（微电子学与固体电子学专业论文）智能电机综合保护器的实时性优化设计.pdf

ad e s i g na n do p t i m i z eo f 玳t e l l ig e n ta n d c o m p i 也h e n s i v em o t o r p r o t e c t o r at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y y u y a n g s u p e r v i s e dby芝ulaervlseo 1 9 p r o f e s s o rl u s h e n g l i s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r 2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名i 罕旦 日期：印够彳即弓日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：赴导师签名： 摘要 摘要 电机保护器是现代生产中十分重要的电气保护设备，它可以实时监控电机运行的状态，及时判 别电动机的各种故障。电机保护器的实时性是准确保护的关键，实时性的优化可以提高保护器的响 应能力，对电机故障的反应更加灵敏。 论文介绍了电机保护器的研究背景以及嵌入式系统实时性的基本概念，从电机保护器的硬件平 台、操作系统、上层算法等层次深入分析了实时性的主要影响因素，并对电机保护器的时间模型作 了详细讨论。以s e p 4 0 2 0 微处理器为核心构建系统硬件平台，对处理器核心模块进行优化配置，实 现了a d 的快速多通道采样，提高了外部实时时钟驱动程序的效率，设计了高速率的通信模块。基 于n u c l e u s 操作系统，对保护器的各个任务进行了设计，突出了保护任务的强实时性需求，各个任 务的功能和优先级得到合理分配，采用片上e s r a m 使得任务运行的效率进一步提升。选用离散傅 氏算法作为系统的交流采样算法，并使用快速算法代替库函数对计算过程进行优化。采用简单有效 的算法完成频率、功率等数据的计算，保证了系统的实时性不受影响。另外，对于保护算法和应用 程序代码的设计提出了一些优化方法，提高了系统的运行效率。 最后，对电机保护器进行了测试验证，并与优化前进行对比分析。结果表明，优化后系统运行 一个完整的保护周期所需时间进一步减小，对于电机故障能够正确判断并及时响应，缩短了动作延 迟，实时性进一步提高，同时还能保证较好的测量精度。 关键词：电机保护；实时性；傅氏算法；s e p 4 0 2 0 ：n u c l e u s a b s t r a c t a b s t r a c t m o t o rp r o t e c t o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e c t r i c a le q u i p m e n t si nm o d e mi n d u s t r y i t su s e dt o s u r v e yt h er u n n i n gs t a t u so ft h em o t o r s ，d e t e c ta n yp o t e n t i a lf a i l u r e r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ei st h ek e y c a p a b i l i t yo fam o t o rp r o t e c t o r n l ei m p r o v i n go fr e a l - t i m ep e r f o r m a n c ew i l lm a k eaf a s t e rr e s p o n s et ot h e p o t e n t i a lf a i l u r e so f t h em o t o r t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h em o t o rp r o t e c t o ra n dt h eb a s i ct h e o r yo ft h er e a l t i m e p e r f o r m a n c eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，a n dt h e na n a l y