（电力系统及其自动化专业论文）基于μcosⅡ和dsp的微机保护方案研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h 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 rr e l a yp r o t e c t i o n ，m a n yn e w r e l a yp r i n c i p l e a n dp r o j e c tt h a tc a l li 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 eb e e na p p l i e di n p r a c t i c e ，t h e yp u tf o r w a r dm o r eh i g h e rr e q u i r m e n tf o rt 1 1 ed e s i g no f m 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 n t h ec p u o fm o s t 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 nd e v i c ef o rt l l ep r e s e n ti s16 b i ts i n g l ec h i p m i c y o c o ，b e c a u s eo f t h es l o ws p e e d ，i ti sh a r df o rt h es i n g l ec h i pm i c y o c o t or e l i z et h ec o m p l e xa r i t h m e t i ca n dh i g h e rs a m p l i n g a n dt r a d i t i o n a lf l o wc h a r tl i n e a r i t y p 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 r b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c ef o rt l l e p r e s e n t w h i c hm a k e ss o m e p r o b l e m ss u c h a sh a r dm a i n t e n a n c e ，h a r d u p g r a d ea n d e t c b a s e do n b r o a d l yc o l l e c t i n gt h ed o c u m e n t sa b o u t t lc o s i ia n dd s p t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 t h i sp a p e r b r i n g su pn e wm 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 nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m s p r o j e c ta n dd e s i g n uc o s - i i i sac o s t f r e ea n do p e nc o d e f u l l yp r e e m p t i v er e a l t i m e k e r n e lb a s e do ns t a t i cp r i o r i t y t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e s pc o s i ik e r n e lp r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c ei nd e t a i l sa n dt h e np o r t e di tt od s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2b o a r db y w r i t i n gs o m e h a r d w a r e a s s o c i a t e dc o d e f u r t h e r m o r es o m e t e s t i n ga n da n a l y s i so nuc o s a r em a d e t h e n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h ed e s i g na r ed e s i g n e d t w oh i g h s p e e d i n gd s p a r e a p p l i e di nt h em a i nb o a r d , o n ef o rs a m p l i n ga n dc a l c u l a t i o na n do t h e rf o r l o g i c p r o c e s s i n g i nt h ee n d , t h ep a p e ra n a l y z e st h es o f t w a r ed e s i g nb a s e do nuc o s i ii nd e t a i l s b e c a u s eo f a d o p t i n gs o f t w a r em o d u l a r i t y , t h es t r u c t u