三、智能電器監(jiān)控單元設計

1、第五章第五章 智能電器監(jiān)控單元的設計智能電器監(jiān)控單元的設計本章主要內容和要求：本章主要內容和要求：l了解智能監(jiān)控單元硬件總體結構和功能了解智能監(jiān)控單元硬件總體結構和功能l介紹監(jiān)控單元中各模塊的設計原理介紹監(jiān)控單元中各模塊的設計原理l任務調度系統(tǒng)的設計思想和基本方法任務調度系統(tǒng)的設計思想和基本方法l實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存放格式實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存放格式5.1 5.1 智能監(jiān)控單元的功能及結構組成智能監(jiān)控單元的功能及結構組成一、基本功能一、基本功能ZW1ZW1系列智能型萬能式斷路器系列智能型萬能式斷路器輸入輸出接線端子輸入輸出接線端子機械或機電動作機構機械或機電動作機構智能監(jiān)控單元智能監(jiān)控單元智

2、能監(jiān)控單元主要功能是：智能監(jiān)控單元主要功能是：監(jiān)控和保護監(jiān)控和保護具體地：具體地：1、測量和計量功能、測量和計量功能替代傳統(tǒng)測量儀表，檢測線替代傳統(tǒng)測量儀表，檢測線路的電流、電壓、功率等路的電流、電壓、功率等2、保護功能、保護功能電參量保護電參量保護非電參量保護非電參量保護電流保護電流保護電壓保護電壓保護過載、短路過載、短路延時、差動延時、差動過壓、欠壓過壓、欠壓失壓、反相序失壓、反相序溫升、絕緣、環(huán)溫升、絕緣、環(huán)境溫度、濕度境溫度、濕度3、監(jiān)控功能（、監(jiān)控功能（P106）漏電斷路器的工作原理漏電斷路器的工作原理4、通信功能、通信功能5、人機交互功能、人機交互功能6、故障錄波功能、故障錄波功能

3、無紙記錄儀無紙記錄儀智能儀表智能儀表二、智能監(jiān)控單元硬件功能模塊的劃分二、智能監(jiān)控單元硬件功能模塊的劃分輸入、中央控制、開關量輸出、通信、人機交互五個模塊輸入、中央控制、開關量輸出、通信、人機交互五個模塊三、中央控制模塊的一般結構和設計方法三、中央控制模塊的一般結構和設計方法1、中央控制模塊結構設計步驟、中央控制模塊結構設計步驟（1）監(jiān)控單元功能可分為三類：）監(jiān)控單元功能可分為三類：只完成邏輯和開關量只完成邏輯和開關量只完成三分之一的保護和操作功能只完成三分之一的保護和操作功能全部監(jiān)控和保護功能全部監(jiān)控和保護功能（2）根據(jù)監(jiān)控和保護功能確定模塊的配置）根據(jù)監(jiān)控和保護功能確定模塊的配置（3）確定

4、模塊的電路結構）確定模塊的電路結構 主要是處理器性能：主要是處理器性能：速度，速度，CPU位數(shù)，寄存器容量，位數(shù)，寄存器容量，ROM、RAM容量，中斷能力，總線驅動能力等。容量，中斷能力，總線驅動能力等。四種電路結構（四種電路結構（P110P110）單處理器多芯片結構單處理器多芯片結構單處理器單芯片結構單處理器單芯片結構單處理器雙芯片結構單處理器雙芯片結構多處理器結構多處理器結構2、中央控制模塊常用處理器和外圍集成電路芯片、中央控制模塊常用處理器和外圍集成電路芯片51、AVR、PIC、ARM等等四、開關量輸出模塊的結構組成四、開關量輸出模塊的結構組成(P120)驅動驅動繼繼電電器器板板中央中央

5、控制控制模塊模塊輸出輸出驅動驅動固態(tài)繼固態(tài)繼電器板電器板中央中央控制控制模塊模塊輸出輸出光耦光耦輸出輸出J中央中央控制控制模塊模塊輸出輸出光耦光耦中央中央控制控制模塊模塊輸出輸出RL交流固態(tài)繼電器原理圖五、通信模塊基本設計要求和設計原則五、通信模塊基本設計要求和設計原則 在第在第7章介紹章介紹六、人機交互模塊的設計六、人機交互模塊的設計1、智能電器人機交互的特點、智能電器人機交互的特點（1）專用）專用（2）小型廉價）小型廉價（3）標準接口）標準接口人機交互模塊包括：輸入（鍵盤）和輸出（顯示器）人機交互模塊包括：輸入（鍵盤）和輸出（顯示器）MOV P1, #0FFHLOOP：MOV A, P1C