z e st h em a i nf a c t o r so ft h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e f r o ma s p e c t ss u c ha sh a r d w a r e ，o p e r a t i n gs y s t e ma n da l g o r i t h m ，a n dt h e na n a l y z e st h et i m em o d e lo ft h e m o t o rp r o t e c t o rs y s t e m t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h em o t o rp r o t e c t o ri sc o n s t r u c t e db a s e do nt h e m i c r o p r o c e s s o rs e p 4 0 2 0 n i sp a p e ro p t i m i z e st h ec o n f i g u r a t i o no fm i c r o p r o c e s s o rm o d u l e a n dt h e n r e a l i z e st h eh i g h s p e e dm u l t i - c h a n n e ls a m p l i n gf r o ma d ，a n ds i m p l i f i e st h ed r i v e rc o d e so fr e a l - t i m ec l o c k m o d u l ea n dd e s i g n st h eh i 曲s p e e dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e b a s e do nn u c l e u so p e r a t i n gs y s t e m ，t h e s y s t e mt a s k sa r ed e s i g n e di nam o r ee f f i c i e n tw a y , e s p e c i a l l ye n h a n c e st h er e a l - t i m el e v e lo ft h ep r o t e c t i o n t a s k n l ee f f i c i e n c yo fa l lt h et a s k si si m p r o v e db yr u n n i n gi nt h eo n - c h i pe s r a m d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r mi ss e l e c t e da st h ed a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h m ，a n ds o m ef a s tc a l c u l a t i n gm e t h o da r eu s e dt o i m p r o v et h es p e e do fd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m f r e q u e n c ya n dp o w e ri sc a l c u l a t e di nas i m p l eb u t e f f i c i e n tw a y , i no r d e rn o tt oa f f e c tt h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m a n dt h ea p p l i c a t i o nc o d e sa n d p r o t e c t i o na l g o r i t h ma r ea l s oo p t i m i z e di nt h ed e s i g np r o c e s s a tl a s t ，t h eo p t i m i z e dm o t o rp r o t e c t o ri st e s t e da n dt h ed a t ai sa n a l y z e di nc o m p a r i s o n i t si n d i c a