r eo fs o f t w a r ed e s i g ni si nf o c u s e a c h m o d u l ec a nb ed e s i g n e ds i m u l t a n e i t yf o rd i f f e r e n t d e v e l o p e r ，s ot h ee f f i c i e n c yc a nb e e n h a n c e d s i n c ee a c hm o d u l ei s c o m p l e t ei n d e p e n d e n c e ，t h em o d u l ec a r lb ew e l l a s s o c i a t i o nw i t ha n o t h e r , w h i c h i m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h ep a p e ra n a l y z e s t h es o f t w a r ed e s i g na n dt h ep a r t i t i o na n d d e s i g nf o rm o d u l eo f p r o t e c t i o ni nd e t a i l ，a n dh o w t oc r e a t ea n ds y n c h r o n i z et a s k si sa l s od i s c u s s e d i nt h ee n dt h ep r o t e c t i o ns c h e m ea n d a r i t h m e t i ca r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r i nt h ee n d ，t h er e a lt i m eo f t h es o f t w a r ed e s i g ni s a n a l y z e d a n dt h er e s u l ti ss a t i s f a c t i o n k e y w o r d 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 n ，h a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r e d e s i g n ， e m b e d d e dr t o s ，d s p , pc o s i i i 】 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，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：锄取力 f 2 丫年吖月讶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密臼。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：鳓鼎指导教师签名：学位论文作者签名：即旃指导教师签名： i， f 可丸伤 秒v ￥年l f 月t 名日鲫( 庳够月2 8 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 【摘要】本章简要介绍了课题研究的内容、意义和背景，探讨了在微机继电保护中采用嵌入式 实时操作系统的必要性，在简述了嵌入式实时操作系统和d s p 在微机继电保护中的应用后，提出 了结合嵌入式实时操作系统pc o 孓和高速d s p1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的新型微机保护开发思想。 1 1 课题研究的背景和内容 电力系统的不断发展和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【l 】1 2 】：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，针对上述问题，本课题提出了一套基于新的硬件平台并采用 嵌入式实时操作系统的新型微机继电保护装置的设计方案，其硬件核心采用了的高性 能d s p 为c p u ，软件平台则基于l lc o s n 实时操作系统。 由于d s p 本身的性能相对于原来的单片机芯片有大幅度提高，随着应用的复杂 化，一个嵌入式控制器系统可能要同时控制监视很多外设，要求有实时响应，有很 多处理任务，各个任务之间有很多信息传递，如果仍采用原来的程序设计方法存在两 个问题。一是中断可能得不到及时响应，处理时间过长，这对于一些控制场合是不允 许的，对于网络通信方面则会降低系统整体的信息流量。二是系统任务多，要考虑的 各种可能也多，各种资源如调度不当就会发生死锁，降低软件可靠性，程序编写任务 华中科技大学硕士学位论文 量成指数增加。实时操作系统( 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可能情况记在心中，大大减小了程序编写的工作量，而且减小 了出错的可能，保证最终程序具有高可靠性1 3 j 【。 实时多任务操作系统以分时方式运行多个任务，看上去好像是多个任务“同时” 运行。uc o s i i 是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操 作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中 断服务等功能。作为实时操作系统，pc o s i i 是采用的可剥夺型实时多任务内核。 可剥夺型的实时内核在任何时候都运行就绪了的最高优先级的任务。