（通信与信息系统专业论文）新型电缆接头温度监测系统—客户端软件设计与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电缆接头温度监测和分析系统对于提高供电电缆的安全可靠性，避免电缆 火灾事故的发生具有非常重要的意义。目前可用于城市供电电缆分接箱电缆接 头运行温度监测的装置，都存在着诸如安装、维护不便、应用成本较高等问题， 制约了其推广应用。 本文设计的以m s p 4 3 0 超低功耗单片机为核心的电缆接头温度监测系统， 在p c o s i i 嵌入式操作系统的统一调度下，并通过嵌入t c p i p 协议接入 i n t e r n e t ，实现远程实时监测。通过位于各电缆接头处的监测终端监测温度与电 流数据。利用短距离无线、g p r s 将数据传回监控中心服务器，并在服务器端 对数据进行分析处理，提供报警功能。 关键词：电缆接头，实时监测，m s p 4 3 0 ，g p r s ，p c o s - i i 操作系统 a b s t r a c t c a b l ej o i n tt e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n da n a l y s i s s y s t e mi sv e r yi m p o r t a n tt o i m p r o v es e c u r i t ya n dc r e d i b i l i t yo fp o w e rs u p p l yc a b l ea n dp r e v e n tf r o mf i r ea c c i d e n t a tp r e s e n t ，t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gd e v i c e su s i n gf o ru r b a ne l c t r i c i t ys u p p l yc a b l e b r a n c hb o xe x i s ts o m ep r o b l e m ss u c ha sd i f f i c u l t yo fs e t t i n ga n d m a i n t e n a n c e ，h i g hc o s t ， a n ds oo n t h ec a b l ej o i n tt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rw h i c h r e v o l v e da b o u tm s p 4 3 0u l t r a l o wp o w e rm c u ，s c h e l d u l e db y1 tc o s - i ie m b e d d i n g o p e r a t i n gs y s t e m ，a n da c c e s si n t e r n e tb ye m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l ，t or e a l i z er e m o t e a n dr e a lt i m em o n i t o r i n g t h i ss y s t e mc o l l e c t e st e m p e r a t u r ea n dc u r r e n td a t av i a m o n i t o r i n gt e m i n a lw h i c hl o c a t e do nc a b l ej o i n t ，u t i l i z es h o r tc o m m u n i c a t i o na n dg p r s t ot r a n s f e rt h ed a t at os e r v e ri nm o n i t o r i n gc e n t e r ，p r o v i d e sa l a r m i n gf u n c t i o na f t e rd a t a a n a l y s i s h u i b i nc h e n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ys c d p r o f m i n gl i a n g k e y w o r d ：c a b l ej o i n t ，r e a l t i m em o n i t o r i n g ，m s p 4 3 0 ，g p r s ， l ac o s i io p e r a t i n gs y s t e m 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型电缆接头温度监测系统的研 制一客户端软件设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电 力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蟊盎襞这 日 期：型5 盈翻塑日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：童鲤! 