μC_OS-Ⅱ实时操作系统在继电保护装置中的应用.pdf

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1、譬：墨壁皇堡翌垫查p c o s I I 实时操作系统在继电保护装置中的应用郭清元(广东电网公司东莞供电局，广东东莞5 2 3 0 0 8)摘要 介绍t t C O I I 实时操作系统的工作原理、结构组成及操作系统对C P U 实现移植的方法，并通过软件设计实现了继电保护装置多种功能。关键词p C O S-I I 继电保护T C P I P 通信协议栈嵌入式实时操作系统多任务0 引言随着变电站自动化系统对数字化要求的提高。继电保护装置上集成的功能越来越多，对应的软件设计也越来越复杂和繁琐，传统单线程软件设计存在明显不足：程序中任何一部分运行异常都可能导致系统锁死。这对继电保护装置来说是绝对不

2、允许的。特别是对于网络化的继电保护装置，需要嵌入式网络协议栈的支持。如果没有操作系统，网络协议栈的实现将十分困难。t,c O S-I I 是专门为计算机的嵌入式应用而设计的实时操作系统，是基于静态优先级的占先式(p r e e m p t i v e)多任务实时内核。该内核具有一般多任务实时操作系统所具有的可移植、可固化、可裁剪、可剥夺等特性，适于作为微机继电保护装置的软件平台。1p C O S-I I 实时操作系统介绍1 1 实时操作系统的基本概念和原理实时操作系统(1 H I)s)实质上是在嵌入式系统启动后执行的后台程序。用户应用程序是运行于I 讯】s 上的任务，R 砥蛉根据各任务的要求进

3、行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度和异常处理等工作。在R T()S 支持的系统中，每个任务均有一个优先级，R H)s 根据各任务的优先级动态切换各任务，以保证实时性要求。在实时内核下，任务问的通信是通过信号量和消息队列来实现的。信号量即是通行证，且数量有限，任务要运行下去，就要先拿到通行证。若信号鼋被别的任务占用，则该任务将被挂起，直到信号量被当前使用者释放。消息队列用于给任务发消息，通过内核提供的服务，任务或中断服务程序将消息放入消息队列；同样，一个或多个任务可以通过内核服务从消息队列中得到消息。消息队列一般采用F I F O 方式来收发数据。1 2t t c o s-n

4、实时操作系统内核结构和各模块主要功能p C()S-I I 实时操作系统由任务调度器、任务问通信模收稿日期：2 0 1 0 0 8 3 0作者简介：郭清元(1 9 7 2 一)，工程师，从事电网调度运行和继电保护工作。2 4 1w w w c h i n a e t n e tl 电工技术块和中断模块组成，它们与用户任务的关系如图l 所示。中断模块r 刊任务间通信模块r 1 任务调度器图1 内核层次结构任务调度器：它的作用是切换各任务。并负责任务环境的保护和载入。当任务A 的使用权被任务B 占有时。任务调度器先将任务A 的环境(当前C P U 的各寄存器值以及任务变肇)压人任务A 的堆栈中，然后

5、将任务B 的环境从任务B 的堆栈中弹出。实现任务的切换。任务问通信模块：当任务A 或者中断模块要向任务B发送信号量以告知某个资源处于可用状态，且任务B 正等待该资源时任务A 或者中断模块就要调用任务间通信模块，由任务调度器来实现任务间的切换。中断模块：通常实时操作系统要提供中断宏来简化用户中断程序。只要用户在中断程序中调用该中断宏，就可以方便地将中断服务程序嵌入到实时操作系统中。当中断返回时，它不一定回到当前被中断的任务中，这是实时操作系统必备的特性。2p c o s-n 实时操作系统的移植2 1 目标硬件平台的介绍T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 是T l 公司最新用于工业控制的I