这些也是标准的 r t o s 所应具有的基本功能。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 t o 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【5 j 【“。 实时多任务操作系统建立在d s p 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于软件的存档、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。 在电力系统中，对故障的诊断要求快速及时，对故障的恢复也要求快速，对操作 华中科技大学硕士学位论文 系统的要求就必须配置响应快速的实时操作系统。采用基于d s p 的硬件平台，可以极 大的提高运算速度，计算精度，易于实现最新的电力系统保护原理算法，很大程度上 提高现代电力系统的继电保护水平，能严格保证继电保护装置的可靠性，速动性，灵 敏性m 。 1 ，2 从微机继电保护的发展看采用嵌入式r t o s 的必要性 电力系统继电保护经过长期发展，从9 0 年代开始进入了微机继电保护发展时期。 微机继电保护在我国已经经历了2 0 年的发展历史，形成了一整套相当成熟的理论体 系。微机型继电保护装置的种种优越性为大家所认识，国内开始了广泛应用，并取得 了相当的成功，现在新投入的继电保护装置几乎无一例外地选用了微机保护。 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。在硬件方面，由于集成电路和计算机技术的飞速发展，微机保护装 置硬件的发展十分迅速。 微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段i s 】【明： ( 1 ) 第一阶段以单c p u 的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式a d 模数 转换器构成，硬件及软件的设计符合“四统一”设计标准，其代表产品为微机高压输 电线路保护装置。 ( 2 ) 第二阶段以多单片机构成的多c p u 硬件结构为主，数据采集系统为电压频 率转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置成功 运行经验，利用多c p u 的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保 护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动与误动的措施。 ( 3 ) 第三阶段以高性能的1 6 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出 芯片，电路简单的特点，抗干扰性能进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变电 站自动化提供了方便。 相对于硬件的快速发展，软件方面的发展相对滞后。微机保护的软件是一个要求 很高的实时软件。实时程序设计从概念上说与一般的程序设计( 数值计算、数据处理) 具有根本的不同之处。实时程序执行的正确性不仅与程序逻辑计算结果有关，而且与 程序被执行的先后次序和时间限制的关系也十分密切。一般的程序是对输入数据进行 华中科技大学硕士学位论文 加工、处理产生出输出数据的过程，与程序执行的时间关系不大；而实时程序若不能 满足时间限制条件，就会直接影响其执行结果的正确性。因此，实时程序设计将会比 一般的程序设计更加复杂和困难0 0 1 。 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，然后按着流程 图来编程，一般是一个无限循环，循环中调用相应的函数( 予程序) 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) i “】。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 可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，时间也 不确定。同时，程序的可读性很差，调试困难，维护也比较困难。而微机保护的各种 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。 目前国内生产的微机保护装置存在以下几个需要改进的地方一f 1 5 】： ( 1 ) 硬件系统陈旧落后； ( 2 ) 软件的开发、维护困难，软件生存期短： ( 3 ) 与厂站自动化系统接口功能弱，网络通信功能不能满足要求： ( 4 ) 保护原理配置以及装置制造工艺等方面有待改善。 低性能的单片机已经不能满足不断发展的市场的要求；而采用汇编语言编写的线 性程序也十分不易于软件的更新和升级。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。 目前国内成熟的继电保护产品，大多数厂家都是以单片机为核心的多c p u 插件模 式，软件编程以c 语言和汇编为主，程序主体采用循环处理加中断结构。在同行业中， 华中科技大学硕士学位论文 只有许继新研制的w b h 一8 0 0 微机型变压器成套保护装置采用的是3 2 位高性能d s p 处 理器，实时多任务操作系统n u c l e u sp l u s ，很大程度上提高了软件的编程方便性和软 件的运行可靠性。 随着微处理器芯片性能的高速发展，价格的下降和对软件可重用性，易维护性要 求的提高，用r t o s 已经是继电保护产品的大势所趋。 采用r t o s ，将使装置具有以下几个方面的优势： ( 1 ) 实时性更强。