邀 臼 期：一：! 竺 导师签名； 日期： 以一 由 皿一 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 我国电力行业正处于一个特殊的发展时期，电力发展稳步向前，也同样保持着 较高的速度，2 0 0 4 年我国新增电力装机容量5 1 0 0 万千瓦，位居世界第一。2 0 0 5 年 我国新增电力装机容量更是达到6 6 0 0 万千瓦。预计在2 0 0 6 年，将新增发电装机7 5 0 0 万千瓦，我国的电力装机容量将达到5 8 亿千瓦。面对日益庞大的电网，由于我国 电力系统自动化技术起步较晚，电网安全稳定水平还比较低，安全稳定事故时有发 生。因此在加强电源和电网建设的同时，加强我国电网的自动化水平，信息化水平 建设，是保障我国电网安全稳定运行的重要手段【1 1 。 在城市供电电缆分接箱中，存在着大量的电缆接头。运行过程中，电缆由于受 到电、热、机械、环境等各种因素作用，极易引发故障。特别是电缆接头，在用电 过负荷，天气炎热，老化或接触电阻过大而发热，引起温度过高，导致接头处绝缘 性变差或烧崩，甚至击穿而造成事故，它是安全运行中最薄弱的环节。此外，在电 力系统中，电力设备存在负载电流与温度正相关的规律，当负载电流增大时会出现 温度升高，而负载电流减小时会出现降温的现象。实际运行经验和理论分析均表明， 电缆接头处发生的各类故障并不是一个突发的过程，是一个由量变到质变的过程， 通常表现为电缆接头处温度不断升高。因此，对分接箱电缆接头进行监测，及时了 解电缆接头的温度与流经电缆接头的电流情况，提前做好预防措施，就能有效的防 止电缆接头事故，提高电力电缆的运行可靠性与供电的可靠性，从而提高供电企业 的经济效益i z l 。 目前通常采用的监测系统存在的传输距离受限、安装不方便等缺陷，且电缆接 头分布范围广，供电距离长1 3 1 。针对以上情况，可采用短距离无线及结合g p r s 传 输方式实现高压隔离及远程监控。无线监控并接入i n t e r n e t 是近几年的研究热点， 而采用g p r s 网络接入i n t e m a ，利用g p r s 网络覆盖范围广、数据传输速率高等特 性，特别适合配变监控系统分布广、实时性高、数据量小等诸多特点。g p r s 是一 种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接。g p r s 充分地利用共享无线信道，采用i po v e rp p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 实现监控终端的 高速、远程接入。 1 2 国内外研究现状 由于分接箱中电缆接头处于高电位，还没有专门用于分接箱电缆接头温度监测 的装置。目前，国内外专门用于高压设备发热测量的仪器也还较少，总结现有技术， l 华北电力大学硕士学位论文 对电力系统中高电压设备的温度监测主要方法采取下述几种方法1 4 - 1 3 】： 一是在高压设备的易过热点贴上不同颜色( 熔点不周) 的示温腊片，通过观察 示温腊片的熔化情况来大致确定温度范围，这种方法准确度低、可靠性差，不能进 行定量测量，且需要人工操作，效率不高。 另外一类是实现高压设备的过热在线监测，而在线监测首先要解决的是高压隔 离。一般解决该问题有两种方式，一种是空间隔离，另一种是光纤隔离。 其中空间隔离一般指红外隔离，目前国内外主要有以下几种形式。 红外热成像技术利用红外探测技术获取高压设备易过热点红外辐射的状态热 信息，然后转换成图像进行显示，实现高压设备的定点测温。但是，由于红外热像 仪本身结构复杂，价格昂贵，阻碍了其在电力系统的大规模应用。 另外一种与之相近的技术是利用红外温度接收器将一定距离( 小于3 0 0 m m ) 内 的发热物体的红外线光谱转化为电信号，a d 转换电路用于将温度电信号进行放大、 滤波与模数转换，信号传输用于将转换结果不误码地传送到主机，从而实现对温度 的监测。 光纤隔离是目前用的比较多的一种高压测温方式。目前，国外有一种温度监测 系统，将激光温度传感器置于高压连接设备的易过温点，用于测量温度，电池预置 于传感器内，为传感器提供电源，用光纤连接激光温度传感器与测温仪表。 近年来出现的无线测温技术，采用无线通信进行高压隔离和信号传输，具有绝 缘性好和抗电磁场干扰等特点，通信信号可穿越非屏蔽障碍物，但目前主要用于高 压开关柜内触点运行温度过热监测，传输距离比较近。 除了上述的具体温度隔离钡4 量技术外，国内也有用于开关柜内引线接头的测温 装置，其原理是在所测点温度大于设定的温度时，装置的弹簧接点闭合，启动信号 回路报警，但是无法定量测定准确的温度，无法记录历史数据，不能掌握温度变化 趋势。、 经过分析发现以上的这些方法普遍存在无法实现远程监测，实时性差，且主要 用于高压开关柜，应用范围窄等缺点。本文所实现的是一种基于g p r s 的远程无线 监控方式，利用短距离无线和g p r s 相结合的方式实现远程在线监测，克服了以上 方法的缺点。 