（模式识别与智能系统专业论文）基于嵌入式技术的微机继电保护应用研究.pdf

中文摘要 摘要 随着电力系统微机继电保护技术的发展，一些新的改善保护性能的原理和方 案逐步得到实际应用，这对微机继电保护装置硬件提出了更高的要求。目前运行 的微机保护装置的c p u 大多为1 6 位单片机，由于单片机受到运算速度等因素的 制约，不易实现更复杂的算法和更高的采样率；同时在目前运行的微机保护装置 软件的编程上采用传统的流程图线性程序，导致软件不易维护、升级换代困难等 问题。近年来，嵌入式技术发展迅速，为微机保护提供了良好的发展机遇，采用 这些新技术开发功能更强大、性能更稳定的微机保护装置已成为新的发展方向。 本课题探讨在微机保护中采用新硬件并引入嵌入式实时操作系统对保护装置 进行技术升级换代改造，硬件系统以a t m e l 公司的3 2 位微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心，软件平台则基于性能出众的小型嵌入式操作系统i _ t c o s i i ，将t t c o s i i 移植到a t 9 1 r m 9 2 0 0 目标硬件中，进行微机保护软件方案的设计。课题研究在以 下几个方面有所创新： 微机保护采用新的硬件平台，以a t 9 1 r m 9 2 0 0 为c p u ，外围接口丰富； 改进了t t c o s i i 的任务栈空间，进一步优化了g c o s i i 的性能； 提出了基于实时操作系统i j t c o s i i 的微机保护软件开发的新思路。 论文指出了传统微机保护中存在的问题，引入了基于r t o s 的微机保护方案； 对i _ t c o s i i 内核原理进行了深入分析，讨论了i _ t c o s i i 任务栈空间的改进设计， 提高了系统性能：设计出了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心的目标硬件系统；探讨了如 何将g c o s i i 成功移植到目标开发板，并实现了嵌入式t c p i p 协议在t t c o s i i 中的嵌入；讨论了基于i _ t c o s i i 的微机保护( 线路距离保护) 软件设计方案，给 出了应用程序模块的设计；所设计的软、硬件经现场调试，运行效果良好，将 t t c o s i i 应用到微机保护中能够较大的提高微型机继电保护装置的性能，使其满 足电力系统发展的实际工程需要。 关键字：微机继电保护，嵌入式实时操作系统( r t o s ) ，a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，i t c o s i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o nf o rp o w e rs y s t e m ，s o m e n e w p r i n c i p l ea n dp r o j e c tt h a tc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h er e l a yp r o t e c t i o nh a v e b e e na p p l i e di np r a c t i c e , t l l c yp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h ed e s i g no f m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n a tp r e s e n t ，t h ec p uo fm o s tm i c r o p r o c e s s o r - b a s e d p r o t e c t i o nd e v i c ei s1 6b i ts i n g l ec h i pm i e y o c o ，b e c a u s eo f t h es l o ws p e e di no p e r a t i o n , i ti sd i f f i c u l tt or e a l i z et h ec o m p l e xa l g o r i t h ma n dh i g h e rs a m p l i n gr a t ef o ri t a n d t r a d i t i o n a lf l o wc h a r tl i n e a r i t yp r o g r a m m ei sa d o p t e di nm o s tm i c r o p r o c e s s o rr e l a y p r o t e c t i o nd e v i c ec u r r e n t l y , w h i c hm a k e ss o m ep r o b l e m ss u c ha sb e i n gd i f f i c u l tt o m a i n t a i na n du p g r a d e , e t c r e c e n t l y , e m b e d d e dt e c h n o l o g yd e