对继电保护装置而言，实时性就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，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。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。 ( 2 ) 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 ，这种干扰可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 有问题的进程终止掉，再调用另一个进程将任务修复，从而使系统的可靠性大大提高 。 ( 3 ) 可扩展性更好。目前大多数的嵌入式系统的开发语言都采用c c + + ( f i t 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，而且可以解放用户。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 3 嵌入式实时操作系统简介 嵌入式系统是以嵌入式应用为目的的计算机系统。它将计算机硬件和软件结合起 来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能和任务。具有软件代码小，高度自动 化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。 华中科技大学硕士学位论文 实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。首先任务 是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，重要特点是要满足对时间的限制和要 求。它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1 9 1 。 实时操作系统分为软实时操作系统和硬实时操作系统。在硬实时操作系统中，各 任务不仅要执行无误而且要做到准时。而软实时操作系统中系统的宗旨是使各个任务 运行得越快越好、并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成。大多数实时操作系 统是两者的结合。 实时操作系统是相对于分时操作系统的一个概念。在一个分时操作系统中，计算 机系统的资源会被平均的分配给系统内所有的工作。大部分分时操作系统都支持多用 户和多进程，负责管理众多的进程并为它们分配系统资源。分时操作系统注重平均表 现性能，不注重个体表现性能【2 0 】【2 5 1 。 而在一个实时操作系统之中，系统内有多少任务并不是那么重要。我们关心的是 一个任务在系统中的重要程度，重要任务必须优先完成。而采用了优先级抢占式调度 方式，那么实时操作系统通常会要求每一个工作在交付给系统的时候同时也给定个 优先级，代表该任务在系统中的重要程度，任务之间的切换以优先级为根据。 r t o s 的实时性和多任务能力在很大程度上取决于它的任务调度机制。从调度策 略上来讲，分优先级调度策略和时间片轮转调度策略：从调度方式上来讲，分可抢占、 不可抢占、选择可抢占调度方式；从时间片来看，分固定与可变时间片轮转。只有抢 占式优先级调度方式的r t o s 才是真正的实时操作系统，可以使中断响应时间减到最 小。我们采用的r t o s 为保证实时性，采用抢占式优先级调度策略。 r t o s 的主要功能模块有调度和中断处理( 为了优化用汇编编写) ，任务管理，时 问管理，邮箱管理，规范的u a r t 管理等等。它一般以源代码形式供应给用户，作为 工程源程序的一部分参加编译，最终成为用户代码的一部分。 由于r t o s 不可替代的优点，其发展速度很快，r t o s 经过几十年的发展，形成了 百花齐放的现状。如今国内外的r t o s 开发商有数十家，提供了上百个商业化的r t o s ， 华中科技大学硕士学位论文 应用较广泛的有v x w o r k s 、p s o s 等。它们各具特色。但是这些商业化r t o s 也存在许 多问题。首先，应用代码的重用性差。当选择不同的r t o s 开发时，不能保护用户已 有的应用投资，给应用开发者带来难题。其次，各个商业化r t o s 不但价格昂贵，而 且不提供源代码，应用者无法了解其细节。虽然r t o s 的设计和实现是一个比较复杂 的过程，而且商业化的r t o s 不公开其源代码，但正如分时操作系统中l i n u x 的出现 打破了w i n d o w s 一统天下的局面一样，而源代码开放的uc o s i i 实时操作系统正好 解决了这些问题，这也是我们为什么选择它的原因之一。在r t o s 领域，也出现了许 多源代码公开的r t o s 内核。如嵌入式l i n u x 、pc o s i i 等内核。 1 4d s p 在微机继电保护方面的应用 传统的模拟量的采集和获得，通过变送器将一次p t 和c t 的电气量变为直流量， 再进行a d 转换送给计算机。应用了交流采样技术以后，经过二次p t 、c t 的变换后， 直接对每周波的多点采样值采用d s p 处理算法进行计算，得到电压和电流量的有效值 和相角，免去了变送器环节。这不仅使得分散布置的分布式r t u 很快地发展起来，而 且还为变电站自动化提供了功能综合优化的手段。由于这些微机式的r t u 大多采用大 多为8 位或1 6 位单片机，又一般采用时域法的计算方法，因而数据处理能力差，可 扩展空间较小、运算速度慢。d s p 具有程序和数据分开的哈佛结构，流水线操作功能， 单周期完成乘法的硬件以及一套适合数字处理的指令集，由其组成的系统能够进行实 时的频谱分析，提高了测量精度。