（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式实时操作系统的电力电子控制器的研究.pdf

华北电力大学硕 士 学位论文 摘要 现代电力电子技术在交流调速、供电电源、电力系统输配电、电能质量 控制等方面己经获得日益广泛的应用。为了满足电力电子控制器日益复杂的 功能要求，数字信号处理器在其控制器中的应用日益普遍，同时对控制系统 的可靠性和实时性提出了更高的要求。本文在分析了电力电子控制器的特点 的基础上提出了在嵌入式实时操作系统的基础上开发电力电子控制器的构 想，据此在 t ms 3 2 0 f 2 8 1 2上移植了源代码公开的、小型的实时操作系统 p c / o s - 1 1 ，以动态电压恢复器的开发为例，实现了嵌入式用户应用程序的 编写，并通过实验验证了系统的可靠性与实时性。 关键字: 实时操作系统， 电力电 子控制器， t ms 3 2 0 f 2 8 1 2 , p c / o s - ii , d v r ab s t r a c t t h e t e c h n o l o g y o f p o w e r e l e c t r o n i c h a s b e e n w i d e ly a p p l i e d i n t h e m a n y f i e l d s . f o r m e e t i n g p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e i n c r e a s i n g l y c o m p l e x r e q u i r e m e n t , t h e d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r i s m o r e u n i v e r s a l l y u s e d i n t h e c o n t r o l l e r s y s t e m . i n t h e p o w e r s y s t e m , t h e r e a l t i m e a n d r e l i a b i l i t y i s t h e c r i t i c a l p r o b l e m i n t h e a p p l i c a t i o n o f d s p . t h e p a p e r a n a l y s e s t h a t p o w e r e l e c t r o n i c c o n t r o l l e r s h a r d w a re a n d s o f t w a r e c a n b e m o d u l a r d e s i g n e d , b r i n g s f o r w a r d t h e t h o u g h t o f c o n s t r u c t i n g a p o w e r e l e c t r o n i c g e n e r a l c o n t r o l l i n g d e v e l o p m e n t p l a t f o r m . a c c o r d i n g l y , a n a b b r e v i a t e d a n d c o d e - o p e n e d r e a l - t i m e o p e r a ti n g s y s t e m n a m e d t c / o s 一 1 1 i s t r a n s p l a n t e d o n t ms 3 2 0 f 2 8 1 2 . a s a n e x a m p l e , a d y n a m i c v o l t a g e r e s t o r e r s e x p l o i t a t i o n p r o g r e s s s h o w s h o w t o d e s i g n c o n s u m e r s a p p l i a n c e c o d e s o n t h e b a s e o f t h i s d e v e l o p m e n t p l a t f o r m. y a n g y o n g h o n g ( p o w e r e l e c t r o n i c s a n d e l e c t r i c d r i v e s ) s u p e r v i s e d b y p r o f . z h a n g y i g o n g k e y wo r d s : r t o s , p o w e r e l e c t r o n i c , t ms 3 2 0 f 2 8 1 2 , p c / o s 一1 1 ， d v r 华北电力大学硕十学位论文 华 北 电 力 大 学 t a口 j 刀明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 基于嵌入式实时操作系统的电 力电子控制器的研究 ，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己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己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:杨永宏日 