6、)s P 芯片，采用哈佛总线结构，内部S R A M 和F I。A S H 都采用多条总线来实现对内存的多次访问。该款D S P 是目前国际市场上最先进、功能最强大的3 2 位定点D S P 芯片，具有数字信号处理能力、事件管理能力和嵌入式控制功能。该芯片的指令周期为6 6 7 n s，片内有1 8 K 1 6 S R A M 和1 2 8 K 1 6F L A S H，配有事件管理器A、B，4 个通用定时器，1 2 位的高速模数转换器(A I X 2)及2 个异步串口。2 2p c o s-l l 的移植在基于实时操作系统的微机继电保护装置的开发中，最重要的工作之一就是操作系统对C P U

7、的移植。,C()S-l I 大部分源代码用C 语言编写，只有很少一部分用汇编语言编写，移植工作较简单。源代码中与C P U 相关的文件主要有4 个：C 语言文件O S C P U 一(2 3 3 C、头文件I N 万方数据丝皇堡翌垫查璧薹冒C I。U D E S H、头文件O S C P U C 3 3 H 和汇编文件()s C P U 一(：3 3 A S M。移植工作就是针对这些文件做一些改动。下面以()S C P U C 3 3 H 为例介绍K；O S-I I 对T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 的移植。对于O SC P U C 3 3 H 文件，需要改动数据类型定义、堆栈增长

8、方向和任务切换入口函数()S-T A S K S W()等。由于T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 本质j 二只有3 2位无符号整数、3 2 位有符号整数、3 2 位单精度浮点数、4 0 位扩展精度浮点数4 种数据类型，因此移植中定义的8位、1 6 化数据实际上都是3 2 位。此外C 3 3 中的堆栈都是按3 2 化数据类型进行操作。冈此堆栈数据类型()S S T K声明为3 2fc j=无符号整数。T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 处理器的堆栈是由低地址向高地址递增，应将()S s T K G R()W 1 H 设为1。任务切换入口函数()S _ T A S K _ S w

9、()实际上是一个宏定义为汇编语句的伪函数。通过汇编语句产生软中断，模拟一次中断过程，在中断服务程序中实现任务切换。T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 共有2 8 个软中断町供使用。通过执行汇编指令T R A P O T R A P 2 7 来产生软中断。这里可选择其中任意一个，但其中断服务程序的入口必须指向任务级切换函数()S C t x S w()。3 软件设计3 1 任务划分和调度实时系统中的任务也称进程。是一段独立的程序，该程序可认为C P U 完全属于本程序。每个任务被赋予唯一的优先级，有自己的C P U 寄存器(町被存入任务控制块)和栈宅间。每个任务都是一段无限循环，有休眠态

10、、就绪态、运行态、挂起态及被中断态5 种状态。任务可调用各种子程序并使用各种系统资源(如中断、外设等)，以完成某种选定功能。软件设计时，任务划分和优先级的分配将直接影响软件实现和装置性能。任务主要按功能的不删来划分；而优先级的分配要综合考虑任务的蓖要程度和运行时间，原则是重要任务优先级高。运行时间长的任务优先级不宜过高。综合分析系统的各种功能后对任务进行划分，并根据任务重要程度分配优先级，见表1。表1 系统任务及其优先级优先级任务名称优先级仟务名称4三段电流保护任务1 3弹簧未储能检测任务5M Ll，P h 龃n：T R1 4断路器位置异常告警任务6后加速过流保护任务1 5压力闭锁告警任务7三

11、相一次重合闸任务1 6事件记录任务8零序电压告警任务1 7通信任务9低频减载任务1 8时钟任务l O过负荷告蕾任务1 9定时采样中断任务I lT 断线幢测任务加空用任务1 2控制母线断线检测任务,c o s m 可管理6 4 个任务，其中4 个最高优先级和4 个最低优先级的任务供自己使用，因此用户可使用的任务有5 6 个。任务的优先级越高反映优先级的值越低。任务的优先级数也可作为任务的标识符使用。这里将最低优先级()sI()W E S TP R I()定义为2 0。所有任务都在M a i n函数中创建，M a i n 函数的流程图如图2 所示。上电或者复位卜叫系统初始化卜叫复归操作卜刊创t 名