1 3 系统总体方案 1 3 1 系统结构 本系统采用c s 的设计方式，由监测终端，数据集中器和监控中心服务器组成， 系统结构图如图1 1 所示，安装示意图如图1 2 所示。监测终端和数据集中器之间 2 华北电力大学硕士学位论文 由窄带短距离无线方式实现，数据集中器通过g p r s 网络接入i n t e m e t ，将数据传回 监控中心。 图1 1 电缆接头温度与电流监测系统结构 图1 - 2 电缆分接箱安装示意图 其中，监测终端安装在分接箱内电缆接头发热处，用于实时监测运行状态下电 缆接头的温度和通过电缆的负载电流，通过短距离无线方式与数据集中器通信； 数据集中器置于分接箱底部，每个分接箱安装一台数据集中器。通过g p r s 接 入i n t e m e t ，用于接收来自监控中心的命令，控制监测终端采集数据。数据集中器同 时采集环境温湿度，数据经h t e m e t 传回监控中心服务器； 监控中心服务器有固定的i p 地址接入i n e t e m e t ，接收到来自各测点的数据后， 对数掘进行统计分析、报表、处理，并存储历史数据、事件记录、告警记录等详细 资料，由数据库提供数据存储与查询服务。完成对电缆接头温度与电流数据的分析， 华北电力大学硕十学位论文 确定电缆接头的当前工作状态，预测其运行状态走向，即时发现、诊断、预知电缆 接头热故障。 1 3 2 监测终端结构 监测终端由微控制器单元( m c u ) 、短距离无线通信单元n r f 2 4 0 1 a 、电流测量 单元、温度测量单元、电源管理单元等部分组成，如图1 3 所示。 图1 - 3 监测终端结构框图 微控制器单元作为终端装置的核心，选择t i 公司的1 6 位超低功耗微控制器 m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 ，该处理器内置8 路l o 位a d 转换模块。m s p 4 3 0 系列单片机具有强 大的处理能力和丰富的片内外设，并可以方便高效地进行在线开发。其最显著的特 点是超低功耗，在3 v 电压、i m h z 的时钟条件下运行，耗电电流在0 1 2 0 0 | ia 之 间，r a m 保持的节电模式为0 1i ia ，等待模式也仅为1 6 ua t h d 5 1 。 无线通信单元采用n o r d i c 公司工作于2 4 g h z 频段近距离微功耗无线收发芯 片n r f 2 4 0 1 a 。2 4 g 是全球通用的i s m 频段，无须频率申请，可靠性高，支持多点 问通信，最高传输速率超过1 m b i t s 。n r f 2 4 0 1 a 只需少量外围元件便可组成射频收 发电路，电路简单，功耗极低【1 6 d 7 1 。 1 3 3 数据集中器结构 数据集中器由微控制器单元( m c u ) 、短距离无线通信单元、g p r s 通信模块、 环境温湿度测量模块、时钟模块及电源管理单元组成，如图1 4 所示。 4 华北电力大学硕士学位论文 图1 - 4 数据集中器结构框图 微控制器选择m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，该处理器片上资源更为丰富，拥有多达6 0 k 的f l a s h 和2 k 的r a m ，可满足操作系统的移植。无线通信单元仍然是n r f 2 4 0 1 a 模块，通 过s p i 接口与处理器相连。环境温湿度测量采用瑞士s e n s i r i o n 公司生产的具有二线 串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器s h t l l ，可用来测量相对 湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互 换的特点【博j 。同历时钟采用了美国d a l l a s 公司推出的低功耗的实时时钟芯片 d s l 3 0 2 ，可对秒、分、时、日、周、月以及带闰年补偿的年进行计数，具有3 1 x 8 r a m ， 可供保存有用数据 1 9 】。 g r p s 模块通过串行接口与微控制器相连。基于g p r s 网络的无线传输方案有 专线联网方式，企业公网联网方式，拨号联网方式，g p r s 内网联网方式四种方式， 本系统采用企业公网联网的方式将数据集中器接入i n t e r n e t ，详细内容见第二章。 1 3 4 系统软件结构 系统的软件设计包括三个部分，监测终端与数据集中器的客户端软件设计，监 控中心的服务端软件设计。 监测终端采用的是状态机的前后台程序设计方法，在数据集中器的控制下，监 测终端的微控制器在休眠、唤醒、采集数据、发送数据、再次休眠等若干状态之间 切换。采用模块化的软件设计方法，包括无线通信模块、温度采集模块、电流采集 的a d 变换模块、定时器模块、看门狗模块、低功耗设计。 数据集中器在嵌入式实时操作系统g c o s n 下实现各模块功能，并且由于要通 过g p r s 网络接入i n t e r n e t ，所以在m c u 中实现u d p 、i p 和p p p 协议。基于嵌入 式实时操作系统的软件设计有利于充分利于资源，增强系统的实时性和可靠性。 监控中心上位机软件主要是网络通信程序和数据库程序，以及智能分析算法。 