v e l o p sr a p i d l y , i tp r o v i d e s ag o o do p p o r t u n i t yf o rm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n sd e v e l o p m e n t , s oi ti san e w d i r e c t i o nt od e v e l o pm o r es t r o n g l yf u n c t i o n a la n dm o r es t e a d ym i c r o p r o c e s s o rr e l a y p r o t e c t o ra d o p t i n gt h e s en e wt e c h n o l o g y t h ep a p e re x p l o r e st h et e c h n o l o g yr e n o v a t i o no fm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n d e v i c e , w h i c ha d o p t sn e wh a r d w a r ea n de m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ；t h e h a r d w a r es y s t e ma d o p t s3 2b i tm i c r o p r o c e s s o ra t 9 1 r m 9 2 0 0p r o d u c e db ya t m e l c o m p a n y ；, s o f t w a r ep l a t f o r mi sb a s e do nc o s t - f l e ea n ds t r o n g l yf u n c t i o n a le m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mi t c o s i i ；t h ep a p e rr e p o t sp c o s i it oa t 9 1 r m 9 2 0 0 ，a n dd e v e l o p s m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o na p p l i c a t i o ns o f t w a r eb a s e do ni t c o s - i i t h ep r o j e c t h a ss u c hi n n o v a t i v ep o i n t sa sf o l l o w i n g ： m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c ea d o p t sn e w h a r d w a r ep l a t f o r m ，w h i c hi s b a s e do n a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，a n di ti sr i c hi ni n t e r f a c e s ； t h ep a p e ri m p r o v e st h es t a c ks p a c eo f t a s k , a n di te n h a n c e st h ep e r f o r m a n c eo f i t c o s i i ； t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dan 哪t h o u g h tf o rt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nw h i c hi sb a s e do ne m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m i _ t c o s i i t h ep a p e rg i v e st h ed i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a lm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n , i t b r i n g sf o r w a r dt h em i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o ns c h e m eb a s e do nr t o s ；i ti m p r o v e s t h et a s ks t a c ks p a c eo fi _ t c o s - i ib a s e do nt h er e s e a r c ho fi t c o s i i sk e r n e l ；t h e ni t d e s i g n st h eo b j e c th a r d w a r