t e d t h a tt h ep r o t e c t i o nc y c l eh a sb e e nr e d u c e d 1 1 1 ep r o t e c t o rd e t e c t st h em o t o rf a i l u r e se x a c t l ya n dr e s p o n s e s m o r ep r o m p t l y t h ep r o t e c t o rm a k e sag r e a tp r o g r e s si nr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dt h ep r e c i s i o nr e a c h e sa n a c c e p t a b l el e v e l k e yw o r d s ： m o t o rp r o t e c t i o n ；r e a l - t i m e ；f o u r i e ra l g o r i t h m ：s e p 4 0 2 0 ；n u c l e u s 日录 摘要。 目录 a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论。 1 1 研究背景l 1 2 论文的主要工作和目标2 1 3 论文组织结构3 第二章嵌入式系统的实时性4 2 1 实时性的基本原理4 2 1 1 实时系统的定义。4 2 1 2 实时系统的分类4 2 1 3 实时性的衡量指标4 2 2 影响实时性的软硬件因素5 2 2 1 硬件平台6 2 2 2 实时操作系统9 2 2 3 交流采样算法1 0 2 2 4 其它上层算法1 2 2 3 电机保护器的实时性分析一1 4 2 4 本章小结l6 第三章硬件平台的设计1 7 3 1 电机保护器系统结构与功能1 7 3 2 微处理器核心模块的配置1 7 3 2 1 微处理器核心模块简介。1 7 3 2 2 微处理器的主频配置1 9 3 2 3s d r 气m 时序配置l9 3 3a d 多通道采样2l 3 3 1a d 7 9 2 7 及其电路连接2 l 3 3 2 多通道采样方式设计。2 l 3 4 实时时钟模块的设计2 2 3 4 1d s l 3 0 2 及其电路连接2 2 3 4 2d s l 3 0 2 驱动的优化2 2 3 5 通信模块设计2 4 3 5 1 通信模块简介2 4 3 5 2 波特率的提高2 5 3 5 3 使用中断方式通信2 5 3 6 本章小结2 5 i i i 目录 第四章系统任务的设计 4 1 实时操作系统n u c l e u s 2 6 4 1 1n u c l e u sp l u s 内核2 6 4 1 2n u c l e u s 的中断管理与任务调度2 6 4 2 系统软件构架一2 7 4 3 系统任务设计2 9 4 3 1 交流采样一2 9 4 3 2 保护任务3 0 4 3 3 频率、功率与电度的计算3l 4 3 4 通信任务31 4 3 5 信息记录3 2 4 3 6 人机交互3 2 4 4 映像文件的加载3 3 4 4 1s c a t t e r 文件概述3 3 4 4 2 映像文件的地址映射优化3 4 4 5 本章小结3 4 第五章上层算法的实现3 5 5 1 交流采样算法3 5 5 1 1d f t 算法的优势3 5 5 1 2d f t 计算速度的优化3 5 5 2 常用计量算法的实现3 7 5 2 1 改进的软件测频法3 7 5 2 2 功率的计算3 8 5 2 3 电度的计算3 9 5 3 保护算法的设计3 9 5 4 应用程序代码的优化4 0 5 5 本章小结。4 l 第六章系统测试与结果分析4 2 6 1 电机保护器测试平台4 2 6 2 优化效果测试4 3 6 3 精度测试4 4 6 4 综合保护功能的实时性测试4 5 6 5 本章小结4 6 第七章总结与展望。4 7 7 1 总结。4 7 7 2 月民望。：4 7 参考文献。 致谢。 4 9 4 8 攻读硕士学位期间的成果和发表的论文。5 l i v 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 电动机在工农业生产中占有十分重要的地位。在煤矿厂、水泥厂、化工厂等大型工业企业，电 动机提供了动力来源，是工农业生产、国防建设和人民生活正常进行的重要保证。然而，在生产过 程中造成电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，这就给工农业生产带来了巨大的损失。 