本系统使用p o w e r b u i l d e r 开发环境在监控中心p c 机上编写应用程序，该程序的编 写分为两部分，采用w i n s o c k e t 编写网络部分，p o w e r b u i l d e r 和s q ls e r v e r 编写数 华北电力大学硕七学位论文 据库部分。 1 4 本文的主要工作 本课题是城市供电电缆分接箱电缆接头温度监测系统项目的重要组成部分，研 究的主要目的是借助g p r s 网络，将数据集中器设备接入i n t e m e t ，通过与i n t e r n e t 上的监控中心服务器进行通讯，实现监控中心对监测设备的远程控制和数据采集。 本文的主要工作为数据集中器部分的软件设计： l 、基于m s p 4 3 0 的嵌入式软硬件开发平台上移植i _ t c o s i i 操作系统，由于 p c o s 开放源代码的特性，完全可按照设计要求对c o s i i 进行合理的裁减、扩充、 配置和移植。 2 、实现u d p 、i p 、p p p 协议，将设备接入i n t e m e t 。 3 、在操作系统的统一调度下实现应用层各模块的功能。 第一章简单介绍了整个监测系统的总体设计和软硬件方案，第二章介绍了利用 g p r s 网络的组网方式，第三章介绍了嵌入式实时操作系统p c o s i i 在m s p 4 3 0 f 1 4 9 上的移植，第四章介绍了p p p i p u d p 协议的嵌入，第五章介绍了整个基于操作系 统的客户端软件的实现，第六章为系统测试。课题的监测终端部分，上位机软件部 分由另外两个同学完成。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章g p r s 网络技术 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r 、，i e e ) 是通用分组无线业务的简称，是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。与原有的g s m 比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：通过多个g s m 时隙的复用，支 持的数据传输速率更高，理论峰值达1 7 1 2 k b s ；不同的网络用户共享同一组g p r s 信道，但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源。这样，通过 多用户的业务复用，更有效地利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小 流量数据传输，很好地适应数据业务的突发性特点；g p r s 计费方式更加灵活，可 以支持按数据流量来进行计费；与无线应用协议( w a p ) 技术不同，g p r s 能够随 时为用户提供透明的i p 通道，可直接访问i n t e m e t 中的所有站点和资源：采用信道 复用技术，每一个g p r s 用户都能够实现永远在线；另外，g p r s 还能支持在进行 数据传输的同时进行语音通话等等，而且相对于短消息等其它无线数据通信业务， g p r s 的价格优势比较明显1 2 0 。g p r s 的特点正适合电力需求侧用电管理数据采集 系统，广泛应用于无线抄表、电能计量、配电网和变电站的监控等方面。 2 2g p r s 的特点及优越性乜 g p r s 技术具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如 切换”等优点。在远程突发性的小数据量实时传输中有不可比拟的优势。非常适合 城市供电电缆分接箱电缆接头分布广、数量大、要求通信实时性高、数据传输频繁 且突发性强、每次传输的数据流量不大等特点。 实时在线：用户随时与网络保持联系。用户一旦登录网络后，在无线信道上发 送和接收数据。即使无数据传输，也一直与网络保持联系，不但可以由用户侧发起 数据传输，也可以由网络侧随时发起，而无需重新拨号上网。 按量计费：用户可以一直在线，按照用户接收和发送的数据报流量来收取费用， 无数据传输时，即使用户挂在网上，也不计费。 快捷登录：g p r s 模块一旦上电开机，只需一个激活过程，一般只需1 3 秒便 可登录网络。而固定拨号方式接入h t e m e t 需要拨号、验证用户名密码、登录服务 器等过程，耗时长。 高速传输：g p r s 采用分组交换技术，数据传输速率最高理论值可达1 7 1 2 k b s ， 但实际速度受到编码和终端等的限制。而一般的电路交换业务速率仅为9 6k b s 。 自如切换：g p r s 还具有数据传输与话音传输可同时进行或切换进行的优势。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 3g p r s 网络结构恤1 g p r s 网络是构建在g s m 的网络基础之上，为了升级至g p r s ，g s m 网络侧需 要新增节点s g s n 、g g s n 以及新增节点与其他硬件设备相连的接口。在基站侧， 由于g p r s 与g s m 采用相同的基本调制方式和无线信道传输速率，因此不需要改 动现有的基站无线设备的硬件。