es y s t e mb a s e do na t 9 1 r m 9 2 0 0k e r n e l ；f o l l o w i n g , i t e x p l o r e sh o w t or e p o t 肛c o s i it oo b j e c th a r d w a r e , t h e nd e s c r i b e st h er e a l i z a t i o no f h i 重堕盔兰婴堂堡堡奎 t c p i pp r o t o c o li ni _ t c o s i ia n dm a k e sas y t e mt e s t ；i tr e s e a r c h e st h ed e s i g ns c h e m eo f m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o nb a s e do ni t c o s i i ，t h e nd e s c r i b e st h ed e s i g no f a p p l i c a t i o np r o g r a mm o d u l e ；t h et e s tr e s u l to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sg o o d ，t h e a p p l i c a t i o no fl a c o s - i ii nm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o nc a ni m p r o v et h ee q u i p m e n t s p e r f o r m a n c e , t h e r e b y , i tc a ns a t i s f yt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n ，e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) ，a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，i | t c o s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得重废太堂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己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：考名签字日期：力刁年f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 嘣 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：查鹚 签字日期：知济6 月6e t ， 导师签名：彳万翻 签字日期：2 哆绰二月么日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 电力系统的安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力和效益。 但是，国内外的经验表明，大型电力系统一旦发生自然或人为故障，不能及时有 效地得到控制而失去稳定运行、电网瓦解，将会造成大面积停电，给社会带来灾 难性的后果。因此，自从出现电力系统以来，如何保证其安全稳定运行，就成为 一个永恒的主题。所有的电力工作者都在千方百计采取各种技术、管理的措施， 力求避免电网的稳定性遭到破坏和瓦解，防止出现大面积停电事故。其中，继电 保护就是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、 最重要和最有效的技术手段。 近几十年来，由于我国广大电力科技工作者的不懈努力，我国继电保护技术 及装置应用水平有了很大的提高，但是目前国内生产的微机保护装置还存在几个 需要改进的地方：硬件系统陈旧落后；软件的开发、维护困难，软件生存期短； 与厂站自动化系统接口功能弱，网络通信功能不能满足实际要求；保护原理配置 以及装置制造工艺等方面有待改善等问题f l 】【2 】【3 】。 随着电力系统自动化技术的发展及微机保护装置的大量投入使用，电力系统 对微机保护的要求不断提高，并且由于电力系统本身的特殊性，它需要微机保护 装置具有强实时性、高可靠性和扩展性、更强的网络通信能力及更友好强大的人 机交互界面。它们不仅对硬件要求高，而且对嵌入式软件的要求也不断增加，从 而引进了嵌入式实时操作系统( r e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m ，即r t o s ) ，这种操作 系统可裁减的微内核结构、高效的多任务优先级管理、强的可移植性和扩展性以 及微秒级的中断管理等都更加有利于控制效率的提高，并且更容易满足这些方面 的需要。针对上述问题，本课题提出了一套基于a r m 9 和嵌入式实时操作系统 f t c o s i i 的新型微机继电保护装置的设计方案。 