电机保护器的应用为企业的安全生产提供了保障，有效地降低了电机事故发生率。随着电气技 术的发展，电机保护器经历了热继电器保护方式、模拟电予保护方式和以嵌入式微处理器为核心的 智能化保护方式这三个阶段。对于传统的热继电器和模拟电子式电机保护器，它们能够实现的功 能都比较单一，而且由于自身元件在物理特性上存在差异，对电流互感器的非线性问题束手无策， 即使可以校正也会使线路变得非常复杂。另外，这些传统的保护器的整定精度不高，从而无法保证 保护阈值的准确性和时间确定性，而且随着使用时间的延长，内部元件的老化加剧，使得精度进一 步下降。这些都是传统的热继电器和模拟电子式保护器无法克服的内在缺陷瞻儿副。 1 9 6 9 年，美国西屋公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i c ) 研制出第一套比较完整的用于现场的计算机 保护样机，标志着继电保护技术进入了微机智能保护的时代。在我国，微机保护的研究主要集中在 线路保护，微机元件保护的研究工作稍晚于线路保护，但也主要集中在对母线保护装置、变压器保 护装置、发电机保护装置等方面的研究。直到9 0 年代以后，微处理器才开始进入电动机保护领域h 1 。 基于微处理器的智能化保护方式是电机保护史上的重大变革。这类保护器采用周期采样控制的 方式，把采集来的数据进行处理，得到交流信号的有效值和相位，根据一定的保护判断法则来确定 电动机的运转状态，从而实时地对电机进行监控。智能电机保护器可选用单片机、d s p 或a r m 作 为控制与计算核心，对于实时性要求较高的场合，还可采用d s p + a r m 的方式，用d s p 来完成数据 运算，而a r m 只负责控制，这样就大大提高了计算与控制的效率。智能电机保护器采用实时嵌入 式操作系统，常见的有u c o s 、r t - l i n u x 、n u c l e u s 、v x w o r k s 等等，其中n u c l e u s 和v x w o r k s 具有 出色的硬实时表现，对于实现最佳的系统实时性能有着蕈要最用。电机保护器对于采样数据的处理 是通过一定的交流采样算法实现的。交流采样算法的实时性和精度决定了系统响应的实时性和准确 性。常用的交流采样算法有半蒯积分法、均方根算法、傅氏算法及最小二乘滤波算法等。一般来说， 精度和速度往往是一对矛盾，复杂的算法一般计算量大但精度较苗，简单的算法通常计算量小但精 度较低。在数据的传输与通信上，智能电机保护器可采用电力系统常用的m o d b u s 、d n p 3 、i e c6 1 8 5 0 5 1 或者p r o f i b u s 饰1 进行通讯，也有的为了便于现场的安装使用，采用无线的z i g b e e 或者g s m 口1 方式组 建通讯网络。 与传统的热继电器和模拟电子保护器相比，微机保护的优点是显而易见的。它具有高度的灵活 性，通过软件的更换，便可获得不同原理的保护装置，易于实现新的保护原理；其人机对话功能强， 可实施各种复杂的算法和保护功能；由于能够方便地被赋予自检、测试功能，从而减少了装置的维 修工作量，避免了因装置缺陷引起的保护误动作，保护功能和工作可靠性大为提高；它具有通讯功 能，能与中央控制计算机进行双向通讯，形成监控、保护与信息网络系统哺】。 国外一些著名的电器公司纷纷推出以为微处理器为核心的智能化电机保护器。比如：韩国 s a m w h a 公司的e o c r 电机保护器，l g 公司的d 系列电机保护器，瑞士a b b 公司的m 1 0 2 p 电 机保护器。这些保护器本质上不同于传统的非智能保护器，由于嵌入式微处理器和实时操作系统的 应用，使得保护器的可定制性、多任务和多功能化都有了很大的提高，尤其在实时性方面得到了改 善。 国内不少知名电气公司也在参与智能电机保护器的研发。例如，上海万谱研制成功的s w j 2 系 列电动机保护器具有远程通讯、声光报警、综合保护、故障记忆等多种功能，在国内外同类产品中 东南人学硕士学位论文 处丁领先地位涩1 。另外，浙江欣灵电气股份有限公司生产的j d 5 系列及h h d 型电动机保护器，具 有断相、堵转、过流等保护功能，且过流保护具有良好的反时限特性，适用于一些分散和功率较小 的电机。苍南自动化仪表有限公司生产的w d b 型电动机保护器，是目前国内低压电动机保护器的 较新产品，具有采样精度高、故障参数保存、结构模块化、安全性高等特点，适用于一些功率较大 和集中的电机恤1 。 目前，微机化的智能电机保护器开始逐渐取代传统的保护器，成为电机保护器的主流。