用户设备通过串行或无线方式连接到g p r s 终端上， g p r s 终端通过u m 无线接口接入g p r s 网络，通过基站子系统( b s s ) 经g b 接口 与g p r s 网络中的g p r s 服务支持节点( s g s n ) 连接，g p r s 数据分组是从基站发 送到s g s n 节点，而不是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上。s g s n 通 过g n 接口与网关支持节点( g g s n ) 进行通信。g g s n 对分组数据进行相应处理再 发送到目的网络如i n t e m e t 网或x 2 5 网络。来自i n t e r n e t 标识有无线终端动态i p 地 址的i p 包，由g g s n 接收，采用g t p 协议，再转发到s g s n ，继而再经b b s 传送 到无线终端上。g p r s 网络结构图如图2 1 所示。 固一、 画。阍 g p r $ 网络 。回 旁函g f 7 击， ”、7 回 一一信令接口 一信令和数据传输接口 图2 - 1g p r s 网络结构图 2 4g p r s 无线应用组网方式。棚 利用g p r s 网络的覆盖范围广、数据传输速率高等特性，可以方便快捷地将设 备接入i n t e m e t ，特别适宜用于将野外工业现场设备接入i n t e r n e t ，实现远程实时监 测。目前主要有四种g p r s 组网方式。 ( 1 ) 专线联网方式 图2 2 专线联网方式 华北电力大学硕士学位论文 无线终端设备通过基站以无线方式登陆到g p r s ，并获取i p 地址，数据由移动运 营商的g g s n 经数据专线连接至用户的数据中心。 ( 2 ) 企业公网联网方式 图2 3 企业公网联网方式 无线终端设备通过g p r s 获取动态i p 地址，接入到i n t e r n e t 。用户端以固定i p 地址 ( 如局域网方式) 接入i n t e r n e t 。该方式直接利用现有网络资源而无需专线，系统建 设投资小。 ( 3 ) 拨号联网方式( a d s l 拨号或电话拨号或无线拨号) 图2 4 拨号联网方式 业务处理中心通过拨号登陆到公众网，获得动态的全局i p 地址；无线终端设备 从i p 地址服务中心获得无线业务处理中，t m p 地址。任何一方都可发出业务请求。 ( 4 ) g p r s 内网联网方式 图2 - 5g p r s 内网联网方式 g p r s 内联网方式不经过i n t e m e t ，直接利用g p r s 内网实现连接。 9 华北电力大学硕士学位论文 以上四种组网方案中，专线联网方式成本高，拨号方式和内网联网方式的通信 速度都比较低，本系统采用了公网联网的方式。由于g p r s 移动通信网络是基于l p 协议进行数据传输的，所以g p r s 模块必须对m c u 传入的数据进行t c p i p 封装后 才能发送出去；同样对由监控中心发来的控制命令数据报拆封后传给m c u 。 2 5g p r s 模块 用于工业系统的g p r s 数据传输模块有很多种类，主要有西门子公司推出的 m c 3 5 和m c 3 5 i ，索尼爱立信的两款基于g s m 9 0 0 1 8 0 0 以及8 5 0 1 9 0 0 的双频模块 g m 4 7 和g m 4 8 ，w a v e c o m 公司的一款覆盖g s m g p r s 所有四频( 8 5 0 9 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 m h z ) 的整合无线模块w i s m o ，以及b e n q 新近推出的几款g p r s 工业模块。 选用s i e m e n s 公司的m c 3 5 i 模块，该模块接口简单、使用方便且功能非常强大，能 够为用户提供高速、永远在线、可靠的数据传输服务和虚拟专用数据通信网络服务， 完全能够满足行业数据采集、传输和监控的需要。m c 3 5 i 与微控制器、s i m 卡座之 间的连接图如图2 - 6 所示。 图2 6 g p r s 模块电路图 m c 3 5 i 接收速率可以达到8 6 2 0 k b p s ，发送速率可以达到2 1 5 k b p s 。m c 3 5 i 对外 提供了4 0 针的接口，通过一个z i f ( z e r oi n s e r t i o nf o r c e ，零阻力插座) 连接器引 出，这4 0 个脚可以划分为5 类，即电源、数据输入输出、s i m 卡、音频接口和控 制，其中有9 个脚为2 3 2 标准脚，并且无须电平转换可直接与微控制器相连，本系 统只用了其中数据口t x d 和r x d 与m s p 4 3 0 f 1 4 9 的串口直接相连，进行全双工通 信，通信速率最快可以达到1 1 5 2 0 0 b s 。m c 3 5 i 上电后，首先要把i g t 引脚至少拉 低l o o m s ，来启动m c 3 5 i 无线模块。