期: 2 0 0 5 年 1 月1 7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 巨 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 作 者 签 名 : 一 卑魂汇一 一导师签名 日期: 2 0 0 5 年1 月1 7 日 日期: 华北电力大学硕 卜 学位论文 第一章 绪论 t . t 课题背景及意义 随着新型电力半导体器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现 以及研究的新进展，现代电力电子技术给电力系统带来了新的活力，在电力 系统的无功补偿、柔性交流输电和高质量供电等方面有了广泛的应用。在电 力系统应用的这些领域中，逆变器往往是装置主电路最重要的组成部分，而 逆变器的控制器实现非常重要， 是整个装置的核心。 在二十世纪六七十年代， 电力电子装置的控制器完全是建立在模拟电路基础上的，其主要缺点有:硬 件修改困难、设计成本高、抗干扰能力差、存在元件老化问题等。随着微电 子技术的发展，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点: 便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰 ( 提 高抗干扰能力) 、便于自诊断等。在二十世纪九十年代，开始逐渐采用单片 微处理器进行控制，目前己开始采用数字信号处理器 d s p )进行控制。而 动态电压恢复器 ( d v r )、静止无功补偿装置(s v c )、静止无功发生器 ( s v g ) 、电力有源滤波器等装置的控制器需要对各种信号进行较复杂的处 理、运算，更离不开高性能的微处理器。 目前在中国大多数现场控制软件开发还是基于处理器直接编写程序， 一 般把整个软件设计成一个前后台系统。应用程序是一个无限循环，所有的事 件都按顺序执行，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分是后台行 为。与时间相关性较强的事件靠定时中断来保证，中断服务程序处理异步事 件，这部分是前台行为，这对于很简单的控制是比较合适的。这种方式编程 的优势在于程序较为直观，但由此带来一个重要的问题，那就是系统的稳定 性、 可重用性较差。当系统功能较复杂， 设计人员经常需要给d s p 添加过去 由通用微控制器完成的实时通信和系统控制任务，同时对实时性要求较严格 时，实时任务的增加有可能引发错误和时序方面的问题，使得这种单任务机 制的弱点暴露无遗， 当主程序中某个程序模块出现问题时， 将出现程序卡住， 直到看门狗复位为止。 解决上述问题的一种可能的方案是引入实时操作系统 ( r t o s )，利用 嵌入式实时操作系统内核对所有任务进行统一调度和管理， 使c p u的使用权 在建立的任务间切换。同时，在多任务机制 卜 ，使应用程序模块化，减少代 码的重复率，使开发任务层次化，缩短开发周期。虽然操作系统本身要占用 华北电力大学硕 卜 学位论文 第一章 绪论 t . t 课题背景及意义 随着新型电力半导体器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现 以及研究的新进展，现代电力电子技术给电力系统带来了新的活力，在电力 系统的无功补偿、柔性交流输电和高质量供电等方面有了广泛的应用。在电 力系统应用的这些领域中，逆变器往往是装置主电路最重要的组成部分，而 逆变器的控制器实现非常重要， 是整个装置的核心。 在二十世纪六七十年代， 电力电子装置的控制器完全是建立在模拟电路基础上的，其主要缺点有:硬 件修改困难、设计成本高、抗干扰能力差、存在元件老化问题等。随着微电 子技术的发展，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点: 便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰 ( 提 高抗干扰能力) 、便于自诊断等。在二十世纪九十年代，开始逐渐采用单片 微处理器进行控制，目前己开始采用数字信号处理器 d s p )进行控制。而 动态电压恢复器 ( d v r )、静止无功补偿装置(s v c )、静止无功发生器 ( s v g ) 、电力有源滤波器等装置的控制器需要对各种信号进行较复杂的处 理、运算，更离不开高性能的微处理器。 目前在中国大多数现场控制软件开发还是基于处理器直接编写程序， 一 般把整个软件设计成一个前后台系统。应用程序是一个无限循环，所有的事 件都按顺序执行，循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分是后台行 为。与时间相关性较强的事件靠定时中断来保证，中断服务程序处理异步事 件，这部分是前台行为，这对于很简单的控制是比较合适的。这种方式编程 的优势在于程序较为直观，但由此带来一个重要的问题，那就是系统的稳定 性、 可重用性较差。当系统功能较复杂， 设计人员经常需要给d s p 添加过去 由通用微控制器完成的实时通信和系统控制任务，同时对实时性要求较严格 时，实时任务的增加有可能引发错误和时序方面的问题，使得这种单任务机 制的弱点暴露无遗， 当主程序中某个程序模块出现问题时， 将出现程序卡住， 直到看门狗复位为止。 