智能电 机保护器作为一种实时控制装置，要求系统必须在明确的有界时间范围内，对故障信号做出响应， 及时准确地实施保护。实时性是保护器系统的关键性能，它决定了对电动机故障的检测灵敏度以及 输出保护信号的准时性，直接影响了电动机的安全运行。智能保护器的实时性受到底层硬件性能、 操作系统实时性、上层算法实时性等多种凶素的影响。保护器系统中的各项任务只能从有限的系统 资源当中分配各自的权重，往往精度的提高，会造成实时性的降低。尽管电机保护器种类繁多，但 电动机损坏的事件仍经常发生，关键问题在于许多电机保护器设计不够完善，一些保护器受到性能 限制，导致保护周期较长，对于故障的响应灵敏度不够，保护装置误动、拒动的情况时有发生，实 时性没有达到较高的水平。 因此，智能电机保护器实时性的提高具有十分重要的意义。实时性的提高可以充分保证采样和 保护等核心功能在严格的截止时限之前完成，加快保护器对于外界异步故障的响应速度，避免误动 和拒动的发生，同时系统中其它任务也能够良好地协同运行，真正实现电机保护器的多功能和智能 化，对于保障企业生产线安全有着重要作用。 1 2 论文的主要工作和目标 论文针对智能电机保护器的软硬件结构，分析影响系统实时性的主要因素，从多个层次对系统 进行设计与优化，实现了以s e p 4 0 2 0 微处理器为核心的电机保护器的实时性提升。 论文主要工作如下： ( 1 ) 对系统的实时性原理进行分析，研究影响系统实时性的软硬件因素，并针对电机保护器的 时问模型作了详细讨论，得出了满足实时性的必要条件，明确了实时性优化的方向； ( 2 ) 在硬件平台上，设计了电机保护器的系统构架，对微处理器核心模块进行优化配置，采用 自动序列方式在一个中断过程中实现a d 的多通道采样，减少外部时钟驱动中的冗余延时，提升通 讯模块的速率和异步响应能力。 ( 3 ) 在系统任务的设计上，结合n u c l e u s 操作系统的特点，划分任务功能，合理分配任务的优 先级和实时性。利用s c a t t e r 文件将系统中各个任务的文件映像进行了优化加载，进一步提高效率。 ( 4 ) 在上层算法上，提高交流采样算法的计算速度，采用简单有效的算法完成频率、功率等数 据的计算，对于保护算法和应用程序代码的设计也进行了一些优化。 ( 5 ) 利用测试平台，对优化后的保护器装置作进一步的测试，并对结果进行分析。 论文主要目标如下： ( 1 ) 在s e p 4 0 2 0 硬件核心和n u c l e u s 操作系统平台下，实现智能电机保护器所具有的多样化、 智能化的综合保护，并具有通讯、人机交互等功能； ( 2 ) 采样、保护、通讯等任务满足各自的实时性需求，保护周期控制在5 m s 以内： ( 3 ) 提高交流采样算法的计算速度，采样率达到1 0 0 0 h z ；采用简单高效的电度、频率算法，既 能保证实时性，又能使测量的精度达到基本需求；全部的计算工作控制在3 m s 以内； ( 4 ) 电流、电压的测算具有较高的精度，保护阈值误差不超过0 5 ( 5 ) 当设定的保护动作延时不大于2 s 时，动作时间误差不超过3 0 m s ；当保护延时大于2 s 时， 动作时间误差不超过0 5 2 第一章绪论 1 3 论文组织结构 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 绪论：介绍了电机保护器的研究背景和实时性优化的意义，提出了课题研究目标。 嵌入式系统的实时性：介绍了嵌入式系统实时性的基本概念，从硬件平台、操作系统、 上层算法三个层次分析了影响电机保护器实时性的各种因素，并对电机保护器的时间 模型进行了详细分析，明确了实时性优化的方向。 硬件平台的设计：设计了系统构架，对微处理器核心模块进行优化配置，实现a d 的 快速多通道采样，减少外部时钟驱动中的冗余延时，提升通讯模块的速率和异步响应 能力。 系统任务的设计：介绍了n u c l e u s 操作系统的实时性特点，设计了系统软件构架，对 操作系统各个任务进行优化，突出关键任务的实时性，并对任务代码的映像加载进行 了优化配置。 上层算法的实现：对交流采样算法、保护算法、测频算法及功率、电度的计算方法进 行了实现及优化，对应用程序代码使用了一些常用的优化措施。 系统测试与结果分析：介绍了系统的测试平台，对本文进行的三个层次的优化进行了 整体性能测试。结果表明，系统对于电机故障能够正确判断并及时响应，保护动作的 实时性和准确性进一步提高，测量精度能够达到可接受的水平。 总结与展望：对全文的论述作最后的总结，根据本文设计及优化中的不足提出下一步 的改进方向。 