12、-f f 务竺兰竺茎塑兰堡兰堡墨 _ 1 兰!望丝图2M a i n 函数流程图j执行()S S t a r t()，将C P U 控制权交给心()S-I f，就绪的最高优先级任务将得到执行，直至该任务执行延时函数或发生中断。若执行了延时函数，则该任务交出C P U 使用权。让下一个就绪的最高优先级任务得以执行；若发生中断，则中断服务程序(I n t e r r u p tS e r v i c eR o u t i n e，I S R)结束时将做任务切换。更高优先级的任务将得到执行。-C()S-I I 按传统方式对硬件中断进行响应，进入中断后只要完成识别中断和触发任务即町返回，此后，由被触发

13、的任务去完成具体的处理工作。因此中断服务程序提高了系统的实时响应能力。3 2 任务实现3 2 1 采样任务本装置的采样A D 转换用2 片M A X l 2 5 芯片实现。可以有1 6 路模拟输入。采样流程如图3 所示，具体说明如下：由D S P 的T i m e r O 产生8 2 3 3 3 3 p s 的定时中断(每周波采样2 4 点)。中断服务子程序发出信号量。等待信号量的采样任务转入就绪态。采样任务向A 写控制字选中第0 通道。A I)【：转换该通道模拟量，转换结束产生中断。中断服务子程序发出信号量。采样任务等待信号量(利用超时)。采样任务读取转换后的数据。采样任务将数据存储在R A

14、 M 为该通道开辟的循环储存区中。此过程完成后。采样任务再向A D C 写控制字选中第1通道。开始第二路信号的采样转换，如此循环直至最后一路输入转换完成。模拟量输入图3 采样M D 转换流程图3 2 2 保护任务保护任务采用时间驱动方式，由5 m s 的定时中断激活。中断由T i m e r O 产生，在I S R 中有1 个每次中断加l电工技术l2 0 1 11 期1 2 5万方数据墨：翟丝皇堡芝苎查的计数器，当计数值能被6 整除时发一次保护信号苗。通常所有的保护任务都在等待此信号量，优先级最高的任务获得此信号量进入运行态。保护任务流程如图4 所示，具体说明如下：T i m e r 0 产生

15、8 2 3 3 3 3 p s 的定时中断。中断服务程序每6 次中断发一次保护信号量。等待该信号量的最高优先级的保护任务获得信号量。任务从采样值循环储存区读出最新采样值。任务调用傅氏算法函数计算出电肇幅值和相位角，调用动作判据函数判断是否动作或报警。若需动作或报警，写继电器控制字。傅氏算法函数动作判据函数显示函数写记录函数打印任务图4 保护任务流程图3 2 3 基于删I P 协议的网络通信任务T C P I P 协议包含十几个协议标准，根据实际需要，主要实现的内容有：冈特网控制报文协议(I C M P)、地址解析协议(A R P)、网际层协议(I P)、输控制协议(T C P)、用户数据报协议

16、(U D P)。由这5 个协议组成一个小型化的T C P I P 协议，并根据实际情况进行适当的简化，在可以完成通信功能的情况下，保证系统的实时性和叮靠性。T C P I P 的传输层为应用层提供2 种类型的服务：一是面向连接的可靠传输控制协议(T C P)，通信的发起节点在每次发起通信时在传输层都必须与通信接收方事先建立3 次握手后才能发送；二是无连接的用户数据报协议(U D P)。这种传输方式由于不需事先建立“握手”联系，因此传输效率高，并且有单播、分组广播和广播3 种方式。T C P 协议能够实现可靠的数据传输，但是延时不易把握，不利于数据的实时传输；U D P 协议传输数据实时性强、效