这种嵌入式系统微机继电保护解决方案体现了一种新的发展趋势，本文装置 采用的a r m 9 处理器是a r m 系列微处理器中比较高端的一种，商达2 0 0 m h z 的 主频，能满足数据处理的需要；另外，丰富的外围接口为扩展通信、存储等各种 功能提供了方便。相对于目前市场上微机保护装置普遍采用低性能的多c p u 结构 来说，采用高性能的单c p u 或者是少c p u 结构更为方便。 而r t o s 是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序 是运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求，进行资源( 包括存 储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在r t o s 支持的 重庆大学硕士学位论文 系统中，每个任务均有一个优先级，r t o s 根据各个任务的优先级，动态地切换各 个任务，保证对实时性的要求。在编写程序时，可以分别编写各个任务，不必同 时将所有任务运行的各种町能情况记在心中，大大减小了程序编写的工作量，而 且减小了出错的町能，保证最终程序具有高可靠性【4 】。 实时多任务操作系统建立在硬件系统之上，用户的一切开发工作都在其上进 行，采用r t o s 的用户不必花大量的时间学习硬件，和直接开发相比起点更高。 r t o s 还是一个标准化的平台，它定义了每个应用任务和内核的接口，也促进了应 用程序的标准化。应用程序标准化后便f 软件的存档、交流、修改和扩展，为嵌 入式软件开发的工程化创造了条件、减少开发管理工作量。嵌入式软件标准化推 广到社会后，可以促进软件开发的分工，减少重复劳动，近来出现的建立于r t o s 上的文件和通信协议库函数产品等就是实例。r t o s 是在应用软件系统和硬件结构 之间的一个接口程序，它负责对硬件资源的管理，协调各个任务之间的运行。任 务是系统所要完成的一项独立的功能或处理过程，包含了程序和相应的数据。 r t o s 为微机保护提供了应用程序开发的统一平台，编写应用程序具有实现简 单、调试方便、可扩展性好等一系列的优点，并且软件的实时性能得到保障；高 性能的a r m 9 处理器及其丰富的扩展接口能很好满足电力系统实际需要。 1 2 微机继电保护发展概述 自从2 0 世纪8 0 年代我国第一套微机线路保护投入运行到现在，微型机继电 保护装置凭借其优越性能在国内得到了广泛的认可和使用。随着微电子技术、计 算机技术的发展，微机保护在硬件和软件两大方面仍然在不断地完善和发展。目 前，微机保护的发展主要体现在以下几个方面： 首先是微机保护处理器的发展。从第一代单c p u 硬件结构和第二代多单片机 的多c p u 硬件结构发展到以高性能单片机构成的第三代硬件结构。近年来，数字 信号处理d s p 技术和3 2 位a r m 技术开始广泛应用于微机保护领域，它们都具有 计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大的特点，极大地缩短了数字滤波、 滤序和傅立叶变换算法的计算时间，在单板上能够完成数据采集、信号处理等功 斛5 1 。 在数据采集系统方面，早期的微机保护装置采用逐次逼近式a d c ，系统使用 芯片比较多，电路复杂，抗干扰性较差。第二代微机保护采用电压频率( v f c ) 式 a d c ，系统用光藕实现信号隔离，抗干扰能力强，容易实现与多单片机的多c p u 接 口。近年来由于以a n n 为代表的人工智能技术【6 1 和小波分析理论【7 1 等逐步引入继 电保护领域，对采样的速度和精度提出了更高的要求。有的厂商生产出了能够同 时采样多通道数据的a d c 。比如t i 公司生产的a d s 8 3 6 4 ，它最高采样频率达到 2 1 绪论 2 5 0 k h z ，1 6 位分辨率，最少转换时间3 2 1 t s ，能进行6 个通道同时采样，以及具有 与多数微处理器兼容的并行接1 2 1 h j 。 在嵌入式软件编程方面，从最初流行的汇编语言和前后台程序架构，发展到 以c ，c + + 语言为主，结合r t c o s u ，q n x , p s o s ，n u l e u s ，v x w o r k s 等实时操作系 统的新型架构，不但把广大编程人员从专注与复杂、难懂的汇编程序设计中解放 出来，转而对保护算法和逻辑构造的研究，同时也给软件的维护、调试和添加功 能模块带来便利【9 】。 在继电保护算法方面。目前广泛采用全波傅氏算法作为电力系统微机保护提 取基波分量的算法。全波傅氏算法能滤除所有整数次谐波分量，对非整数次谐波 分量也有较大的抑制作用，且稳定性好，但需要的数据窗较长，要用到一周波数 据才能完成参数计算，响应速度比较慢。随着电力系统的不断发展，对保护的要 求也越来越高，继电保护的性能都力求能适应各种运行方式和各种复杂故障，而 传统的微机保护算法自适应能力有限，这就要求研究新的算法以满足新的工程要 求。人工智能包括人工神经网络、模糊控制、遗传算法等，人工智能技术在电力 变压器的故障诊断与保护中研究较多。另外，目前传统的电力系统信号分析工具 对稳态信号的分析是有效的，如快速f o u r i e r 变换、k a l m a n 滤波等，然而这些传统 方法不适用于处理非稳态信号。