3 第二章嵌入式系统的实时性 第二章嵌入式系统的实时性 2 1 实时性的基本原理 2 1 1 实时系统的定义 在嵌入式控制系统中，从系统对外部信号的采样与计算，到系统做出反应、与外界进行信息交 互的一系列过程中，有些操作必须在一定时间内完成，否则会造成系统故障。这些操作或控制对系 统提出了实时性的要求，使其对信号的输入、运算和保护控制输出都要在规定的时问内完成，并根 据生产过程的变化及时地进行处理。 因此，实时性就是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部事件做出响应的能力。能够 达到这种实时要求的控制被称为实时控制，而用于实时控制的系统就成为实时系统。具体来说，对 于任何一个激励响应系统，都有一个从激励输入到响应输出的时间，即激励响应周期r ，它表现为 系统的时间响应能力。如果系统的响应时间r 能满足系统所规定的响应时间t 的要求，即咫，则 这个系统即是实时的引。 2 1 2 实时系统的分类 ( 1 ) 硬实时系统 硬实时系统对实时性的要求很强，从数据的获取和计算，到最终系统做出响应，任何一个环节 的时间消耗或延迟都有严格的限制，我们把这个时间限制叫做时限( d e a d l i n e ) 。硬实时系统中的任 务具有严格的时限，响应不及时或响应过早都会带来严重的后果。 ( 2 ) 软实时系统 与硬实时系统不同，软实时系统的时限是比较灵活的，它可以容忍偶然的超时，并不会引起致 命的错误或崩溃。但是随着超时延迟时间的增加，其代价也会随着增大。 ( 3 ) 混合系统 混合系统中的任务有些是强实时的，有些对实时性的要求并不高，大多数嵌入式实时系统属于 这一类。智能电机保护器属于嵌入式系统在电气自动化领域的应用，也可以看作混合系统，它的保 护任务必须是强实时的，而用于界面显示和菜单操作的人机交互任务则对实时性没有要求，其任务 的优先级也较低。 2 1 3 实时性的衡量指标 在实时系统中，通常用以下3 个指标u 1 1 来衡量系统的实时性： ( 1 ) 响应时间( r e s p o n s et i m e ) ： 响应时间是指计算机识别一个外部事件到做出响应的时间，它是控制应用中最重要的指标。如 果事件不能及时的响应，系统可能崩溃。不同的过程有不同的响应时间要求。对于一些慢变化过程， 具有几分钟甚至更长的响应时间都可以认为是实时的；对于快速变化过程，其响应时间要求达到毫 秒、微秒、甚至纳秒。因此，实时性不能单纯从绝对的响应时间长短上来衡量，应当根据不同的对 象，在相对意义上进行评价。 4 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 生存时间( s u r v i v a l 陆e ) ： 生存时间是指数据的有效等待时间，数据只有在这段时间内才是有效的。如果任务执行时间超 出了获取数据的截止时限，那么获得的数据是无意义的，或者有效性大大降低； ( 3 ) 吞吐龟( t h r o u g h p u t ) ： 吞吐量是指在一个给定时间内，系统可以处理的事件总数。例如通讯控制器用每秒钟处理的字 符数来表示吞吐量，吞吐晕可以是平均响应时间的倒数，但它通常比这个倒数要小一些，因为在每 次响应后可能需要一段时间进行清理，这段时间就称为恢复时间( r e c o v e r yt i m e ) 。 2 2 影响实时性的软硬件因素 智能电机保护器是嵌入式系统在电气自动化领域的应用，本身具有嵌入式系统的典型特征。对 于电机保护器的实时性分析可参照嵌入式系统的实时性分析方法，结合电机保护器自身的特点和要 求，寻找影响实时性的相关因素。 一个完整的电机保护器的软硬件结构层次如图2 1 所示，可归纳为硬件平台、操作系统、上层 算法三个层次，这通常也是一般的嵌入式系统共有的结构特点。系统的实时性取决于软硬件体系结 构的性能，而软硬件各个层次之间也存在着相互的关联。 在硬件平台层次上，微处理器的性能，外部存储器的读写速度，通讯端口的传输速度等，决定 了系统数据传输、代码运行的速度。高速的硬件体系减少了延迟时间，从而有利于任务在截止时限 前完成，提高了实时性。操作系统任务和应用程序代码的运行速度均依赖于硬件体系的性能。硬件 平台性能的提升几乎有利于减小上述所有实时性相关的时间参量。与各个硬件模块相对应的设备驱 动程序的效率也十分重要。对于操作比较频繁的模块，例如外部实时时钟( r e a l - t i m ec l o c k , r t c ) 和a d 转换器等，简洁i 每效的驱动程序可以从宏观上节约大量的时间，有利于维护实时性要求。 