17、率高，而且能在同一时间向所有节点传输数据。因此，基于电力系统对实时性的要求，主要采用U D P 协议来传输数据。在实时操作系统中，以太网通信作为系统的一个任务。该任务的优先级低于采样任务、保护任务，但是高于键盘、显示等任务。以太网通信任务与其它保护任务间的切换主要依靠2 个与以太网通信相关的信号量发送数据包信号量T x T S e m 和接收数据包信号量R x T S e m 来实现。实时操作系统依靠信号量完成对中断和任务的调度，如图5 所示。2 6 h n n c h i n a e t n o tl 电工技术(亘三，竺鲎-，j 兰了璺童(至三二)毒堕始特定时刻发送继电器动作信号信号量、接到

18、发包指令图5 调度示意图当网忙接收到一个完整的以太网数据包后，向D S P 发送中断请求，获得响应后进入中断服务子程序。在中断服务子程序中接收数据包并发信号R x T S e m。中断服务子程序结束后，将进行任务调度，如果此时没有更高优先级的任务处于就绪状态，那么将执行以太网通信任务。在以太网通信任务中完成数据包的处理。处理完后将信号量R x T S e m 挂起，任务进入等待状态。发送以太网包必须等待信号T x T S e m 有效。可发出信号量T x T S e m 的地方较多，任何需要发送以太网包的场合都能够对它进行操作，如继电器动作后、某一特定时刻或者收到发包指令。当T x T S e

19、 m 有效后。若没有其它更高优先级的任务就绪，则进入通信任务。在通信任务中完成数据处理和数据包发送，发送完后信号量T x T S e m 将挂起，任务进入等待状态。4 讨论采用定时中断激活保护任务从某种程度上看不是由故障发生来激活保护任务，这从原理上降低了保护的实时性。但实际卜以日前的D S P 速度来说，每个采样周期都处理采样数据会使C P U 负荷过重，从而影响其它任务的响应，而采用5 m s 的定时中断来激活保护任务也町满足保护的速断惟要求。此外，在采用嵌入式实时操作系统的情况下。任务间的切换需要一定的时间来进行当前任务现场保护和激活任务现场恢复，但这一时间很短，不会明显增加C P U

20、负荷。参考文献 1 张壬寅夏锦胜基于D S P 平台的中低压微机保护装置I-J 1 电力自动化设备，2 0 0 5，2 5(9)：8 0 8 3 2 周芸，杨奖利路青起基于T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 的线路保护系统 J 高压电器。2 0 0 5。4 1(4)：2 8 9 2 9 1 3 荣彩霞，张哲。潘军军，等新型高压线路微机保护装置研制 J 电力自动化设备，2 0 0 5，2 5(1 2)：5 5 5 8 4 魏宜华，焦彦军，张新国，等通用继电保护微机型实验装置的设计 J 电力系统及其自动化学报，2 0 0 5，1 7(3)：9 5 9 8 5 谢玉冰，游大海。罗强，等继电保

21、护装置中基于C O S-I I 实时操作系统的嵌入式以太网 J 1 继电器，2 0 0 5，3 3(1 8)：2 0 2 2。6 0 6 -t 锦庆电力系统继电保护实用技术问答 M 北京：中国电力出版社，1 9 9 7(编辑杨正君)万方数据C/OS-实时操作系统在继电保护装置中的应用C/OS-实时操作系统在继电保护装置中的应用作者：郭清元作者单位：广东电网公司东莞供电局,广东,东莞,523008刊名：电工技术英文刊名：ELECTRIC ENGINEERING年，卷(期)：2011(1)参考文献(6条)参考文献(6条)1.毛锦庆 电力系统继电保护实用技术问答 19972.谢玉冰;游大海;罗强 继电保护装置中基于C/OS-实时操作系统的嵌入式以太网期刊论文-继电器 2005(18)3.魏宜华;焦彦军;张新国 通用继电保护微机型实验装置的设计期刊论文-电力系统及其自动化学报 2005(03)4.荣彩霞;张哲;潘军军 新型高压线路微机保护装置研制期刊论文-电力自动化设备 2005(12)5.周芸;杨奖利;路青起 基于TMS320F2812的线路保护系统期刊论文-高压电器 2005(04)6.张壬寅;夏锦胜 基于DSP平台的中低压微机保护装置期刊论文-电力自动化设备 2005(09)本文链接：http:/