小波变换把一个信号波形分成不同尺度和位置的 小波之和，可以方便地研究信号的动态特性，它在时域和频域同时具有良好的局 部化特性，能灵活地调整时频窗的大小。此外，它按频带而不是频点的方法处理 信息，对信号的微小波动具有较强的鲁棒性。因此小波分析与计算机相结合将成 为研究新一代微机保护装置的强有力工具i i 们。 随着技术的发展，继电保护技术与其它技术交叉使用，最终实现继电保护、 操作控制和监测的集成化，我们称之为变电站综合自动化。每个保护装置是一台 多功能计算机，不但可以从网上获取电力系统运行和故障的信息，也可以将它获 得的被保护元件的信息传送给网络控制中心或任一终端，实现信息的共享，提高 自动化程度。 1 3 传统微机保护与基于r t o s 的微机保护 1 3 1 传统微机保护存在的问题 长期以来，国内保护装置软件传统的开发方式是：先画好流程图，然后按流 程图编程，一般是一个无限循环，循环中调用相应的函数( 子程序) 完成相应的操作 ( 称为后台行为或任务级) ；用中断来处理随机事件( 称为前台行为或中断级) 【l l 】，如 图1 1 所示。 藿庆大学硕十学付论文 中断服务程宁 从中断返回 图1 1 传统微机保护程序机制 f i g 1 1t h et r a d i t i o n a lp r o g r a mm e c h a n i s mo f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n 这种程序规模较小、功能单一、智能化程度低，而且多是采用汇编语言编写 的线性程序。它虽然具有代码精炼，某些关键操作执行效率高的优点，但是延长 了编程时间，难以保证系统所有任务对实时性的要求。某个任务的响应时间取决 于后台循环执行的时间。循环的过程中，程序需要根据不同的状态和方式( 中断 服务子程序或用户的设置町能改变这些状态和运行方式) ，决定程序的走向，所以 每次循环的执行时间不同。某一任务的真正响应要等到循环顺序执行完前面所有 的任务之后，既不及时，时问也不确定。同时，程序的可读性很差，调试困难， 维护也比较困难【l ”。微机保护的各种复杂功能都是由相应的软件来实现的，在电 力运行部门，各个地区对于继电保护的要求不尽相同，为了适应现场的不同要求， 需要针对不同情况对系统程序作出修改。随着技术的进步，继电保护装置的功能 将会有进一步的扩展，很多不同的保护功能如录波、小电流接地、低周减载等将 会融合在一套保护装置中，继电保护设备的通信功能将进一步加强，传送的数据 将更加丰富。可以想象，以后的继电保护程序将更复杂，而进行软件的更新换代 将是在所难免的。 低性能的单片机已经不能满足不断发展的市场要求；采用汇编语言编写的线 性程序难于满足软件的更新和升级，因此构建新的硬件平台，并采用全新的软件 技术已经成为当务之急。 1 3 2 基于r t o s 的微机保护的优点 r t o s 即r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，实时操作系统，是指能在确定的时间内 执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。“在确定的时间内”是这 个定义的核心，也就是说，实时系统对响应时间育严格要求，这里的“严格要求” 并不是指系统的响应和处理速度 e 常快，而是指能满足系统的时间限制【1 3 】【1 4 1 ，微 机保护装置是一个实时系统。 r t o s 是实时系统中软硬件资源的总指挥部，它以尽量合理、有效的方式组织 和管理系统的软硬件资源，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。一个好的实时 4 奄崮 主卒睾 1 绪论 操作系统需要具备以下功能：多任务和可抢占的；任务具有优先级；操作 系统具备支持可预测的任务同步机制；支持多任务间的通信；操作系统具备 消除优先级转置的机制；存储器优化管理；操作系统的行为是可知的和可预 测的( 在全负载的情形下，最坏反应时间可知) ；实时时钟服务。 从实时系统的应用特点来看，实时操作系统可分为两种：一般实时操作系统 和嵌入式实时操作系统。一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时 查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境； 嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发 过程是通过交叉开发来完成的，它具有规模小、可固化使用、实时性强等特点。 本文中的用到的r t o s 就是嵌入式实时操作系统。 另外，r t o s 也体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，在设计 时可以在不大量变动系统其他任务的情况下增加或去掉一个任务；一个项目开发 的过程中，可以有多个工程师同时进行系统的软件开发，各个人之间只要制定好 规程和协议即可，既缩短了开发时间，又降低了最终软件产品对于具体某个开发 者个人的依赖性。为r 1 d s 设计的成熟和通用的任务可以以库函数的形式供其他 人继续利用，和c 语言的设计思想一致，因此可以说r t o s 是嵌入式软件的编写 从“小生产方式”进入“大生产方式”的必然产物【1 5 l 【1 6 1 。 