解决上述问题的一种可能的方案是引入实时操作系统 ( r t o s )，利用 嵌入式实时操作系统内核对所有任务进行统一调度和管理， 使c p u的使用权 在建立的任务间切换。同时，在多任务机制 卜 ，使应用程序模块化，减少代 码的重复率，使开发任务层次化，缩短开发周期。虽然操作系统本身要占用 华北电力大学硕十学位论文 一定的内存空间和 c p u时间， 但这只对内存很有限的处理器有所限制， 现在 很多处理器的性能飞速提高， 嵌入式 d s p芯片的功能己经非常强大， 这已不 是制约引入嵌入式操作系统的障碍。 在控制器上运行嵌入式多任务操作系统是稳定工作的基础， 开发工作重 点由原来硬件的调试、软件的 d e b u g ，转变为对于实际应用系统性能提高 的关注和模块化软件的编写。此外，只有在一个完整的、具有统一编程规范 的操作系统基础上，使用高级语言开发出的应用程序，才 一 可能具有良好的可 移植性，易于被重复利用。实时操作系统与模块化软硬件设计结合起来，共 同构成一个可以重复利用的软硬件数字系统平台，除了可以最大限度地提高 开发的效率、减少资源的浪费外，还可以通过长期对于该平台的研究，逐步 优化平台软硬件资源，提高其性能，并满足日益复杂的应用需求。 1 . 2电力电子开发平台 目前，随着电子系统在各领域中应用的不断深入， 对电子系统本身的各 方面性能提出了越来越高的要求，使应用软件朝着系统化方向加速发展。一 些软件开发者提出了 “ 一次编程，到处使用”的概念，比如与本文工作相关 的虚拟仪器图形软件开发平台研究方面， 代表性的是n i 公司的l a b v i e w和 惠普公司的v e e虚拟仪器软件开发平台。这些平台都采用可复用构件技术、 通用性强、标准化程度高，具有开发方法易于掌握、编程速度快、开发质量 高等特点。 电力电子领域内也急需采用先进的开发手段，“ 开发平台”是解决传统 开发门槛高的一个很好的途径。 首先，电力电子通用控制平台的开发具有可行性。从硬件结构来看，电 力电子装置主电路的结构大多是基于开关器件的单相或三相桥式换流器，控 制器的结构相似 ，它们的主要功能是完成对主电路中开关器件的驱动及保 护。为了满足应用功能的不断升级，对于控制器的开发普遍采用了有快速处 理能力和强大的功能的数字信号处理器 ( d s p ) ,随着d s p性能的不断改进， 控制器的结构越来越复杂， 实现的功能也越来越多。目 前d s p除了完成核心 的算法以外， 还能完成很多其它功能， 成为一个嵌入式d s p 系统。 从使用数 字信号处理器的控制软件结构来看， 对实现功能划分大致分为a d转换、 d q 坐标变换及反变换、 低通数字滤波器、 p wm 或空间矢量 p wm等模块。 所以， 电力电子装置中的软硬件结构有很大的共性，满足平台的模块化编程思想。 其次，电力电子通用控制平台的开发具有必要性。随着开关器件性能的 不断提高，电力电子装置在复杂的电力系统中也越来越深入和广泛地应用， 华北电力大学硕十学位论文 一定的内存空间和 c p u时间， 但这只对内存很有限的处理器有所限制， 现在 很多处理器的性能飞速提高， 嵌入式 d s p芯片的功能己经非常强大， 这已不 是制约引入嵌入式操作系统的障碍。 在控制器上运行嵌入式多任务操作系统是稳定工作的基础， 开发工作重 点由原来硬件的调试、软件的 d e b u g ，转变为对于实际应用系统性能提高 的关注和模块化软件的编写。此外，只有在一个完整的、具有统一编程规范 的操作系统基础上，使用高级语言开发出的应用程序，才 一 可能具有良好的可 移植性，易于被重复利用。实时操作系统与模块化软硬件设计结合起来，共 同构成一个可以重复利用的软硬件数字系统平台，除了可以最大限度地提高 开发的效率、减少资源的浪费外，还可以通过长期对于该平台的研究，逐步 优化平台软硬件资源，提高其性能，并满足日益复杂的应用需求。 1 . 2电力电子开发平台 目前，随着电子系统在各领域中应用的不断深入， 对电子系统本身的各 方面性能提出了越来越高的要求，使应用软件朝着系统化方向加速发展。一 些软件开发者提出了 “ 一次编程，到处使用”的概念，比如与本文工作相关 的虚拟仪器图形软件开发平台研究方面， 代表性的是n i 公司的l a b v i e w和 惠普公司的v e e虚拟仪器软件开发平台。这些平台都采用可复用构件技术、 通用性强、标准化程度高，具有开发方法易于掌握、编程速度快、开发质量 高等特点。 电力电子领域内也急需采用先进的开发手段，“ 开发平台”是解决传统 开发门槛高的一个很好的途径。 首先，电力电子通用控制平台的开发具有可行性。从硬件结构来看，电 力电子装置主电路的结构大多是基于开关器件的单相或三相桥式换流器，控 制器的结构相似 ，它们的主要功能是完成对主电路中开关器件的驱动及保 护。为了满足应用功能的不断升级，对于控制器的开发普遍采用了有快速处 理能力和强大的功能的数字信号处理器 ( d s p ) ,随着d s p性能的不断改进， 控制器的结构越来越复杂， 实现的功能也越来越多。目 前d s p除了完成核心 的算法以外， 还能完成很多其它功能， 成为一个嵌入式d s p 系统。 从使用数 字信号处理器的控制软件结构来看， 对实现功能划分大致分为a d转换、 d q 坐标变换及反变换、 低通数字滤波器、 p wm 或空间矢量 p wm等模块。 所以， 电力电子装置中的软硬件结构有很大的共性，满足平台的模块化编程思想。 其次，电力电子通用控制平台的开发具有必要性。