基于RTOS與DSPs的微機保護裝置

時間：2011-08-16 10:55:35

關鍵字： DSPS RTOS 微機保護裝置 CPU

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[導讀]1　引言　　我國電力系統的微機型保護得到迅速發(fā)展，已在電力系統得到了廣泛應用。從早期的8位機，到現在16/32位機，性能得到了提高，運算能力也大大加強了?！　∥C保護的性能及其可靠性取決于軟、硬件，因此軟件的

1　引言

　　我國電力系統的微機型保護得到迅速發(fā)展，已在電力系統得到了廣泛應用。從早期的8位機，到現在16/32位機，性能得到了提高，運算能力也大大加強了。

　　微機保護的性能及其可靠性取決于軟、硬件，因此軟件的編寫和硬件的選擇是一項關鍵性的工作。我們在編寫軟件時，通常先畫好流程圖，然后按著流程圖來編程，一般是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調用相應的函數(子程序)完成相應的操作(稱為后臺行為或任務級);用中斷來處理隨機事件(稱為前臺行為或中斷級)。程序流程如圖1所示。任務的響應時間取決于后臺循環(huán)執(zhí)行的時間(在不同的狀態(tài)或運行方式下，執(zhí)行時間不同)，程序經過某一點的時間不能確定，程序修改了，循環(huán)時序就受到影響。這種編程方法，使得程序開發(fā)周期長，修改困難，任何一處受到破壞，就會死機。在8位機時代，還不算明顯，隨著16/32位機的使用及系統復雜性的增加，表現的越來越明顯了。這種傳統的前臺/后臺程序開發(fā)機制已不能滿足日益復雜和多樣化的微機保護的應用需求，采用RTOS來開發(fā)微機保護應用程序，現已成為開發(fā)人員的發(fā)展方向。

　　目前運行的微機保護裝置大多數為16位單片機，對于常規(guī)的保護其性能基本能滿足。但16位單片機往往受到運算速度等因素的影響，不易實現更復雜的算法和更高采樣速率。隨著微電子和半導體技術的發(fā)展，DSPs已運用在了眾多領域。由于DSPs的強大數字信號處理能力，越來越受到開發(fā)人員的青睞。

　　2　關于RTOS(Real Time Operating System)實時操作系統

　　實時操作系統是一段在系統啟動后，首先執(zhí)行的背景程序。用戶的應用程序是運行于RTOS之上的各個任務，RTOS根據各個任務的要求，進行資源管理、消息管理、任務調度，異常處理等工作。實時多任務內核是RTOS的關鍵部分，基本功能包括任務管理、定時器管理、存儲管理、資源管理、事件管理、系統管理、消息管理等。RTOS與其它OS相比主要特征是規(guī)模小、可裁剪、微內核。

　　在RTOS機制下開發(fā)多任務程序，CPU的運行時間被劃分為許多小的時間片，RTOS按照某種調度算法分別分配給不同的任務，多個任務分別在自己的時間片內訪問CPU，達到微觀上輪流運行，宏觀上并發(fā)運行的多任務效果。程序流程如圖2所示。

　　任務是單線程序列指令形成的一個無限循環(huán)，它有五種狀態(tài)：休眠、就緒、運行、等待和中斷。實時內核是通過任務控制塊(TCB)來管理任務的。程序調用內核服務創(chuàng)建任務，并在任務中分配一個任務控制塊，進行初始化，使任務進入就緒狀態(tài)。實時內核以事件為基礎，根據任務執(zhí)行的狀態(tài)，對任務進行切換，狀態(tài)也隨之變化。在實時任務中，內存中存在多個任務控制模塊，以及各個任務獨立的私有堆棧。

　　任務進行切換，首先要保存CPU寄存器內容到當前任務的任務控制塊中，然后從新任務的任務控制塊裝載堆棧指針，并將新任務的上下文裝載到CPU寄存器中，這樣就從一個任務切換到另一個任務運行。[!--empirenews.page--]