由于r t o s 采用多任务机制，多个应用程序可以视为并行运行的、相对独立 的模块，由r t o s 进行管理。使用r t o s 的微机保护程序机制如图1 2 所示。 图1 2 使用r t o s 的微机保护程序机制 f i g 1 2 t h e p r o g r a m m e c h a n i s m o f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d p r o t e c t i o n s i n g r t o s 在微机保护中采用r t o s ，将使装置具有以下几个方面的优势1 7 1 埔】【1 9 】： 实时性更强。对继电保护装置而言，实时性是其首先要解决的问题。这是 因为电网的安全稳定性通常在事故后几十到几百毫秒内就有可能受到严重威胁， 5 重庆大学硕士学位论文 并且过迟的稳定控制措施不仅起不到预想的作用，造成经济上的损失，甚至町能 引起其它的安全问题。这里的实时性不仅指获得数据的实时性，而且还包括数据 处理、分析、决策的实时性。嵌入式技术与实时性有着天然的联系。嵌入式系统 常常要求能够预测外界事件，并在有限时间内做出响应。 可靠性更高。传统的线性程序，在遇到很强干扰时，程序在任何一处断线 都会引起死机，只能依靠硬件的最后防线看门狗复位，重新启动系统。如果系统 采用了r t o s ，这种f 扰町能只是引起若干个进程被破坏，可以用另外的进程对其 进行修复。r t o s 不仅可以将应用程序分解成若干独立的任务，而且可以另外启动 一个监控进程，监视各程序运行状况，遇到异常情况时采取一些措施，可以像在 u n i x 中自动将有问题的进程终l e 掉，再调用另一个进程将任务修复，从而使系统 的盯靠性大大提高【l 。 可扩展性更好。目前大多数的嵌入式系统的开发语占都采用c ，c + + ( 也包括 少量的汇编语言) 因此灵活性好，可移植性强；另外采用模块化设计，这不仅可以 方便生产调试厂家，而且町以解放用户。当一个模块出现问题时，只需要换一块 新的就成；当需要增减某项功能时，也只需要增减相应的模块即可。 1 4r t o s 在微机保护中应用应注意的问题 为使r t o s 满足微机保护应用的要求，需要注意以下几点： 选择一种合适的r t o s 用f 微机保护的r t o s 应具有卓越的实时性、良好的易用性和开放性以及足 够的安全性。g c o s i i 是著名的、源码公开的实时内核，是号为嵌入式应用设计 的，可用于各类8 位、1 6 位、3 2 位单片机或d s p ，具有良好的可开发性。 合理的硬件设计 在微机保护中使用r t o s ，将会对系统有一些额外的需求。根据用户在应用中 使用函数的多少，一般内核增加的额外r o m 用量在3 k 到1 0 k 之间。r a m 的额 外开销取决于应用中任务的多少、中断嵌套层数等。在运行中r t o s 的任务调度 占用2 5 的c p u 负荷。因此，对微处理器和存储器的要求高于传统微机保护。 将r t o s 运行中占用的系统资源降到最低 一些商用r t o s 为了满足各种用户的需求，开发了非常强大的功能，许多功 能在微机保护中并不需要，用于微机保护时应该进行重新定制或作适当开发，使 r t o s 占用很小的空间且满足实际系统的要求。 合理设计中断，保证r t o s 的正常运行 中断会打断r t o s 的正常运行，使其暂时失去控制权。为了保证系统的流畅 运行，不但要尽量减少中断的使用，而且在中断处理程序中要尽量傲最少的工作， 6 i 绪论 尽快把控制权交给o s 。微机保护的采样中断大约l m s 左右进行一次，需要对采样 中断中进行的工作作出很好的分配，避免对o s 调度的影响。 任务的划分 r t o s 中任务的划分至关重要。由于r t o s 对任务进行了划分，系统动态地切 换任务，总是运行优先级最高的任务，保证了系统对实时性的要求。然而，任务 划分过细会使系统调度频繁，造成资源的浪费。任务划分的原则是考虑实现系统 实时性和软件效率的前提下尽量减少任务间的祸合，使功能明晰。微机保护中的 任务包括：保护、a d 采样、自检、自动监测、试验等，其中，保护功能是微机 保护的首要功能。 1 5 本文的主要工作及章节安排 课题研究的内容是将源码公开的嵌入式实时操作系统p c o s i i 移植到以 a t m e l 公司生产的a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心的目标硬件系统上，对系统进行功能扩 展，继而开发微型机继电保护装置的软件系统，包括以下研究子课题： c o s i i 任务栈空间的改进研究； 基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 开发板硬件系统的设计； 移植p c o s i i 到目标硬件系统，将嵌入式t c p i p 协议嵌入| l c o s ； 以i _ t c o s i i 为软件平台，进行微机距离保护应用软件方案设计。 