如何基于RTOS與DSPs設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)裝置？

1　引言

我國(guó)電力系統(tǒng)的微機(jī)型保護(hù)得到迅速發(fā)展，已在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。從早期的8位機(jī)，到現(xiàn)在16/32位機(jī)，性能得到了提高，運(yùn)算能力也大大加強(qiáng)了。

微機(jī)保護(hù)的性能及其可靠性取決于軟、硬件，因此軟件的編寫(xiě)和硬件的選擇是一項(xiàng)關(guān)鍵性的工作。我們?cè)诰帉?xiě)軟件時(shí)，通常先畫(huà)好流程圖，然后按著流程圖來(lái)編程，一般是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)(子程序)完成相應(yīng)的操作(稱(chēng)為后臺(tái)行為或任務(wù)級(jí));用中斷來(lái)處理隨機(jī)事件(稱(chēng)為前臺(tái)行為或中斷級(jí))。程序流程如圖1所示。任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間取決于后臺(tái)循環(huán)執(zhí)行的時(shí)間(在不同的狀態(tài)或運(yùn)行方式下，執(zhí)行時(shí)間不同)，程序經(jīng)過(guò)某一點(diǎn)的時(shí)間不能確定，程序修改了，循環(huán)時(shí)序就受到影響。這種編程方法，使得程序開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，修改困難，任何一處受到破壞，就會(huì)死機(jī)。在8位機(jī)時(shí)代，還不算明顯，隨著16/32位機(jī)的使用及系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，表現(xiàn)的越來(lái)越明顯了。這種傳統(tǒng)的前臺(tái)/后臺(tái)程序開(kāi)發(fā)機(jī)制已不能滿足日益復(fù)雜和多樣化的微機(jī)保護(hù)的應(yīng)用需求，采用RTOS來(lái)開(kāi)發(fā)微機(jī)保護(hù)應(yīng)用程序，現(xiàn)已成為開(kāi)發(fā)人員的發(fā)展方向。

目前運(yùn)行的微機(jī)保護(hù)裝置大多數(shù)為16位單片機(jī)，對(duì)于常規(guī)的保護(hù)其性能基本能滿足。但16位單片機(jī)往往受到運(yùn)算速度等因素的影響，不易實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的算法和更高采樣速率。隨著微電子和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，DSPs已運(yùn)用在了眾多領(lǐng)域。由于DSPs的強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理能力，越來(lái)越受到開(kāi)發(fā)人員的青睞。

2　關(guān)于RTOS(Real Time Operating System)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一段在系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先執(zhí)行的背景程序。用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于RTOS之上的各個(gè)任務(wù)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度，異常處理等工作。實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核是RTOS的關(guān)鍵部分，基本功能包括任務(wù)管理、定時(shí)器管理、存儲(chǔ)管理、資源管理、事件管理、系統(tǒng)管理、消息管理等。RTOS與其它OS相比主要特征是規(guī)模小、可裁剪、微內(nèi)核。

在RTOS機(jī)制下開(kāi)發(fā)多任務(wù)程序，CPU的運(yùn)行時(shí)間被劃分為許多小的時(shí)間片，RTOS按照某種調(diào)度算法分別分配給不同的任務(wù)，多個(gè)任務(wù)分別在自己的時(shí)間片內(nèi)訪問(wèn)CPU，達(dá)到微觀上輪流運(yùn)行，宏觀上并發(fā)運(yùn)行的多任務(wù)效果。程序流程如圖2所示。

任務(wù)是單線程序列指令形成的一個(gè)無(wú)限循環(huán)，它有五種狀態(tài)：休眠、就緒、運(yùn)行、等待和中斷。實(shí)時(shí)內(nèi)核是通過(guò)任務(wù)控制塊(TCB)來(lái)管理任務(wù)的。程序調(diào)用內(nèi)核服務(wù)創(chuàng)建任務(wù)，并在任務(wù)中分配一個(gè)任務(wù)控制塊，進(jìn)行初始化，使任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。實(shí)時(shí)內(nèi)核以事件為基礎(chǔ)，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的狀態(tài)，對(duì)任務(wù)進(jìn)行切換，狀態(tài)也隨之變化。在實(shí)時(shí)任務(wù)中，內(nèi)存中存在多個(gè)任務(wù)控制模塊，以及各個(gè)任務(wù)獨(dú)立的私有堆棧。

任務(wù)進(jìn)行切換，首先要保存CPU寄存器內(nèi)容到當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)控制塊中，然后從新任務(wù)的任務(wù)控制塊裝載堆棧指針，并將新任務(wù)的上下文裝載到CPU寄存器中，這樣就從一個(gè)任務(wù)切換到另一個(gè)任務(wù)運(yùn)行。

我們將要開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)功能進(jìn)行分解，構(gòu)造成幾個(gè)不同的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)應(yīng)用要求的一部分功能，并根據(jù)其重要性，決定它的優(yōu)先級(jí)，它們彼此獨(dú)立運(yùn)行。