　　我們將要開發(fā)的系統功能進行分解，構造成幾個不同的任務，每個任務負責完成系統應用要求的一部分功能，并根據其重要性，決定它的優(yōu)先級，它們彼此獨立運行。

　　RTOS的使用，可以提高系統的可靠性。傳統的線性程序，在遇到強烈的干擾時，程序任何一處產生死循環(huán)或破壞，都會引起死機，只有靠硬件(看門狗)，進行復位、重新啟動系統。在這種情況下，對于RTOS管理的系統，只會引起若干個進程中的一個破壞，并可用另外的進程對其進行修復。還可以提高產品的開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期。一個復雜的應用程序，可以分解成若干個任務，每個任務的調試、修改幾乎不影響其它模塊。

　　使用RTOS，使得應用程序的設計、擴展變得容易，不需要大的改動，就可以增加新的功能;且能使系統資源能得到更好的管理。但需增加額外的ROM/RAM的開銷，增加2～5個百分點的CPU額外負荷，以及開發(fā)成本的增加(RTOS的價格)。

　　當今市場上有許多RTOS商家生產面向8位、16位、32位，甚至64位的CPU的RTOS產品。如：VRTX、QNX、VxWorks、Nucleus PLUS、OS—9、PSOSys-tem、LynxOS、WindowsCE及國內的Hopen等。RTOS除包含實時多任務內核外，還包括輸入輸出管理、視窗系統、文件系統、網絡語言接口庫、調試軟件，以及交叉編譯平臺等。RTOS已在各行各業(yè)應用，如：航空、軍事、電力、通信及工業(yè)控制等領域。

　　3　關于DSPs(DiginalSignalProcessors)數字信號處理芯片

　　傳統上，微控制器MCU和微處理器MPU是微機發(fā)展的兩大分支，而DSPs是MCU的一種特殊變

　　形。它是一種具有哈佛結構，精簡指令(RISC)的CPU。

　　DSPs片內有多條地址、數據和控制總線，可進行流水線操作，提高了CPU的處理能力;有硬件乘法器，乘法計算可由一條指令來完成;有專門的指令，進行數據處理;有DMA傳輸通道。其外部硬件部分和MCU相同，由地址、數據和控制三總線組成。在軟件開發(fā)上，能更好地支持模塊化編程。

　　市場上有多種DSPs可供我們選擇。如：TI公司的TMS320系列、ADI公司的ADS系列、MOTOROLA公司的DSP系列等。

　　DSPs的使用，可極大地縮短數據處理的計算時間，不但可以完成數據采集、信號處理功能，還可完成運算、控制等功能。

　　4　RTOS與DSPs在微機保護裝置中的應用

　　我們采用美國ATI公司的Nucleus Plus實時操作系統，DSPs選用美國TI公司的TMS320C32，開發(fā)了一系列的中低壓保護裝置。

　　Nucleus Plus是實時、搶先、多任務的內核。大約95%的Nucleus Plus程序是用ANSIC編寫的，容易移值。我們以Nucleus Plus為開發(fā)平臺，采用C語言和匯編語言混合編程，進行軟件開發(fā)。

　　我們針對保護裝置的實際情況，把整個系統分成保護、自檢、顯示、通信等幾個任務，并把保護任務設置成最高優(yōu)先級。各任務間彼此獨立運行，任務間的通信通過全局數據或發(fā)送消息來實現，任何一個任務出現運行異常，其它任務正常運行。任務程序的結構如下代碼所示：

　　TMS320C32是32位的芯片，可進行浮點數運算。圖3是以TMS320C32為核心構成的微機保護裝置硬件系統原理圖，在這個系統中，TMS320C32完成采樣、計算、保護邏輯判斷及控制等功能。

　　在保護裝置開發(fā)中，通過使用RTOS，可進行并行開發(fā)，縮短了開發(fā)周期;任務間彼此獨立，系統的可靠性得到了提高。DSPs的使用，提高了運算精度和速度?？傊?，保護裝置的整體性能上了一個臺階。