本文章节安排如下：第一章绪论对微机保护的发展现状及课题研究意义作了 简述，指出了传统保护中存在的问题，引入了基于r t o s 的微机保护方案，提出 了课题研究的任务；第二章在对p c o s i i 内核原理深入分析的基础上，讨论 r c o s i i 任务栈空间的改进设计；第三章设计基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核一t l , 的目标硬 件系统；第四章探讨如何将i t c o s i i 成功移植到目标开发板，并讨论嵌入式t c p i p 协议在i t c o s i i 中实现；第五章讨论基于g c o s i i 的微机保护( 线路距离保护) 的软件方案设计；第六章结束语对本文研究工作作了总结并提出了后续研究工作。 1 6 本章小结 本章介绍了基于a r m 9 和肛c o s i i 微机保护方案应用研究的课题背景及意 义；概述了微机保护的发展；对传统微机保护和基于r t o s 的微机保护进行了分 析对比；提出了微机保护中使用r t o s 应该注意的问题；最后提出了本论文的主 要研究工作。 7 2 实时操作系统c o s i i 及其堆栈栈空间改进设计 2 实时操作系统g c o s i i 及其堆栈栈空间改进设计 2 1 引言 由于微机保护对响应速度、稳定性、可扩展性等要求很高，因而选择一个适 合的嵌入式操作系统就显得尤为重要。 2 2 嵌入式操作系统的选型原则 在嵌入式系统开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键。不同的应用 对嵌入式软件系统会有不同的要求，通常，应用系统对嵌入式系统软件的基本要 求是体积小、执行速度和效率要高、具有良好的裁减性和可移植性、稳定性和可 维护性好。嵌入式操作系统是嵌入式软件中最重要的部分，也是连接系统硬件和 应用程序的系统程序。因此，嵌入式操作系统的选择对于整个嵌入式系统的开发 具有决定性意义【2 0 】。 在选择嵌入式操作系统时，一般基于如下几点考虑： 操作系统的软、硬件支持。 1 1 是否支持目标硬件平台。 2 ) 可移植性：即操作系统的硬件相关性。当进行嵌入式软件开发时，可移植 性是要重点考虑的问题。如果一个嵌入式实时操作系统无法顺利地移植到目标硬 件平台上，那么这个操作系统再怎么优秀，也不用再考虑了。 3 1 可裁减性：现在优秀的实时嵌入式操作系统，往往都是基于一个实时内核， 然后可以根据用户的需求配置成各种功能和大小的实时操作系统，从而可以尽可 能多地满足不同的应用需求。因此，嵌入式实时操作系统的可裁减性也是要考虑 的另一个重要问题。 4 ) 稳定性和安全性：嵌入式系统大部分应用在对安全性和稳定性有较高要求 的场合，嵌入式操作系统是嵌入式应用软件运行的平台，因此嵌入式操作系统的 稳定性和安全性对于整个嵌入式系统的稳定性和安全性具有重大的意义【2 ”。 开发工具的支持程度 选择实时操作系统的时候，必须要考虑与之相关的开发工具。在线仿真器、 编译器、汇编器、连接器、调试器以及模拟器等都不同程度地影响着操作系统的 开发工作。同时应该考虑的另一个问题是这种实时操作系统与使用的编译器应该 能够兼容。 能否满足应用需求 嵌入式系统的开发，都是针对具体应用的，在能够满足应用需求的条件下， 9 重庆大学硕卜学位论文 操作系统的代码当然是越小越好、功能越多越好。这一点对于成本和资源十分敏 感的嵌入式系统开发，十分重要。而最小的实时内核往往包括很少的特性和功能。 所以在选择操作系统的时候，一方面要考虑自身的成本和资源，另一方面要尽可 能地裁减和优化配置内核的模块，提高软、硬件的使用效率。 p c o s i i 作为开放源代码的嵌入式操作系统，其本身结构简单、清晰，代码 量不大，且采用c 语言和汇编语言( 与硬件相关的部分) ，使用很方便。t t c o s i i 可以很方便地移植到几乎所有的微处理器上运行，而且在移植的过程中，用户只 需做少量的工作即可完成。另外，最重要的是。t t c o s i i 具备了嵌入式实时操作 系统的全部性能，具有很好的代表性，非常适合初次接触嵌入式技术的初学者和 工作人员学习和使用。因此，课题研究选择了t t c o s i i 作为学习和研究的目标。 2 3t t c o s i i 实时操作系统简介 i _ t c o s i i 是著名的源代码公开的实时内核，是一个完整的、小巧的，可移植、 固化、裁剪的占先式实时多任务内核。g c o s i i 是用a n s ic 编写的，包含- d , 部 分与微处理器类型相关的汇编语言代码，使它可供不同架构的微处理器使用。虽 然t t c o s i i 是在p c 机上开发和测试的，但g c o s i i 的实际对象是嵌入式系统， 并且很容易移植到不同架构的微处理器上。至今，从8 位到6 4 位，p c o s i i 己在 超过4 0 种不同架构的微处理器上运行。 t a c o s i i 的主要特点如下： 公开源代码 事实上有不少的嵌入式操作系统是公开源代码的，甚至一些商用嵌入式操作 系统也会提供核一i i , 的源代码，但是很少会有t t c o s i i 这样结构清晰，注解详细、 组织条理有序的嵌入式操作系统；加上良好的实时性能，p c o s i i 无疑是真正适 合学习和入门的嵌入式操作系统。 可移植性( p o r t a b l e ) 绝大部分g c o s i i 的源码是用移植性很强的a n s ic 写的，和微处理器硬件 相关的那部分是用汇编语言写的。