随着开关器件性能的 不断提高，电力电子装置在复杂的电力系统中也越来越深入和广泛地应用， 华北电力大学硕 学位论文 而用户对其功能的要求越来越多，使其结构越来越复杂，使其控制器在软硬 件方面的开发都迫切需要先进的手段 ，如果在一个具有这些常用模块的通用 开发平台的基础上开发，利用平台提供的资源，可以实现代码的重复利用， 缩短开发周期。而且通过对平台的长期的改进和扩展，不仅可以实现硬件和 软件的优化集成，还使开发工作走向了 “ 通用元素”化和 “ 数字基因”化发 展的新阶段 ，具有很重要的意义。 1 . 3 本论文的主要工作 在电力系统中，d s p 应用对实时性和可靠性的要求更强、更迫切。以电 力电子的控制为例，实时性就是其首先要解决的问题，这是因为装置的安全 稳定性通常在事故后几十到几百微秒内就有可能受到严重威胁，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，甚至可能引起其 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。因此这对装置的硬件与软件都是一个较为苛刻的 要求。 本文在实时操作系统支持下开发电力电子控制器， r t o s的使用使得控制 系统的可靠性得到保证， 同时应用程序的设计和扩展变得容易， 不需要大的改动 就可以增加新的功能，同时本文采用的是可剥夺型r t o s ， 所有时间要求苛刻的 事件都得到尽可能快捷、有效的处理。操作系统本身带来了额外的 r o m/ r a m 开销以及 c p u开销，在实时性很严格的电力系统应用中，这些开销是否会影响 实时性的保证也是本文研究的问题。 本文的主要工作是完成在嵌入式实时操作系统下电力电子平台控制端 的实现， 通过动态电压恢复器 ( d v r ) 实验验证控制系统的实时性和可靠性。 主要包括 以下几个部分: ( 1 )源代码公开的免费实时操作系统g c l o s 一1 1 在d s p 上的移植、裁 剪。本文硬件平台采用北京合众达公司基于 t i 公司 t ms 3 2 0 f 2 8 1 2嵌入式 d s p 控制模板s e e d - d e c 2 8 1 2 , r c / o s - i i 的版本为2 . 7 1 0 ( 2 )基于嵌入式实时系统的电力电子平台控制端的开发以及电力电子 基本模块的编写。 ( 3 )电力电子开发平台人机端实现方案研究。 ( 4 ) 在嵌入式电力电子平台下开发了系统动态电压恢复器的控制程序， 验证了基于此平台的控制器开发的可行性。 ( 5 )动态电压恢复器实验，验证控制系统的可靠性与实时性。 华北电力大学硕 学位论文 而用户对其功能的要求越来越多，使其结构越来越复杂，使其控制器在软硬 件方面的开发都迫切需要先进的手段 ，如果在一个具有这些常用模块的通用 开发平台的基础上开发，利用平台提供的资源，可以实现代码的重复利用， 缩短开发周期。而且通过对平台的长期的改进和扩展，不仅可以实现硬件和 软件的优化集成，还使开发工作走向了 “ 通用元素”化和 “ 数字基因”化发 展的新阶段 ，具有很重要的意义。 1 . 3 本论文的主要工作 在电力系统中，d s p 应用对实时性和可靠性的要求更强、更迫切。以电 力电子的控制为例，实时性就是其首先要解决的问题，这是因为装置的安全 稳定性通常在事故后几十到几百微秒内就有可能受到严重威胁，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，甚至可能引起其 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。因此这对装置的硬件与软件都是一个较为苛刻的 要求。 本文在实时操作系统支持下开发电力电子控制器， r t o s的使用使得控制 系统的可靠性得到保证， 同时应用程序的设计和扩展变得容易， 不需要大的改动 就可以增加新的功能，同时本文采用的是可剥夺型r t o s ， 所有时间要求苛刻的 事件都得到尽可能快捷、有效的处理。操作系统本身带来了额外的 r o m/ r a m 开销以及 c p u开销，在实时性很严格的电力系统应用中，这些开销是否会影响 实时性的保证也是本文研究的问题。 本文的主要工作是完成在嵌入式实时操作系统下电力电子平台控制端 的实现， 通过动态电压恢复器 ( d v r ) 实验验证控制系统的实时性和可靠性。 主要包括 以下几个部分: ( 1 )源代码公开的免费实时操作系统g c l o s 一1 1 在d s p 上的移植、裁 剪。本文硬件平台采用北京合众达公司基于 t i 公司 t ms 3 2 0 f 2 8 1 2嵌入式 d s p 控制模板s e e d - d e c 2 8 1 2 , r c / o s - i i 的版本为2 . 7 1 0 ( 2 )基于嵌入式实时系统的电力电子平台控制端的开发以及电力电子 基本模块的编写。 ( 3 )电力电子开发平台人机端实现方案研究。 ( 4 ) 在嵌入式电力电子平台下开发了系统动态电压恢复器的控制程序， 验证了基于此平台的控制器开发的可行性。 ( 5 )动态电压恢复器实验，验证控制系统的可靠性与实时性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电力电子平台的整体方案 2 . 1 嵌入式系统的硬件平台 各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的核心部分。目前，世界 上具有嵌入式功能特点的处理器己经超过 1 0 0 0种，流行的体系结构包括 m c u . m p u等3 0 多个系列。 