6、PL AJZ LOOPJB ACC.0, K0SJMP LOOP K0: K1:CPU鍵盤掃描算法鍵盤掃描算法識別按鍵的方法行掃描法線反轉法行線x2x1x0y0y1y2y3列線0489512376AB10K*4+5V行 碼 列 碼0鍵：1 1 0 1 1 1 0 1鍵：1 1 0 1 1 0 1 2鍵：1 1 0 1 0 1 1 3鍵：1 1 0 0 1 1 1 4鍵：1 0 1 1 1 1 0 5鍵：1 0 1 1 1 0 1 A鍵：0 1 1 1 0 1 1 線反轉法線反轉法并并 行行 接接 口口11010000+5V+5V并并 行行 接接 口口11011011+5V+5V程序設計程序設計

7、 DISPLAY: MOV R0, #79H MOV R3, #20HMOVA, R3DISP0: MOVDPTR, #4000HMOVX DPTR, AMOVDPTR, #0000HMOVA, R0ADDA, #0EHMOVC A, A+PCMOVX DPTR, AACALLDLYINCR0MOVA, R3JB ACC.0, DISP1 RRAMOVR3, A AJMP DISP0DISP1: RETDSEG: DB C0H, 0F9H, 0A4H, 0B0H, 99H DSEG1:DB 14H, 04H, 0F8H, 80H, 90HDLY:MOVR7, #02HDLY1: MOVR6,

8、#0FFHDLY2: DJNZR6, DLY2DJNZR7, DLY1RET LCD（液晶顯示器）耗電低，體積小，有字段型的，也（液晶顯示器）耗電低，體積小，有字段型的，也有點陣式的。以有點陣式的。以SMG12864A為例介紹為例介紹LCD的使用方法。的使用方法。5.2 5.2 智能監(jiān)控單元的軟件設計智能監(jiān)控單元的軟件設計一、智能監(jiān)控單元軟件設計的基本要求一、智能監(jiān)控單元軟件設計的基本要求二、監(jiān)控器軟件常用的設計模式與適應場合二、監(jiān)控器軟件常用的設計模式與適應場合三、三、RTOS概念及其在監(jiān)控器軟件中的實現(xiàn)概念及其在監(jiān)控器軟件中的實現(xiàn)四、智能監(jiān)控單元軟件的數(shù)據(jù)格式設計四、智能監(jiān)控單元軟件的數(shù)據(jù)

9、格式設計一、智能監(jiān)控單元軟件設計的基本要求（一、智能監(jiān)控單元軟件設計的基本要求（P135）（1）滿足一次開關電器操作的準確性和快速性）滿足一次開關電器操作的準確性和快速性（2）具有與后臺管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的透明度和程序）具有與后臺管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的透明度和程序對用戶的開放性對用戶的開放性（3）良好的人機交互能力）良好的人機交互能力（4）軟件產品的標準化和可移植）軟件產品的標準化和可移植（5）滿足電器智能化網(wǎng)絡運行對其節(jié)點設備的要求）滿足電器智能化網(wǎng)絡運行對其節(jié)點設備的要求（6）保證監(jiān)控器穩(wěn)定、有序并可靠的運行）保證監(jiān)控器穩(wěn)定、有序并可靠的運行二、監(jiān)控器軟件常用的設計模式與適應場合二、監(jiān)控器軟件常

10、用的設計模式與適應場合1、進程式設計模式及其應用（進程式設計模式及其應用（整體上表現(xiàn)為單線程的整體上表現(xiàn)為單線程的循環(huán)結構循環(huán)結構）優(yōu)缺點？優(yōu)缺點？2、模塊化的前后臺操作設計模式及程序結構模塊化的前后臺操作設計模式及程序結構 前臺程序：表現(xiàn)為一個大循環(huán)，內含程序轉移、查前臺程序：表現(xiàn)為一個大循環(huán)，內含程序轉移、查詢、子程序調用等。詢、子程序調用等。后臺程序：包括所有實時性要求較高的程序模塊，后臺程序：包括所有實時性要求較高的程序模塊，通常采用中斷請求方式處理。通常采用中斷請求方式處理。3、嵌入式系統(tǒng)軟件設計模式的應用及程序結構、嵌入式系統(tǒng)軟件設計模式的應用及程序結構應用層應用層基本功能層基本功