汇编语占写的部分已经压到最低限度，使得 t t c o s i i 便于移植到其它微处理器上。t t c o s i i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处理器、微控制器、数字信号处理器( d s p ) 上运行。 可固化( r o m a b l e ) t t c o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要用户有固化手段( c 编 译、连接、下载和固化) ，t t c o s i i 可以嵌入到用户的产品中成为产品的一部分。 可裁剪( s c a l a b l e ) 由于t t c o s i i 完全采用模块化设计，用户可以只使用t t c o s i i 中应用程序需 1 0 2 实时操作系统t t c o s i i 及其堆栈栈空间改进设计 要的那些系统服务。也就是说某产品可以只使用很少几个c o s i i 调用，而另一 个产品则使用了几乎所有i t c o s i i 的功能。这样可以减少产品中的t t c o s i i 所需 的存储空间( r a m 和r o m ) ，这种可裁剪性是靠条件编译实现的。 占先式( p r e e m p t i v e ) t t c o s i i 完全是占先式的实时内核。这意味着每个任务都有一个固定的优先 级，而肛c o s i i 总是运行就绪条件下优先级最高的任务。大多数商业内核也是占 先式的，t t c o s i i 在性能上和它们类似。 多任务( m u l t i t a s k ) t t c o s i i 可以管理6 4 个任务，然而，目前这一版本保留8 个给系统用。应用 程序最多可以有5 6 个任务。赋予每个任务的优先级必须是不同的，这意味着 p c o s i i 不支持时间片轮转调度法( r o u n d - r o b i ns c h e d u l i n b ) ，该调度法适用于调度 优先级平等的任务。 可确定性 全部t t c o s i i 的函数调用与服务的执行时间具有其可确定性。也就是说，全 部t t c o s i i 的函数调用与服务的执行时间是可知的。总而言之，t t c o s i i 系统服 务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。 任务栈 每个任务有自己单独的栈，p c o s i i 允许每个任务有不同的栈空间。以便压 低应用程序对r a m 的需求。使用t t c o s i i 的栈空间校验函数，可以确定每个任 务到底需要多少栈空间。 稳定性与可靠性 | i c o s i i 是基于工业应用的，t t c o s 自1 9 9 2 年以来已经有好几百个商业应用， p c o s i i 与i t c o s 的内核是一样的，只不过提供了更多的功能。 斗c o s i i 的功能主要有如下几点： 任务管理：管理任务的状态，睡眠态、就绪态、运行态、等待状态( 等待 某一事件发生) 及中断服务态： 同步管理：可以利用信号量使任务与中断服务( 或另一任务) 同步； 任务间通信：任务间或中断服务与任务间的信息传递，称为任务间通信。 任务间通信有三种机制：信号量、消息邮箱和消息队列； 中断管理：需要初始化中断句柄，编写中断服务程序对外部中断做出响应。 允许中断嵌套，中断嵌套层数可达2 5 5 层； 内存管理：分配和释放内存，并避免出现内存碎片； 时间管理：管理与时间有关的信息，包括系统时间、任务延时和恢复延时 的任务。 重庆大学硕士学位论文 基于g c o s i i 的扩展：t t c o s i i 是一个采用微内核结构的嵌入式实时操作系 统，它只提供了实时系统所需的基本功能，如任务调度、任务管理、时钟管理、 内存管理和任务之间通信与同步等。当应用于具体的嵌入式系统时，用户可以根 据具体的应用，自行添加如i o 管理、文件系统、网络服务等功能模块。目前甚至 己经有成熟的第三方的为g c o s i i 开发的文件系统、t c p i p 协议栈和g u i 模块， 并且有了一定的应用。因此对g c o s i i 进行功能扩展是具有藿要意义的 2 2 1 。 2 4g c o s i i 的内核分析 多任务系统中，内核负责管理各个任务，或者说为每个任务分配c p u 时间， 并且负责任务之间的通讯。内核提供的基本服务是任务切换，之所以使用实时内 核町以大大简化应用系统的设计，是因为实时内核允许将应用分成若干个任务， 由实时内核来管理它们。内核本身也增加了应用程序的额外负荷，代码空间增加 r o m 的用量，内核本身的数据结构增加了r a m 的用量。内核本身对c p u 的占用 时间一般在2 到5 个百分点之间。t t c o s i i 有一个精巧的内核调度算法，实时内 核精小，执行效率高，算法巧妙，代码空间很少。本节在参考文献 1 5 1 的基础上对 t t c o s i i 内核原理进行了研究。 2 4 1 临界段 和其它内核一样，i _ t c o s i i 为了处理临界段代码需要关中断，处理完毕后再 开中断。这使g c o s i i 能够避免同时有其它任务或中断服务进入临界段代码。关