很多半导体制造商都开始大规模生产嵌入式处 理器，并且公司自主设计处理器也已经成为未来嵌入式领域的一大趋势。其 中，从单片机、d s p到 p p g a ，品种越来越多，速度越来越快，性能越来越 强，价格也越来越低。根据其现状，嵌入式处理器可分为四类; ( 1 )嵌入式微控制器 ( mi c r o c o n t r o l l e r u n i t , mc u) ，其典型代表是单片 机。单片机芯片内部集成的功能越来越多，封装越来越小，系统时钟频率已 有很大的提高，适合于事务密集型控制，具有很高的性价比，是目前嵌入式 处理器的主流产品。 ( 2 )嵌入式d s p 处理器 ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r , d s p ) ，是一种适合 于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数 字信号处理算法。 在当今的数字化时代背景下， 被誉为信息社会革命的旗手。 d s p器件支持密集的乘法运算，采用了哈佛结构，提高了数据的处理能力和 速度;指令执行采用流水线作业，具有较高的指令执行速度;采用独立的硬 件乘法i 加法器， 极大地提高了数据处理速度;设置有循环寻址、 位倒序等特 殊指令， 有利于实现实时系统。因为 d s p应用要求高度优化的代码， 大多数 d s p厂商都提供一些开发工具，以帮助程序员完成其优化工作。 d s p的优异 性能使其应用范围越来越广泛，已经扩展到各行各业。 ( 3 )嵌入式微处理器 ( mi c r o p r o c e s s o r u n i t , mp u) ，它是由通用计算 机中的c p u演变而来的，具有较高的性能， 但价格也较高。 和计算机处理器 不同的是， 在实际嵌入式应用中， 只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件， 去除其它的冗余功能部分，这样就能以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的 特殊要求。 ( 4 )嵌入式片上系统 ( s y s t e m o n c h i p , s o c ) ，它的最大特点是成功 实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。绝大 部分系统构件都是在系统内部，整个系统特别简洁，不仅减小了系统的体积 和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 由于电力电子控制器是运算密集型，通过不同处理器的特点比较同时考虑 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电力电子平台的整体方案 2 . 1 嵌入式系统的硬件平台 各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的核心部分。目前，世界 上具有嵌入式功能特点的处理器己经超过 1 0 0 0种，流行的体系结构包括 m c u . m p u等3 0 多个系列。 很多半导体制造商都开始大规模生产嵌入式处 理器，并且公司自主设计处理器也已经成为未来嵌入式领域的一大趋势。其 中，从单片机、d s p到 p p g a ，品种越来越多，速度越来越快，性能越来越 强，价格也越来越低。根据其现状，嵌入式处理器可分为四类; ( 1 )嵌入式微控制器 ( mi c r o c o n t r o l l e r u n i t , mc u) ，其典型代表是单片 机。单片机芯片内部集成的功能越来越多，封装越来越小，系统时钟频率已 有很大的提高，适合于事务密集型控制，具有很高的性价比，是目前嵌入式 处理器的主流产品。 ( 2 )嵌入式d s p 处理器 ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r , d s p ) ，是一种适合 于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数 字信号处理算法。 在当今的数字化时代背景下， 被誉为信息社会革命的旗手。 d s p器件支持密集的乘法运算，采用了哈佛结构，提高了数据的处理能力和 速度;指令执行采用流水线作业，具有较高的指令执行速度;采用独立的硬 件乘法i 加法器， 极大地提高了数据处理速度;设置有循环寻址、 位倒序等特 殊指令， 有利于实现实时系统。因为 d s p应用要求高度优化的代码， 大多数 d s p厂商都提供一些开发工具，以帮助程序员完成其优化工作。 d s p的优异 性能使其应用范围越来越广泛，已经扩展到各行各业。 ( 3 )嵌入式微处理器 ( mi c r o p r o c e s s o r u n i t , mp u) ，它是由通用计算 机中的c p u演变而来的，具有较高的性能， 但价格也较高。 和计算机处理器 不同的是， 在实际嵌入式应用中， 只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件， 去除其它的冗余功能部分，这样就能以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的 特殊要求。 ( 4 )嵌入式片上系统 ( s y s t e m o n c h i p , s o c ) ，它的最大特点是成功 实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。绝大 部分系统构件都是在系统内部，整个系统特别简洁，不仅减小了系统的体积 和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 由于电力电子控制器是运算密集型，通过不同处理器的特点比较同时考虑 华北电力大学硕j 丁 学位论文 技术成本和性价比， 本文的嵌入式处理器选用t i 公司的定点型嵌入式d s p芯片 tms 3 2 0 f 2 8 1 2 0 s e e d - d e c 2 8 1 2 是北京合众达电子技术有限公司开发的硬件系统， 主要 集成了t ms 3 2 0 f 2 8 1 2 嵌入式 d s p , s r a m, a i d , p wm, u r a t , c a n, u s b , d / a和串行e e p r o m十 r t c实时时钟等外设;提供看门狗电路、电源复位、 上电复位、手动复位、系统可靠、稳定;标准的 j t a g接口，方便调试;标 准化的扩展总线;模板尺寸为 3 u工业标准。这样使其能够应用在电机、电 力等工业控制领域。 其技术指标为: 主处理器:3 2 一 位定点d s p t ms 3 2 0 f 2 8 1 2 ，主频 1 5 0 mh z ; s r a m:片内:1 8 k x 1 6 位，0等待: 片外:6 4 k x 1 6位，1 2 n s( 可扩展至 5 1 2 k x 1 6位) ; f l a s h: 片内:1 2 8 kx 1 6 位，3 6 n s ; r o m:片内:b o o t r o m: 4 k x 1 6位; 片外:o t p r o m: 1 k x 1 6 位，3 6 n s ; a i d:片内2 x8 通道、1 2 位分辨率、s o n s 转换时间、0 -3 v量程 d / a片外4 通道、1 2 位分辨率、1 0 p建立时间、1l o v量程; 异步串:2 通道r s 2 3 2 / r s 4 2 2 / r s 4 8 5 可配置 传输率:r s 2 3 2 : 1 mb a u d ; r s 4 2 2 / r s 4 8 5 : 4 .3 7 5 mb a u d ; c a n总线:1 通道， 符合c a n 2 . o b规范，最高传输率:1 mb p s ; u s b : 1 通道，符合u s b 2 .0 规范，最高传输率: 4 8 0 mb p s ; 扩展总线:接口电平兼容十 3 . 3 v / + 5 v ; 工作温度:0 -7 0 0c o s e e d - d e c 2 8 1 2的功能框图如图2 . 1 所示: 跳砖 11 _ - 1 嘴 声 化 “ 。 口 ) 户斗 认 乡改时汉州帕巴孙舀，功乙全斧 凳 : ， .一 ， 呀砚 嗯 钱 !洲撼月 夕 妇 写界写 刁 吕价 翻汾 心一 刁 卜 . 和 ， 禅 曰扔砚别石 礴和 , . . v 翩习 ， 浇翻任 洲 洲 ” 添 先 介妞 白铆、 ， 侣 吸啼吟 二 明平 丫捧 户 召 柳陌 二 叼，吻 一凌越 心 犷 撰 鱿 帅 轰 ， 图2 . 1 s e e d - d e c 2 8 1 2功能框图 华北电力大学硕 1 . 学位论文 2 . 2 嵌入式实时操作系统 操作系统可分为实时系统和分时系统。 实时系统是为执行特定功能而设 计的， 可以严格按照时序执行功能， 其最大特征就是程序的执行具有确定性。 它的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提 高计算机系统的使用效率。对于实时性要求很高的电力电子控制器，显然要 选用实时系统。 实时操作系统 ( r t o s )是一个可靠性和可信任性很高的内核，将 c p u 时间、中断、v 0 、定时器等资源都包装起来，留给用户标准的a p i ，并根据 各个任务的优先级， 合理地在不同任务之间分配c p u时间。 用户的其它应用 程序建立在 r t o s之上。 r t o s所遵循的最重要的设计原则是:采用各种算法和策略，始终保证 系统行为的可预测性。 可预测性是指在系统运行的任何时刻， 在任何情况下， 实时操作系统的资源调配策略都能为争取资源 ( 包括c p u 、内存等)的多个 实时任务合理地分配资源，使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。 r t o s是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，优秀的 r t o s 可以面对几十个系列的嵌入式处理器mp u , m c u , d s p , s o c等提供 类同的a p i 接口，这是r t o s基于设备独立的应用程序开发基础。因此基于 r t o s上的c语言程序具有良好的可移植性。在 r t o s基础上可以编写出各 种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数，和通用性的应用 程序一起，可以作为产品销售，促进行业内的知识产权交流，因此r t o s又 是一个软件开发平台。 r t o s的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统 中软件比重不断上升、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程 序档案的组织管理成为一个大的课题。