RTOS的使用，可以提高系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的線性程序，在遇到強(qiáng)烈的干擾時(shí)，程序任何一處產(chǎn)生死循環(huán)或破壞，都會(huì)引起死機(jī)，只有靠硬件(看門(mén)狗)，進(jìn)行復(fù)位、重新啟動(dòng)系統(tǒng)。在這種情況下，對(duì)于RTOS管理的系統(tǒng)，只會(huì)引起若干個(gè)進(jìn)程中的一個(gè)破壞，并可用另外的進(jìn)程對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。還可以提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期。一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序，可以分解成若干個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)的調(diào)試、修改幾乎不影響其它模塊。

使用RTOS，使得應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、擴(kuò)展變得容易，不需要大的改動(dòng)，就可以增加新的功能;且能使系統(tǒng)資源能得到更好的管理。但需增加額外的ROM/RAM的開(kāi)銷(xiāo)，增加2～5個(gè)百分點(diǎn)的CPU額外負(fù)荷，以及開(kāi)發(fā)成本的增加(RTOS的價(jià)格)。

當(dāng)今市場(chǎng)上有許多RTOS商家生產(chǎn)面向8位、16位、32位，甚至64位的CPU的RTOS產(chǎn)品。如：VRTX、QNX、VxWorks、 Nucleus PLUS、OS—9、PSOSys-tem、LynxOS、WindowsCE及國(guó)內(nèi)的Hopen等。RTOS除包含實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核外，還包括輸入輸出管理、視窗系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)言接口庫(kù)、調(diào)試軟件，以及交叉編譯平臺(tái)等。RTOS已在各行各業(yè)應(yīng)用，如：航空、軍事、電力、通信及工業(yè)控制等領(lǐng)域。

3　關(guān)于DSPs(DiginalSignalProcessors)數(shù)字信號(hào)處理芯片

傳統(tǒng)上，微控制器MCU和微處理器MPU是微機(jī)發(fā)展的兩大分支，而DSPs是MCU的一種特殊變

形。它是一種具有哈佛結(jié)構(gòu)，精簡(jiǎn)指令(RISC)的CPU。

DSPs片內(nèi)有多條地址、數(shù)據(jù)和控制總線，可進(jìn)行流水線操作，提高了CPU的處理能力;有硬件乘法器，乘法計(jì)算可由一條指令來(lái)完成;有專(zhuān)門(mén)的指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;有DMA傳輸通道。其外部硬件部分和MCU相同，由地址、數(shù)據(jù)和控制三總線組成。在軟件開(kāi)發(fā)上，能更好地支持模塊化編程。

市場(chǎng)上有多種DSPs可供我們選擇。如：TI公司的TMS320系列、ADI公司的ADS系列、MOTOROLA公司的DSP系列等。

DSPs的使用，可極大地縮短數(shù)據(jù)處理的計(jì)算時(shí)間，不但可以完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理功能，還可完成運(yùn)算、控制等功能。

4　RTOS與DSPs在微機(jī)保護(hù)裝置中的應(yīng)用

我們采用美國(guó)ATI公司的Nucleus Plus實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，DSPs選用美國(guó)TI公司的TMS320C32，開(kāi)發(fā)了一系列的中低壓保護(hù)裝置。

Nucleus Plus是實(shí)時(shí)、搶先、多任務(wù)的內(nèi)核。大約95%的Nucleus Plus程序是用ANSIC編寫(xiě)的，容易移值。我們以Nucleus Plus為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

我們針對(duì)保護(hù)裝置的實(shí)際情況，把整個(gè)系統(tǒng)分成保護(hù)、自檢、顯示、通信等幾個(gè)任務(wù)，并把保護(hù)任務(wù)設(shè)置成最高優(yōu)先級(jí)。各任務(wù)間彼此獨(dú)立運(yùn)行，任務(wù)間的通信通過(guò)全局?jǐn)?shù)據(jù)或發(fā)送消息來(lái)實(shí)現(xiàn)，任何一個(gè)任務(wù)出現(xiàn)運(yùn)行異常，其它任務(wù)正常運(yùn)行。任務(wù)程序的結(jié)構(gòu)如下代碼所示：[!--empirenews.page--]

TMS320C32是32位的芯片，可進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。圖3是以TMS320C32為核心構(gòu)成的微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)原理圖，在這個(gè)系統(tǒng)中，TMS320C32完成采樣、計(jì)算、保護(hù)邏輯判斷及控制等功能。

在保護(hù)裝置開(kāi)發(fā)中，通過(guò)使用RTOS，可進(jìn)行并行開(kāi)發(fā)，縮短了開(kāi)發(fā)周期;任務(wù)間彼此獨(dú)立，系統(tǒng)的可靠性得到了提高。DSPs的使用，提高了運(yùn)算精度和速度。總之，保護(hù)裝置的整體性能上了一個(gè)臺(tái)階。

5　結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)化，保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化和人工智能化是繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。RTOS和DSPs應(yīng)用在繼電保護(hù)裝置中，會(huì)使保護(hù)性能更加完善、可靠，更有效地?fù)?dān)當(dāng)起確保電網(wǎng)安全的重任。