上层算法 操作系统 硬件平台 上层算法( 傅氏算法、软件测频等) | | 弋7 操作系统内核 系统任务( 保护、通讯、人机交互任务等) 任务管理中断管理 一l - 一一一一士一一士一一- l 一一一士一一一 一一 a du a r tr t cf l a s h l e d 键盘 硬件抽象层h a l 驱动 驱动驱动驱动。驱动 1 llj rj r1 l l c p u ，系统时 a d串口r t cf l a s h l e d 钟，中断控制器键盘 图2 - i电机保护器体系结构 操作系统的实时性对整个系统的实时性也有重要影响。操作系统的实时性主要与任务切换时间、 抢占时间、中断延迟时间、信号量延迟时间、死锁解脱时间等参数有关。其中比较重要的是任务切 换时间和中断延迟时间。由于实时系统多任务的特性，系统会经常地从一个任务切换到另一个任务， 这会产生系统调度时间正。 ，疋曲决定了高优先级任务的响应速度。而且任务切换的次数越多，在一 个保护周期内耗费的总调度时问就越长。对于使用中断方式采样的电机保护器，操作系统的中断延 迟时间协也有着较大的影响。中断的间隔越频繁，两次中断之间的时间间隔就越小，死抽，在间隔 中所占的比例就越大。兀妇，与中断处理i s r 的执行时间之和应小于中断间隔，否则无法完成中断应 5 第二章嵌入式系统的实时性 实现的功能。勉协也是中断响应的一项重要指标，决定了系统响应的实时性。 另外，在硬件平台和操作系统确定以后，上层算法的效率最终会直接影响到系统实时性。上层 算法包括对采样点进行处理的交流采样算法，对故障进行判断的保护算法，以及对现场信息比如频 率、功率进行测算的计量算法。不同的交流采样算法，其精度和实时性也不同，需要根据系统的实 时性需求来选择，并采用一定的方式减小运算量，提高速度。保护算法的实现方式对于短时间内及 时响应外部故障有着重要意义。交流采样算法和保护算法在每个保护周期内必须执行一次，对实时 性的要求很高，它们的执行时间分别为乃c 和。算法速度的提升有利于减小乃c 和，保证任 务在截止时限前完成，从而提高了实时性。计量算法的结果仅作为现场参考，优先级低于前两种上 层算法，但高于人机交互任务。计量算法在多个保护周期内完成一次即可，但该算法也不能占用太 长时间，否则会影响低优先级任务的运行。 以上各个层次的实时性能最终会影响到保护周期的火小。保护周期是衡量保护器实时性水平 的重要指标，它决定了保护器的软件响应延迟。要提高保护器的实时性，就要力求使昂尽量小。而 耳的设置受到系统中的各个时间因素包括t 曲，乃c ，吃咖和t l s r 等参数值的影响，这些参 数值与系统的硬件平台、操作系统及上层算法都有关。本文主要从这三个层次来分析系统实时性的 影响囚素。 2 2 1 硬件平台 硬件是整个系统的基础，它的性能直接决定了保护器实时性的最优上界。在软件实时性不变的 情况下，硬件速度越快，则保护器中程序运行的速度越快，进而保护器的采样与保护周期可以设置 得越小，整个系统的实时性能越好。 根据电机保护器的工作原理町知，外界交流信号首先经过a d 采样转换，然后数据送入微处理 器进行处理，最后驱动保护输出电路实施保护。保护器对外界的响应时间包括输入、处理、输出的 总延迟，因而a d 、微处理器和保护输出构成了电机保护器的关键路径。存储器与微处理器之间存 在着大量的频繁的数据交换，对系统性能产生潜在的影响。这四个部分构成了硬件平台的核心。 图2 - 2电机保护器硬件平台核心 ( 1 ) 微处理器 微处理器是硬件平台的核心，它的处理能力决定了系统的速度，进而影响着采样和保护周期， 同时它对存储器的访问速度也很重要，因此高性能微处理器的选型与实时性评估是关键。 电机保护器使用的处理器从8 位的单片机逐步发展到3 2 位的嵌入式微处理器，随着集成电路技 术的发展，又出现了将微处理器、模拟i p 核、数字i p 核和存储器( 或片外存储控制接口) 集成在 单一芯片上的片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。s o c 的性能与自身的结构有关。典型的基于a m b a 总线的片上系统s o c 的构架如图2 3 所示纠引。 6 ( a h b 或 高性能和 而系统的 线和外设 都是重要 的，对于 使用提高 外，在寄 存器数量、浮点处理、分支预测和存储系统等方面具有优势的c p u 具有更优秀的实时性表现【1 引。 s o c 通过片上总线方式实现i p 核之间的数据通信。