引入r t o s相当于引入一种新的管理 模式，对于开发单位和开发人员都是一个提高。 2 . 2 . 1 嵌入式实时操作系统的选择 早在二十世纪六十年代， 就己经有人开始研究和开发嵌入式实时操作系 统，但直到最近，它才在国内被越来越多地研究和应用，在通信、电子、自 动化等需要实时处理的领域所 日益显现的重要性吸引了人们越来越多的注 意力。以往人们关注的往往是一些著名的商业内核，诸如 v x wo r k s , p s o s 等。 这些商业内核胜能优越， 但价格昂贵。 长期以来， 价格因素限制了r t o s 在我国嵌入式应用产品开发中的推广与普及。随着操作系统走向开放，越来 华北电力大学硕 1 . 学位论文 2 . 2 嵌入式实时操作系统 操作系统可分为实时系统和分时系统。 实时系统是为执行特定功能而设 计的， 可以严格按照时序执行功能， 其最大特征就是程序的执行具有确定性。 它的首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提 高计算机系统的使用效率。对于实时性要求很高的电力电子控制器，显然要 选用实时系统。 实时操作系统 ( r t o s )是一个可靠性和可信任性很高的内核，将 c p u 时间、中断、v 0 、定时器等资源都包装起来，留给用户标准的a p i ，并根据 各个任务的优先级， 合理地在不同任务之间分配c p u时间。 用户的其它应用 程序建立在 r t o s之上。 r t o s所遵循的最重要的设计原则是:采用各种算法和策略，始终保证 系统行为的可预测性。 可预测性是指在系统运行的任何时刻， 在任何情况下， 实时操作系统的资源调配策略都能为争取资源 ( 包括c p u 、内存等)的多个 实时任务合理地分配资源，使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。 r t o s是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，优秀的 r t o s 可以面对几十个系列的嵌入式处理器mp u , m c u , d s p , s o c等提供 类同的a p i 接口，这是r t o s基于设备独立的应用程序开发基础。因此基于 r t o s上的c语言程序具有良好的可移植性。在 r t o s基础上可以编写出各 种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数，和通用性的应用 程序一起，可以作为产品销售，促进行业内的知识产权交流，因此r t o s又 是一个软件开发平台。 r t o s的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统 中软件比重不断上升、应用程序越来越大，对开发人员、应用程序接口、程 序档案的组织管理成为一个大的课题。引入r t o s相当于引入一种新的管理 模式，对于开发单位和开发人员都是一个提高。 2 . 2 . 1 嵌入式实时操作系统的选择 早在二十世纪六十年代， 就己经有人开始研究和开发嵌入式实时操作系 统，但直到最近，它才在国内被越来越多地研究和应用，在通信、电子、自 动化等需要实时处理的领域所 日益显现的重要性吸引了人们越来越多的注 意力。以往人们关注的往往是一些著名的商业内核，诸如 v x wo r k s , p s o s 等。 这些商业内核胜能优越， 但价格昂贵。 长期以来， 价格因素限制了r t o s 在我国嵌入式应用产品开发中的推广与普及。随着操作系统走向开放，越来 华北电力大学硕士学位论文 越多的开放源代码的自由软件得到了广泛的认可与应用，其中最著名的是 l i n u x ， 基于l i n u ; 内核出现了实时的r t l i n u x 和嵌入式l i n u x ， 如p c l i n u x 继承l i n u x标准的优良特性，是针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系 统，具有内嵌网络协议、支持多种文件系统，开发者可利用标准 l i n u x 先验 知识等优势。 t c l i n u x 内核较l i n u x小了很多， 但仍有5 0 0 k b之大， 且实时 性一般;另一个著名的r t o s自由软件是r t e ms ( r e a l - t i m e e x e c u t i v e f o r m i s s i l e s y s t e m s ) ， 可以用于嵌入式应用， 但因为r t e ms 基于p o s i x a p i标 准，嵌入到片上系统难度相当大。这类自由软件出自于写u n i x的专家之手， 功能强、性能稳定可靠，虽然有源码，但程序量大、版本多，非l i n u x高手 难以掌握，且相应的内核较大，有数百 k b之多，不易裁剪至嵌入式处理器 中去。 另一个著名的源码公开的操作系统是r c / o s - i i ， 它有很多得天独厚的 优势，对于很多小型嵌入式系统这是个不错的选择。它的特点主要有: ( 1 ) 作为实时操作系统， p c / o s - 1 1 采用的是可剥夺型实时多任务内核。 所谓 “ 剥夺型调度”是指:一旦就绪状态中出现优先权更高的进程，或者运 行的进程已用满了规定的时间片时，便立即剥夺当前进程的运行 ( 将其放回 就绪状态) ，把 c p u分配给其他进程。