除了串口发送( t x ) 、串口接收( r x ) 之外， l o 华北电力大学硕士学位论文 微控制器与g p r s 模块之间还有一些连接，如由r t s 0 c t s 0 支持硬件接口协议， x o n x o f f 可以通过软件的a t 命令控制流量。g p r s 模块与数据集中器问的通信 协议是a t 命令集，其中大部分命令符合“a tc o m m a n ds e t f o r g s m m o b i l e e q u i p m e n t ( m e ) ( g s m0 7 0 7v e r s i o n6 4 ，0r e l e a s e1 9 9 7 ) ”协议 2 5 - 2 6 。 华北电力大学硕士学位论文 第三章嵌入式实时操作系统在m s p 4 3 0 上的移植 3 1m s p 4 3 0 f 系列微控制器州 m s p 4 3 0 系列单片机拥有超低的功耗、强大的处理功能、稳定的运行能力和十 分方便的丌发调试环境。m s p 4 3 0 f 1 4 9 拥有6 0 k 的f l a s h 和2 k 的r a m ，片内的 j t a g 调试接口使开发人员可直接将程序通过编译软件下载到片内程序存储器中运 行和调试。牡c o s i i 的移植需要较大的r a m 空间，m s p 4 3 0 f 1 4 9 的2 k 的r a m 空 间满足要求。图3 1 显示了它的引脚图，图3 - 2 为m s p 4 3 0 f 1 4 9 的存储器结构图， 它的主要特点归纳如下： 低电源电压范围：1 8 3 6 v 超低功耗： 2 5 1 a a 4k h z ，2 2 v ； 2 8 0 i _ t a 1m h z ，2 2 v ； 五种节电模式： 等待方式1 6 u a r a m 保持的节电方式0 1 u a 1 6 位r i s c 结构，1 2 5 n s 指令周期。 基本时钟模块配置： 高速晶体( 最高8 m h z ) ；低速晶体( 3 2 7 6 8 h z ) ；d c o 。 具有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra ，t i m e rb 。 两通道串行通信接口可用于异步或同步( u a r t s p i ) 模式。 6 个8 位并行端口，且2 个8 位端口有中断能力。 图3 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 b i 脚外观 华北电力大学硕士学位论文 o f f f f - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一一 。品】一 ! 堑皇兰兰 i程序存储 跳睾控制表 数据农等 1，一j 引导存储嚣( f l a s h ) 图3 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 存储器结构图 3 2l ac o s - i i 嵌入式实时多任务操作系统 3 2 1 uc o s - i i 简介 i x c o s i i 是由l a b r o s s e 先生编写的一个开放式的，基于优先级的可抢先的硬实 时内核，最主要的特点就是源码公开。在单片机系统中嵌入i l c o s i i 将增强系统的 可靠性，提高资源利用率，并使得调试程序变得简单等好处。i _ t c o s i i 从一开始便 是为嵌入式系统设计的，代码量小。自从9 2 年发布以来，在世界各地都获得了广 泛的应用，它是种专门为嵌入式设备设计的内核，目前已经被移植到4 0 多种不 同结构的c p u 上，运行在从8 位到6 4 位的各种系统之上【2 引。鉴于r t c o s i i 公开源 代码，且绝大部分代码用c 语言写成，与硬件相关部分用汇编语言写成，具有良好 的可移植性，本系统选用i _ t c o s i i 操作系统。 3 2 2l ac o s - i i 的内核体系 p c o s i i 是多任务的实时内核，包括任务管理、任务调度、任务的通信与同步、 时间和内存管理等操作系统的基本功能。其体系结构如图3 3 所示： u c o s - 的任务集台 l 任务，i 冈it 一“一j 。卜度 臌务请堆，响应 l 秉统韧始化ll 任务警厦ll 任务调度ii 时问管理i 倩号量邮籍，钠息队列服务内存瞥理 u c l o s i i 系统的内核 图3 3 嵋o s i i 体系结构图 1 3 华北电力大学硕士学位论文 p c o s i i 系统中，内核负责管理不同的任务，给每个任务分配c p u 时间及其相 关的资源，并且负责任务之间的通信。应用程序被分成若干个任务，由实时内核来 管理它们，从而使实时内核可以大大简化系统的设计。内核提供信号量管理、邮箱、 消息队列、延时等系统服务，负责实现任务之间的切换、调度，有效地利用c p u 。 3 3 任务管理和调度1 1 1 3 3 1 任务管理 p c o s i i 将应用程序分成若干任务，且至少要有一个任务。p c o s i i 可以管理 多达6 4 个任务，一个任务通常是一个无限的循环，每个任务都被赋予一定的优先 级而不能重复，任务的优先级唯一标识了该任务。优先级号越低，任务的优先级越 高。