a m b a 片上总线普遍采用并发多主设备总 线体系，定义了各个模块之间初始化、仲裁、请求传输、响应、发送接收等过程中的驱动、时序、 策略等关系，消除了传统总线系统中一次仅有一个主设备可以访问系统总线的带宽瓶颈，增加了系 统带宽。片上总线的优点是可以分开高、低速外设，使用更简单且速度更快，最大发挥较快外设的 性能，从而提高整个系统的性能，这对于实现高水平的实时系统有着重要意义。 ( 2 ) 存储器 硬件系统中的存储器包括s o c 的内部集成s r a m ，以及外部扩展的s r a m 、s d r a m 和f l a s h 等等。 s r a m ( 静态随机存取存储器) 的每个存储单元由6 个m o s f e t 组成。其中4 个m o s f e t 组 成了两个交叉耦合反向器，另外两个m o s f e t 用于控制读或写操作过程中对存储单元的访问。当 s r a m 单元被赋予0 或者1 的状态之后，会保持这个状态，因而不必进行定时刷新操作。s r a m 的 行列地址是独立的，具有速度非常快、控制简单等特点。微处理器内部的s r a m 是最早、最成熟的 嵌入式存储器，广泛应用于c p u 的一级c a c h e 和二级c a c h e 、网络处理器的帧缓冲器等领域。 d r a m ( 动态随机存取存储器) 是一种以电荷形式进行存储的半导体存储器。d r a m 中的每个 存储单元由一个晶体管和一个m o s 电容器组成，数据存储在电容器中，电容器会由于漏电而导致电 荷丢失，因此d r a m 必须有规律地进行刷新。处理器向d r a m 输出地址和控制信号之后，需要经 过一段访问延时，才可以进行数据的读取或写入。d r a m 在访问延时期间进行行列选择、地址译码、 数据读出或写入、数据放大等动作。微处理器必须等待这段延时，因而降低了系统的性能。 s r a m 和d r a m 的存储原理如图2 - 4 所示。 7 第二章嵌入式系统的实时性 r ，一w i o ( a ) s r a m 存储原理 列 图2 _ 4s r a m 和d r a m 存储原理 ( b ) d r a m 存储原理 s d r a m ( 同步动态随机存储器) 在原理上比如基本的存储结构与d r a m 是基本一样的，但是 在整个存储架构的组织上是不同的，在存储单元的控制上也有着相当大的区别。与d r a m 相比， s d r a m 的最大特点就是可以与系统时钟i 一步，s d r a m 的所有输入或输出信号均在系统时钟c l k 的上升沿被存储器内部电路锁定或输出，避免了无意义的延时等待，减少了数据传输的延迟。 相比较而言，在通常情况下s r a m 存取速度比s d r a m 快得多，并且比s d r a m 具有更高的稳 定性。因此，系统中比较耗时的运算或者关键性的代码可以放在片内s r a m 里运行，以减少程序运 行时间，提高系统的实时性。 ( 3 ) a d 转换速率与动态误差 a d 的工作过程一般分为采样、量化、编码三个阶段。转换速率是指a d 完成一次从模拟到数字 的转换所需时间的倒数。采样时间则是指两次转换的间隔。根据a d 实现原理的不同，a d 转换器通 常分为双积分型、逐次逼近犁和并行比较型等多个类别，不同a d 的转换速率存在较大差异。 双积分型a d ：属于间接型a d 转换器，它首先把输入模拟电压通过定时积分转换为一 个中间变量，然后进行反向定速率积分，并用计数器记录反向积分时间l 丁与输入模拟电压成正比。 双积分型a d 的转换时间是毫秒级，属于低速a d 。 逐次逼近型a d ：属于直接型a d 转换器，由比较器、环形分配器、控$ 0 1 1 、寄存器与d a 转换器构成。它通过自身的d a 输出电压与外界模拟信号进行逐级的比较，在逐次比较过程中确定 编码。逐次逼近型a d 的转换时间是微秒级，属于中速a d 。 并行比较型a d ：属于直接型a d 转换器，由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组 成。分压电阻网络将参考电压分为多个等级，外界信号与这些电压进行比较，根据各比较器的参考 电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。并行比较型a d 的转换时间可达到 纳秒级，属于高速a d 。 为了保证转换的正确完成，系统的采样率( s a m p l er a t e ) 必须小于a d 转换速率，才能实现实 时的数据采集。根据香农采样定理，采样率应该至少是被采样信号频率的2 倍。在电机保护、继电 保护等工业应用中，对于5 0 h z 的工频交流信号的采样率通常远高于这个倍数