11、能層管理調度層管理調度層硬件驅動層硬件驅動層A/D LED I/O 鍵盤鍵盤脈沖脈沖計數(shù)計數(shù)三、三、RTOS概念及其在監(jiān)控器軟件中的實現(xiàn)概念及其在監(jiān)控器軟件中的實現(xiàn) RTOS (real-time tasking operating system)實時多任實時多任務操作系統(tǒng)。務操作系統(tǒng)。 智能電器監(jiān)控器軟件智能電器監(jiān)控器軟件實時性實時性提出的要求。提出的要求。智能電器軟件智能電器軟件設計的困難設計的困難多種功能多種功能計算數(shù)據(jù)量大計算數(shù)據(jù)量大執(zhí)行頻率執(zhí)行頻率實時性不同實時性不同傳統(tǒng)的軟件設計傳統(tǒng)的軟件設計已不能適應，需已不能適應，需用操作系統(tǒng)的進用操作系統(tǒng)的進程管理和調度思程管理和調度思想想每

12、周期采每周期采n個點個點取一點，每點有取一點，每點有大量的數(shù)據(jù)處理大量的數(shù)據(jù)處理和計算和計算1、任務及任務調度的概念、任務及任務調度的概念任務：任務：完成一項工作的程序及其使用的操作數(shù)在處理器中工作的完成一項工作的程序及其使用的操作數(shù)在處理器中工作的過程。在智能電器監(jiān)控器中，實現(xiàn)過程。在智能電器監(jiān)控器中，實現(xiàn)指定功能的模塊指定功能的模塊稱為任務。稱為任務。任務調度任務調度：按照優(yōu)先順序完成任務狀態(tài)的切換按照優(yōu)先順序完成任務狀態(tài)的切換。實時操作系統(tǒng)分為：實時操作系統(tǒng)分為：搶占式任務調度和非搶占式任務調度搶占式任務調度和非搶占式任務調度。2、搶占式任務調度和非搶占式任務調度及其特點、搶占式任務調度

13、和非搶占式任務調度及其特點 搶占式任務調度搶占式任務調度需要切換的任務狀態(tài)有五種：需要切換的任務狀態(tài)有五種：等待態(tài)、就緒態(tài)等待態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、休眠態(tài)、中斷態(tài)、運行態(tài)、休眠態(tài)、中斷態(tài)。就緒就緒休眠休眠等待等待或掛或掛起起運行運行中斷中斷服務服務刪除任務刪除任務中斷中斷中斷結束中斷結束任務調度任務調度任務被占先任務被占先刪除任務刪除任務OSTaskDel()創(chuàng)建任務創(chuàng)建任務OSTaskCreate()休眠休眠：任務駐留在程序空間，還沒有交給：任務駐留在程序空間，還沒有交給uC/OS-II管理管理就緒就緒：任務建立后，進入就緒狀態(tài)：任務建立后，進入就緒狀態(tài)等待消息等待消息掛起掛起OSTimeDl

14、y()OSSemPend()OSMboxPend()OSQPend()等待或掛起：等待或掛起：等待某一事件發(fā)生，或等待延時等待某一事件發(fā)生，或等待延時刪除任務刪除任務收到消息收到消息掛起時間到掛起時間到OSTimeTick()刪除任務刪除任務非搶占式任務調度非搶占式任務調度進程的三個基本狀態(tài)及轉換 執(zhí)行執(zhí)行完成完成提交進入提交進入資源不足資源不足得到資源得到資源時間片到時間片到調度選中進入調度選中進入就緒就緒等待等待1、任務的劃分、任務的劃分 P141三類：三類：第一類：第一類：有嚴格有嚴格的時間起點和終點，有執(zhí)行周期和任務周期。的時間起點和終點，有執(zhí)行周期和任務周期。第二類：第二類：沒有嚴格