这样的数据采集的速度和精度使遥测量的采集计算 更为快捷，此外，还使进一步的电气量测量提供了方便的实现基础【2 6 】口刁。 d s p 技术在微机继电保护中还具有以下特点【2 8 l ： ( 1 ) 数据处理能力强，能促进保护性能的提高由于常规的c p u 数据处理能力有限， 以前的许多基于常规c p u 的保护在面对能提高保护性能的优秀方案时，由于计算量很 大而不得不放弃，或采取近似、简化的方法，使许多优秀的性能得不到发扬或打了折 扣。d s p 强大的数据处理能力能使这些问题迎刃而解。 ( 2 ) 数据采集采用d m a 控制数据采集，一方面提高c p u 工作效率，另一方面，简 化硬件及软件结构，有利于软件的开发及维护。 ( 3 ) 采用c p l d 实现开入开出控制功能，灵活，可靠。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 硬件资源丰富：f l a s h 存储器是存储家族中的一个新成员。它兼有e p r o m 和 e e p r o m 两者的优点的新型非易失大容量存储器件，其显著特点是编程速度快，抗干扰 能力强，容量大，而且可以在线编程，对于芯片的固化和擦除操作都是通过命令寄存 器来完成的。用来存放程序和定值，安全可靠，读取速度快。s r a m 采用高集成度的静 态存储器，读取速度快，容量大。 ( 5 ) 开发手段先进：支持汇编及a n s i c 的混合编程，并提供了c 语言开发工具和 c 库函数，并有实时多任务操作系统的支持，其汇编语言与常规的单片机相比，有许 多鲜明的特点，一方面指令丰富，效率高( 如单周期的乘法指令，循环寻址功能指令 等) ，另一方面，它逐步融合了高级语言的许多优点( 如结构的应用，类似于指针变 量的辅助寄存器寻址等) ，在此基础上开发产品，支持软件丰富，开发灵活快捷，可 靠性高，对于硬件的调整升级，相应的软件升级和维护十分方便灵活。 1 5 本课题的主要研究内容及章节安排 本课题的主要研究内容是实现l ac o s - i i 在t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 上的移植，设计系统的 软硬件方案。 针对本课题，本文选择了t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为控制器的核心， t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是内部数据和地址总线是3 2 位，设计采用先进的哈佛和多总线结构， 有六级流水线，对数据的实时处理性能好、功能强大，芯片内所带资源比较丰富，价 格适中，尤其是其内部带有1 6 k 的快速r a m ，提高了系统运行的可靠性和速度【2 9 1 。 为了提高开发的方便和快捷，提高性能，本文选择了由美国j e a nj l a b r o s s e 先 生设计和编写的uc o s i i 的源代码开放的小型嵌入式实时操作系统，并且已经成功 的移植到t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 中。uc o s i i 代码简洁，具有一般商业实时内核可移植、可 裁减、多任务、占先式等特点，更为重要的是uc o s i i 完全开放可以使人彻底了解 嵌入式操作系统的工作原理和实现的方法，方便用户对出现的问题进行彻底的分析和 查找，而这一点是任何商业内核厂商所办不到的f 1 6 。 在t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 上运行pc o s i i ，既可以充分发挥t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为数字信 号处理器的快速处理数据的特点，也可以利用pc o s i i 的多任务和管理功能使 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 更好的进行事务处理。为了使uc o s i i 在t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 中运行起来， 华中科技大学硕士学位论文 必须针对t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的结构特点进行操作系统移植，编写特定的底层驱动程序。 本文的软件设计在研究uc o s i i 和d s p 的基础上，借鉴他人的工作经验，设计 了实时信息的测量、保护、通讯、人机接口、控制等功能。 论文的章节安排如下： 第一章：简要介绍了课题研究的内容、意义和背景，探讨了在微机继电保护中采 用嵌入式实时操作系统的必要性，在简述了嵌入式实时操作系统和d s p 在微机继电保 护中的应用后，提出了结合嵌入式实时操作系统uc o s i i 和高速d s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的新型微机保护开发思想。 第二章：uc o s i i 是一个免费公开源码的、面向中小型应用的、基于优先级的 可剥夺式实时多任务内核。本章对其内核原理作出详细分析；结合部分源代码，对将 uc o s i i 移植到t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 上作了详细的阐述；编写了程序对其基本功能做了测 试并对其结果进行了分析。 第三章：首先提出了硬件平台的总体设计方案，然后阐述了包括主控板设计、显 示主板设计以及抗干扰措施等几个方面。 第四章：详细阐述了基于嵌入式实时操作系统i j c o s i i 的软件设计方案，从设 计思想、保护模块的划分及设计、用户任务的创建、用户任务的同步和通信等进行了 详细的设计研究，最后本章对保护配置和算法进行了探讨。 