每个任务有自己的一套寄存器和任务堆栈空间，任务处于非运行态时，该任务 的现场被保存到自己的栈空间中，当任务处于运行态时，任务的现场从栈空间恢复 到c p u 寄存器中运行。程序清单3 - 1 所示是一个任务的基本流程： v o i dt a s k ( v o i d p d a t a ) i n t 8 ue r r ； i n i t t i m e r o ； 可选 f o r ( ；) 您的应用程序代码 o s t i m e d l y ( 1 ) ；可选 p c o s i i 提供进行任务管理的各种函数，包括创建、删除任务，改变任务优先 级、挂起和恢复任务等。系统初始化时会自动运行两个系统任务：空闲任务 o s t a s k l d e l o ，其优先级最低，定为o s l o w e s t - p r i o ，该任务在没有其它任务进 入就绪态时才运行；另一个是统计任务o s t a s k s t a t ( ) ，优先级为 o s l o w e s t - p r i o 1 ，每秒钟运行一次，负责计算当前c p u 利用率。 任务在内核的控制下，根据具体情况在5 种不同状态之间切换： 睡眠态：任务驻留在程序空间，还没有交给系统内核管理。 就绪态：任务一旦建立，这个任务就进入了就绪态，准备运行。 运行念：任务获得了c p u 的使用权，正在运行。调用函数o s s t a r t ( ) 可以启动 1 4 华北电力大学硕士学位论文 多任务，该函数用于运行初始化代码中已经建立的、进入就绪态的优先级最高的任 务。 等待状态( 又称挂起态) ：任务进入等待状态，下一个优先级最高的、并进入 了就绪态的任务立刻被赋予了c p u 的控制权。正在运行的任务可以通过调用 o s t i m e d l y ( ) 或o s t i m e d i y h m s m 0 函数将自身延迟一段时间而进入等待状态，并强 制执行任务切换。也可调用o s s e m p e n d 0 ，o s m b o x p e n d 0 ，或o s q p e n d 0 来等待某 一事件的发生。若事件未发生，则调用上述函数的任务进入等待状态，直到事件发 生，这时下一个优先级最高的任务就获得了c p u 的使用权。当所有任务都处于等待 状态或睡眠状态时，系统执行空闲任务o s t a s k l d l e 0 。 中断服务态：发生中断时，正在执行的任务进入等待状态，中断服务予程序控 制了c p u 的使用权。它可能会使一个或多个任务进入就绪态。因此中断返回之前会 判断被中断的任务是否还是就绪态任务中优先级最高的任务，是则原来被中断的任 务将继续运行，不是则切换到优先级最高的任务。 如图3 4 所示为任务间的状态转换图： 磊蕊 0 s t a s k d e l ( 1 o s t m k c r e a t o o s t a s k c r c a t e x t o 。右珏= ：s 万7 o s m b o x p c 。n d 0 0 s q po s t f r o n t 0 | o v s o s , c c m r p e u u n d u o 。o s 。s e m p o s t ob 试赢茹茹o ) s 协k r “u m e o r 毛崭磊：舔i ” ；t i m e d l y k e s u m 。0 文磊二：试h m s m o o s t in w t i c k 0 。t 一 gos麓intexit00st a s ks w 0 堂 甲研 鼍霉碧苎咬，哭孚咬廷笙 c 嘧蕊，霜赢赢两厂嘣一 o s t a s k d c l 0 图3 - 4 任务间的状态转换图 i - l c o s i i 是通过任务控制块( o s t c b ) 的方式对任务进行管理的，任务建立 后，任务控制块就会被赋值。任务控制块是一个数据结构，全部驻留在r a m 中。 当任务的c p u 使用权被剥夺时，p c o s i i 用它来保存该任务的状态。当任务得到 c p u 使用权时，任务控制块能确保任务从被中断点无差错地执行下去。 3 ，3 2 任务调度 i u c o s i i 总是运行进入就绪状态的优先级最高的任务。在p c o s i i 中，任务切 换分为任务级切换和中断级切换。其中任务级切换是通过发软中断指令或依靠处理 器执行陷阱指令来完成的。软中断指令会强制将一些处理器寄存器保存到当前任务 华北电力大学硕士学位论文 的堆栈中，并执行任务调度。其目的是使处于就绪态的任务的堆栈结构看起来就像 刚发生过中断并将全部寄存器保存在堆栈的情形一样。任务级的调度是由函数 o s s c h e d o 完成，中断级的调度是由另一个函数o s i n t e x i t 0 完成的。函数o s s c h e d ( ) 程序清单3 2 ： v o i do s s c h e d ( v o i d ) 关中断； i f ( 不是在中断中调用该函数且任务调度未被上锁) 查询就绪表找到优先级最高的任务； i f ( 该优先级最高任务不是当前正在运行任务) 得到优先级最高任务的任务控制块； 调用o s _ t a s k _ s w 0 进行任务切换； 开中断； ) 它先判断要进行任务切换的条件，如果条件允许进行任务调度，则调用 o s _ 1 认s k s w o 。