15、的起始點，但有嚴格的終止點。沒有嚴格的起始點，但有嚴格的終止點。第三類：第三類：除上述二類以外的所有任務。除上述二類以外的所有任務。2、任務的調度、任務的調度采用分層、分級調度的策略：采用分層、分級調度的策略：分層：上述三類任務按分層：上述三類任務按1、2、3類優(yōu)先順序排列。類優(yōu)先順序排列。分級：同類任務按其重要性來安排優(yōu)先級。分級：同類任務按其重要性來安排優(yōu)先級。任務調度時：任務調度時： 時間片輪轉與中斷相結合策略時間片輪轉與中斷相結合策略3、任務的管理與協(xié)調、任務的管理與協(xié)調 P142一般都把第一般都把第I類任務分配到各采樣周期，每個周期執(zhí)行一個第類任務分配到各采樣周期，每個周期執(zhí)行一個第

16、I類任務，其余時間分配給外部任務。其他通過中斷觸發(fā)的內類任務，其余時間分配給外部任務。其他通過中斷觸發(fā)的內部任務則通過中斷套嵌的方式，插入采樣任務外的其他各任部任務則通過中斷套嵌的方式，插入采樣任務外的其他各任務的執(zhí)行周期中執(zhí)行。務的執(zhí)行周期中執(zhí)行。4、任務調度方法和執(zhí)行過程（、任務調度方法和執(zhí)行過程（P143）采樣采樣設置第一類任務標志，設置第一類任務標志，觸發(fā)任務調度觸發(fā)任務調度進入判斷進入判斷有執(zhí)行有執(zhí)行否則啟動外部任務否則啟動外部任務例題：假定在單CPU條件下有下列要執(zhí)行的任務：任務運行時間優(yōu)先級1103211323414552 任務到來的時間是按任務編號順序進行的（即后面任務依次比前

17、一個任務遲到一個時間單位）。鏈到就緒隊列的末尾；然后，把CPU分給就緒隊列的首進程。（1）用一個執(zhí)行時間圖描述在下列算法時各自執(zhí)行這些任務的情況：RR（時間片1）和非搶占式優(yōu)先級（數(shù)大的優(yōu)先級數(shù)大的優(yōu)先級高高 ）。（2）對于上述每種算法，各個任務的周轉時間是多少？平均周轉時間是多少？（3）對于上述每種算法，各個任務的帶權周轉時間是多少？平均帶權周轉時間是多少？分析：RR算法：系統(tǒng)把所有就緒進程按先入先出的原則排成一個隊列。新來的進程加到就緒隊列末尾。每當執(zhí)行進程調度時，進程調度程序總是選出就緒隊列的對首進程，讓它在CPU上運行一個時間片的時間。當進程用完分給它的時間片后，調度程序便停止該進程的

18、運行，并把它放入就緒隊列的末尾。(時間片結束后時間片結束后比較優(yōu)先級，數(shù)大的先運行比較優(yōu)先級，數(shù)大的先運行) RR： 作業(yè) 1 2 1 3 4 1 5 3 1 5 1 5 1 5 1 5 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 t 非搶占式優(yōu)先級： 作業(yè)1 作業(yè)4 作業(yè)3 作業(yè)5 作業(yè)2 0 10 11 13 18 19 tRR: 作業(yè)到達時間運行時間完成時間周轉時間帶權周轉時間=周轉時間/運行時間101019191.9211211.0322863.0431522.054516122.4平均周轉時間8.0平均帶權周轉時間2.06非搶占式優(yōu)先級:作業(yè)到達時間運行時間完成時間周轉時間帶權周轉時間101010101.0211191818.032213115.54311188.054518142.8平均周轉時間12.2平均帶權周轉時間7.06四、智能監(jiān)控單元軟件的數(shù)據(jù)格式設計四、智能監(jiān)控單元軟件的數(shù)據(jù)格式設計1、實時數(shù)據(jù)的存放、實時數(shù)據(jù)的存放實時數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場的各種被測模擬參量采樣值及其處理結果。實時數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場的各種被測模擬參量采樣值及其處理結果。（1）計算用交流采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）計算用交流采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)1 1次采樣值次采樣值2 2次采樣值次采樣值1212次采樣值次采樣值