第五章：对全文进行了总结，并展望了下一步需要展开的研究工作。 华中科技大学硕士学位论文 2嵌入式实时操作系统uc o s 1 1 分析及移植 摘要】pc o s i i 是一个免费公开源码的、面向中小型应用的、基于优先级的可剥夺式实时 多任务内核。本章对其内核原理作出详细分析；结合部分源代码，对将pc f o s u 移植到 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 上作了详细的阐述；编写了程序对其基本功能做了测试。 2 1l ac o s - i i 起源及其特点 uc o s - i i 是基于u c o s 的，uc o s i i 与u c o s 的内核是一样，只不过提供了更 多的功能。u c o s 是美国人j e a nl a b r o s s e 编写的。j e a nl a b r o s s e 是一位开发嵌入 式应用产品的工程师，凭着多年从事嵌入式开发的经验，他决定自己写一个免费的实 时内核。他在1 9 9 2 年5 月和6 月的“e m b e d d e ds y s t e mp r o g r a m m i n g ”杂志上发表了 u c o s 内核的源代码和注释，年底r d 出版社为该内核出版了名为“u c o st h er e a l t i m ek e r n e l ”的书。这样，一个免费的、开放源码的、有详细注解的实时内核诞生 了。u c 0 s 自1 9 9 2 年以来已经有很多成功的商业应用，其应用覆盖了诸多领域，如照 相机、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等。1 9 9 8 年出版了升级版本l ac o s i i 。 pc o s i i 具有如下特点： ( 1 ) 源代码全部公开，并且可以从有关出版物上找到详尽的源代码讲解和注释。 这样使系统变得透明，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上。 ( 2 ) uc 0 s 一绝大部分源码是用a n s ic 写的，可移植性较强。而与微处理器 硬件相关的那部分是用汇编语言写的，已经压到最低限度，使得uc o s i i 便于移植 到其他微处理器上。pc 0 s i i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位甚至6 4 位微处理 器、微控制器、数字信号处理器( d s p ) 上运行。 ( 3 ) uc o s i i 具有可固化的特点。p c o s j l 是为嵌入式应用而设计的，这就 意味着，只要开发者有固化手段( c 编译、连接、下载和固化) ，uc o s h 可以嵌入 到开发者的产品中成为产品的一部分。 ( 4 ) 可裁减的特点。可以只使用uc o s i i 应用程序需要的那些系统服务。也就 华中科技大学硕士学位论文 是说某产品可以只使用很少几个uc o s - i i 调用，而另一个产品则使用了几乎所有的 pc o s i i 的功能，这样可以减少产品中的uc o s - i i 所需的存储器空间( r a m 和r o m ) 。 这种可裁减性是靠条件编译实现的。只要在用户的应用程序中( 用# d e f i n ec o n s t a n t s 语句) 定义哪些uc o s i i 中的功能是应用程序需要的就可以了。 ( 5 ) 占先式。uc o s i i 完全是占先式( p r e e m p t i v e ) 的实时内核，这就意味着 uc o s i i 总是运行在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， pc o s - 在性能上和它们类似。 ( 6 ) 多任务特点。uc o s i i 可以管理6 4 个任务，然而，目前的版本保留8 个 给系统。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相同的， 这意味着uc o s i i 不支持时间片轮转调度法。该调度法适用于调度优先级平等的任 务。 ( 7 ) 可确定性特点。全部pc 0 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uc o s i i 的函数调用与服务的执行时间是可知的，进而言之， pc l o s 一系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。一般来说，影响任务 切换时间的主要因素是确定就绪任务所需要的时间和上下文切换所需时间。uc o s - i i 中采用查表法寻找准备就绪任务，只需两行代码，查找迅速且所需时间固定。上下 文切换时间主要包括保存恢复c p u 寄存器时间和保存恢复任务堆栈时间。因为每个任 务都具有相同的寄存器数目，所以耗时是固定的。由于采用了静态内存分配方式。任 务的堆栈不会重叠，保存和恢复任务堆栈实际上就是保存和恢复任务堆栈指针。在p c o s i i 移植中，使用其中一个寄存器作为任务堆栈，所以在保存和恢复c p u 寄存器 的同时已将任务的堆栈保存恢复。因此可得肚c o s i i 中任务切换时间基本固定，从 而大大增强了系统的可预测性。 ( 8 ) l - tc o s i i 每个任务有自己单独的栈，uc 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pc 0 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。 ( 9 ) p c o s i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定 的内存的申请与释放、时间相关函数等。 ( 1 0 ) 在中断管理上，中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的 任务被浚中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层 华中科技大学硕士学位论文 数可达2 5 5 层。 ( 1 1 ) 优先级倒置。uc o s i i 不提供消除优先级倒置的任何措施，开发应用程 序时可能引起的优先级倒置问题由系统开发人员自行解决。同时由于pc o s i i 内核临 界段代码的实现没有使用信号量机制，全部使用关闭中断的方式，且临界段代码中不 存在阻塞操作，客观上消除了内核优先级倒置问题。 ( 1 2 ) 可重入性。为了确保高优先级任务的实时性，1 1c o s i i 内核设计为可重 入的。为了做到可重入，内核中大量应用了关闭中断的方法确保临界段代码的执行。 ( 1 3 ) 稳定性与可靠性高。对于普通用户来讲，在i n t e r n e t 上很容易找到完整 的嵌入式实时内核的源代码，有关的出版物有对它的详细阐述，它不仅告诉读者这个 实时内核是怎么写的，还解释了为什么要这样写。而商业上的实时操作系统软件不但 价格昂贵，关键是用户根本无从知道其源代码，对于开发应用来说是不利的。再有， uc o s - i i 的源代码绝大部分是用c 语言写的，经过简单的编译，读者就能在p c 机上 运行，边读书、边实践。仅有与c p u 亲密相关的一部分是用汇编语言写成的。该实时 内核已经被移植到几乎所有的嵌入式应用类c p u 上。移植范例的源代码也可以从因特 网下载。最重要的是，从老版本的u c o s 到新版本的uc o s i i ，已经有了1 0 多年的 使用实践，许多行业上都有成功应用该实时内核的实例，这些应用实践是该内核实用 性、可靠性的最好证据。由于c o s - i i 仅是一个实时内核，这就意味着它不像其它 操作系统那样提供给用户的只是一些a p i 函数接口，有很多工作往往需要用户自己去 完成。把uc o s 一移植到目标硬件平台上也只是系统设计工作的开始，后面还需要 针对实际的应用需求对uc o s i i 进行功能扩展，包括底层的硬件驱动、文件系统、 用户图形接口( g u i ) 等，从而建立一个实用的r t o s 。 2 2pc o s - i i 内核原理研究 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可以大 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 华中科技大学硕士学位论文 点之间。uc 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【16 的基础上对pc o s i i 内核原理进行了研究。 2 2 1 临界段 和其它内核一样，uc o s i i 为了处理i 临界段代码需要关中断，处理完毕后再开 中断。这使得l jc 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。关中 断的时间是实时内核开发商应提供的最重要的指标之一，因为这个指标影响用户系统 对实时事件的响应性。uc o s 一努力使关中断时间降至最短，但就使用uc o s i i 而 言，关中断的时间很大程度上取决于微处理器的架构以及编译器所生成的代码质量。 微处理器一般都有关开中断指令，用户使用的c 语言编译器必须有某种机制能 够在c 中直接实现关开中断地操作。某些c 编译器允许在用户的c 源代码中插入汇 编语言的语句。这使得插入微处理器指令来关开中断很容易实现。而有的编译器把 从c 语言中关中断开中断放在语言的扩展部分。uc o s - i i 定义两个宏( m a c r o s ) 来关 中断和开中断，以便避开不同c 编译器厂商选择不同的方法来处理关中断和开中断。 l j c o s 一中的这两个宏调用分别是：o s e n t e r _ c r i t i c a l0 和o s _ e x i t _ c r i t i c a l ( ) 。 因为这两个宏的定义取决于所用的微处理器，故在文件o s c p u h 中可以找到相应宏 定义。每种微处理器都有自己的o sc p u h 文件。 2 2 2 任务定义 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 。 不同的是，当任务完成以后，任务可以自我删除。任务代码并非真的删除了，u c o s 1 1 只是简单地不再理会这个任务了，这个任务的代码也不会再运行，如果任务 调用了o s t a s k d e l0 ，这个任务绝不会返回什么。 形式参数变量是由用户代码在第一次执行的时候带入的。该变量的类型是一个指 向v o i d 的指针。这是为了允许用户应用程序传递任何类型的数据给任务。这个指针 好比一辆万能的车子，如果需要的话，可以运载一个变量的地址，或一个结构，甚至 是个函数的地址。也可以建立许多相同的任务，所有任务都使用同一个函数( 或者 华中科技大学硕士学位论文 说是同一个任务代码程序) 。例如，用户可以将四个串行口安排成每个串行口都是一 个单独的任务，而每个任务的代码实际上是相同的。并不需要将代码复制四次，用户 可以建立一个任务，向这个任务传入一个指向某数据结构的指针变量，这个数据结构 定义串行口的参数( 波特率、i o 口地址、中断向量号等) 。 uc o s - i i 可以管理多达6 4 个任务，但目前版本的uc 0 s i i 有两个任务已经被 系统占用了。作者保留了优先级为0 、l 、2 、3 、o s l o w e