件而定。

突发通讯处理18任务和空闲LCD显示15任务其实时性要求不高，不要求在一个循环周期内完成，并且其任务执行的时间较长(通讯处理最长可达到10mS，LCD显示可达到5mS)，如果全部在一个循环周期内执行，这样所有任务的处理将导致周期时间溢出(包含大于20mS)，因此可采用单任务分批多周期执行控制方法来执行，根据任务执行时间分解成若干部分，每循环周期只完成一小部分，实现分批多周期完成；例如，LCD显示15可分成显示数组生成、LCD擦除、LCD显示等三个子任务，通讯处理18又包含查询帧校验、功能码处理、响应帧回复等，每个周期只执行一个子任务，这样就可以保证各个子任务在一个循环周期内不会造成CPU太多的开销，整个循环周期不会溢出电网周期。另一点，各个子任务执行周期又不要求一定相继完成，之间可以有间隔周期，依循环周期任务的繁忙程度而定，这就给程序设计带来很大的灵活性。参阅图6所示的单任务分批多次执行时序图，其给出了LCD显示15多次分批执行的一个例子，显示数组生成151、LCD擦除152、LCD显示输出153等三个子任务分别在三个不同的循环周期内执行。

为了保证一个循环周期等于电网周期，还有一个重要的关键点是前台事件处理2中的异步事件，包括：500μS时间片定时中断21、AD采样完成中断22以及通讯接收发送中断等23的处理。其中断服务子程序处理的事情必须尽量少，占用的时间开销短。这样，一方面可以保证各个前台行为不会互相冲突，避免某个前台中断事件过多占用CPU时间而导致其它前台中断事件的丢失；另一方面，在同一个循环周期时间内，前台事件处理2时间少，相对的后台任务处理1的时间就多，也就能够保证后台任务处理1中重要任务(如：电网参数计算12、保护判断13、脱扣执行14等)处理的及时性，整个循环周期都能够控制在电网周期以内。

参阅图7所述的前台中断任务流程图，图中描述了各个前台的异步事件处理的流程图，各个前台中断服务子程序处理的事情都极少，花费的时间非常少，甚至在10μS以内；比如，通讯中断23服务子程序只进行通讯接收数据的存储，而不进行查询帧校验、功能码处理、响应帧回复等后台行为。

本发明的智能控制器的实时控制系统不仅适用于ACB智能控制器，而且也适用于电子式塑壳断路器、MCC电动机控制保护器等采用MCU微控制器软件控制、保护实时性较高的场合。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种智能控制器的实时控制系统，其特征在于，包括：任务分开的前台事件处理和后台任务处理，后台任务处理不负责AD采样处理，只负责计算、保护、脱扣执行以及键盘显示等任务处理，前台事件处理负责定时中断、AD采样中断、通讯中断的异步事件处理，并且保证后台任务处理的循环周期等于电网周期。

2.根据权利要求1所述的实时控制系统，其特征在于：所述循环周期采用分解为多个“时间片”累加实现，并采用定时器对“时间片”进行定时计数。

3.根据权利要求2所述的实时控制系统，其特征在于：所述的“时间片”的周期为500μS，数量为40个。

4.根据权利要求1所述的实时控制系统，其特征在于：所述的后台任务处理是多任务执行控制方法，并按处理事件的重要性分别区分为重要任务、突发任务以及空闲任务，每循环周期，重要任务必须被执行，而当有前台中断事件发生时其对应的突发任务会被操作，一般性的空闲任务会被安排在空闲的时候进行。

5.根据权利要求4所述的实时控制系统，其特征在于：所述的重要任务为电流电压计算、保护判断、脱扣执行等；所述的突发任务为通讯处理等；所述的空闲任务为LCD显示、1S处理等。

6.根据权利要求4或5所述的实时控制系统，其特征在于：所述的突发任务和空闲任务可采用单任务分批多周期执行控制方法来执行。

7.根据权利要求6所述的实时控制系统，其特征在于：所述的单任务分批多周期执行控制方法是指突发任务或空闲任务其执行时间较长，无法在一个循环周期内完成，根据其执行时间分解成若干部分，每循环周期只完成一小部分，实现分批多周期完成，保证在一个循环周期不会溢出电网周期。

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