可剥夺型的实时内核在任何时候都运 行已 就绪的最高优先级的 任务。 w c / o s - 1 1 中 最多可以 支持6 4 个任务， 分别 对应优先级0 6 3 ， 其中0为最高优先级。 调度工作的内容可以分为两部分: 最高优先级任务的查找和任务切换。 ( 2 )适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优 良 和可扩展性强等特点。t c / o s - 1 1 是面向中小型嵌入式系统的，它结构小 巧，其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务n j 同步与通信、内存管理 和中断服务等功能 。如果包含全部功能 ( 信号量、消息邮箱、消息队列及相 关函数) ， 编译后的p c / o s - 1 1 内 核仅有6 -1 2 k b ，最小内 核可编译至2 k b o 系统本身没有对文件系统的支持， 但是la go s -1 1 具有良 好的扩展性能，如 果需要也可 自行加入文件系统。 ( 3 ) 绝大部分代码是用a n s i c写的， 与微处理器硬件相关的部分是用 汇编语言写的，己压缩到最低限度，代码易理解和移植。已经被移植到多种 处理器上，在网站上很容易找到移植例程。对于初学者学习嵌入式实时操作 系统的内核结构和原理是个很好的开始。 基于上述的分析与比较， 本文选用源代码公开的小型嵌入式实时操作系 统u c / o s 一1 1 。 华北电力大学硕 l 学位论义 2 . 2 . 2 u c / o s - i i 操作系统的功能 lx c / o s 一i i 的核心就是对任务的各种操作， 所谓的任务其实就是通常嵌 入式系统意义上的进程的概念。一个任务通常是一个无限的循环，一个任务 看起来像其它c 的函数一样，有函数返回类型，有形式参数变量，但是任务 是绝不会返回的，故返回参数必须定义成v o i d . 任务控制块一 一 任务控制块是一个数据结构，当任务的c p u 使用权被剥 夺时， 1i c / o s - i i 的 核心就是对任务的 各种操作， 所谓的 任务 其实就是通常 嵌入式系统意义上用它来保存该任务的状态。 当任务重新得到c p u 使用权时， 任务控制块能确保任务从当时被中断的那一点继续执行。任务控制块包含一 个重要内容:当前任务栈顶的指针，用户定义的任务控制块扩展的指针，任 务栈底的指针， 栈中可容纳的指针元数， 任务的识别码， 任务控制块o s jc s 的双重链接指针，事件控制块的指针，传给任务的消息的指针，任务的状态 字，任务优先级等。 任务调度一一w c / o s - i i 总是运行进入就绪态的优先级最高的任务。 优 先级最高的任务的确定是由调度器 ( s c h e d u l e r )完成的。任务级的调度是由 函数o s s c h e d) 完成的。调度其实很简单，就是将被挂起任务的微处理器寄 存器推入堆栈，然后将较高优先级的任务的寄存器值从栈中恢复到寄存器 中。 任务管理一一任务管理的主要内容是在用户的应用程序中建立任务、 删 除任务、改变任务的优先级、挂起和恢复任务，以及获得有关任务的信息。 w e / o s - i i 可以管理多达6 4 个任务，并从中保留了四个最高优先级和四个最 低优先级的任务供自己使用，所以用户可以使用的只有5 6 个任务。 时间管理一一 l c / o s - i i 要求用户提供定时中断来实现延时与超时控制 等功能，主要包括任务延时，结束任务延时，得到和改变系统时间等功能函 数。这个定时中断叫做时钟节拍，它应该每秒发生i a 至l o o 次。时钟节拍的 实际频率是由用户的应用程序决定的。时钟节拍的频率越高，系统的负荷就 越重。 内存管理一一 在 t c / o s - i i 中，操作系统把连续的大块内存按分区来管 理。每个分区中包含有整数个大小相同的内存块。利用这种机制，w c / o s - i i 对m a l l o c ( ) 和f r e e) 函数进行了改进， 使得它们可以分配和释放固定大小的 内存块。这样一来， m a l l o c) 和f r e e ( ) 函数的执行时间也是固定的了。在一个 系统中可以有多个内存分区。这样，用户的应用程序就可以从不同的内存分 区中得到不同大小的内存块。但是，特定的内存块在释放时必须重新放回它 华北电力大学硕 1 学位论文 以前 所属于的内存分区。为了便于内存的管理，在li c / o s - i i 中使用内存控 制块 ( m e m o r y c o n t r o l b l o c k s )的数据结构来跟踪每一个内存分区，系统中 的每个内存分区都有它自己的内存控制块。包含以下内容:内存分区起始地 址的指针，下 一 个空闲内存控制块或者下一个空闲的内存块的指针，内存分 区中内存块的大小，内存分区中总的内存块数量，内存分区中当前可以得空 闲内存块数量。 2 . 2 . 3 p c / o s - i i 的内 核原理 ( 1 )驱动机制 在多任务系统中，有的任务需要立即处理，而另外一些任务则允许暂缓 处理，w c / o s - i i 采用了事件驱动管理技术。所谓事件 ( e v e n t ) ，即一个任 务或一个处理过程。将嵌入式系统所承担的各项任务按先后顺序排队并建立 任务链表，对所有的任务按其紧急程度的不同分别赋予不同的优先级。对于 那些需要马上处理的任务，赋予其较高的优