o s t a s ks w o 是任务切换函数o s c t x s w 0 的宏调用，这个函数 是真证实现任务调度的函数。由于期间要对堆栈进行操作，所以o s c t x s w ( ) - - 般用 汇编语言写成。它将正在运行的任务的c p u 的s r 寄存器推入堆栈，然后把r 4 r 1 5 压栈。接着把当前的s p 保存在t c b o s t c b s t l ( p t r 中，然后把最高优先级的 t c b 一 o s t c b s t k p t r 的值赋值给s p 。这时候，s p 就已经指到最高优先级任务的任务 堆栈了。然后进行出栈工作，把r 1 5 r 4 出栈。接着使用r e t i 返回，这样就把s r 和p c 出栈了。简单地说，l _ t c o s i i 切换到最高优先级的任务，只是恢复最高优先 级任务所有的寄存器并运行中断返回指令( r e t i ) ，实际上，所作的只是人为地模 仿了一次中断。 中断级的调度在中断服务子程序中完成。“c o s - i i 的中断服务子程序要用汇编 语言写，因为在中断服务子程序中要涉及到寄存器的操作。下面的程序清单3 ，3 是 中断服务子程序的一般处理过程的伪代码： 保存全部c p u 寄存器； 调用o s i n t e n t e r 或o s i n t n e s t i n g + + ； 执行用户代码做中断服务； 调用中断级任务调度函数o s i n t e x i t 0 ； 1 6 华北电力大学硕士学位论文 恢复所有c p u 寄存器； 执行中断返回指令： 在中断服务子程序中，“c o s i i 需要知道用户在做中断服务，故用户应该调用 o s i n t e n t e r o ，或者将全程变量中断嵌套标志o s i n t n e s t i n g 直接加1 。内核通过判断 o s i n t n e s t i n g 的值来了解中断嵌套情况。中断服务子程序退出时则要调用中断级任 务调度函数o s i n t e x i t 0 ，在o s i n t e x i t o 中首先将o s i n t n e s t i n g 减1 ，如果此时中断 服务子程序使优先级更高的任务就绪且没有中断嵌套，则o s i n t e x i t 0 函数会调用真 正的中断级任务切换函数o s i n t c t x s w 0 进行任务切换，否则继续运行中断前的任务。 这罩需注意中断级的任务切换和任务级的任务切换的不同之处，任务级的任务 切换调用的是o s c t x s w 0 ，中断级的任务切换调用的是o s i n t c t x s w 0 ，这在后面的 移植代码处详细介绍。 3 3 3 时钟节拍 i u c o s i i 需要用户提供周期性信号源，用于实现时间延时和确认超时。时钟节 拍是特定的周期性中断，这个中断的时间间隔取决于不同的处理器和应用，一般在 1 0 m s - 2 0 0 m s 之间。时钟节拍中断使得内核可以将任务延时若干个整数时钟节拍， 以及当任务等待事件发生( 如信号量) 发生时，提供等待超时的依据。o s t i m t i e k 0 是时钟节拍中断服务函数，类似于一个定时器中断，在移植到特定处理器上时，通 常都用目标处理器的定时器做时钟节拍源。本系统使用的是m s p 4 3 0 f 1 4 9 的硬件时 钟源看门狗定时器作为时钟节拍源，并根据实际需要，确定时钟节拍频率 0 st i c k sp e rs e c 为3 3 h z ，时间间隔为3 2 m s 。 3 4 任务间通信与同步 3 4 1 事件控制块 p _ c o s i i 中，任务问或中断服务程序与任务间经常需要交换信息，可以通过发 信号的方式来实现任务间的通信与同步。所有的信号都被看成是事件( e v e n t ) 。 p , c o s i i 提供了几种基本事件，分别是信号量、邮箱、消息队列等。一个任务或者 中断服务子程序是通过事件控制块e c b ( e v e n tc o n t r o lb l o c k s ) 来向另外的任务发 信号的，一个任务还可以等待另一个任务或中断服务子程序给它发送信号。 i t c o s i i 中定义的o se v e n t 数据结构来维护一个事件控制块的所有信息。 该结构中除了包含了事件本身的定义，如用于信号量的计数器，用于指向邮箱的指 针，以及指向消息队列的指针数组等，还定义了等待该事件的所有任务的列表。 o se v e n t 数据结构如程序清单3 4 所示。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 t y p e d e fs t r u c t v o i d * o s e v e n t p t r ；指向消息或者消息队列的指针 i n t 8 uo s e v e n t t b l o se v e n t j b l _ s i z e ；等待任务列表 i n t l 6 uo s e v e n t c n t ； 计数器( 当事件是信号量时) i n t 8 uo s e v e n t t y p e ；时间类型 i n t 8