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[導(dǎo)讀]基于RTOS與DSPs的微機保護(hù)裝置

1 引言

  我國電力系統(tǒng)的微機型保護(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,到現(xiàn)在16/32位機,性能得到了提高,運算能力也大大加強了。

  微機保護(hù)的性能及其可靠性取決于軟、硬件,因此軟件的編寫和硬件的選擇是一項關(guān)鍵性的工作。我們在編寫軟件時,通常先畫好流程圖,然后按著流程圖來編程,一般是一個無限循環(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(稱為后臺行為或任務(wù)級);用中斷來處理隨機事件(稱為前臺行為或中斷級)。程序流程如圖1所示。任務(wù)的響應(yīng)時間取決于后臺循環(huán)執(zhí)行的時間(在不同的狀態(tài)或運行方式下,執(zhí)行時間不同),程序經(jīng)過某一點的時間不能確定,程序修改了,循環(huán)時序就受到影響。這種編程方法,使得程序開發(fā)周期長,修改困難,任何一處受到破壞,就會死機。在8位機時代,還不算明顯,隨著16/32位機的使用及系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,表現(xiàn)的越來越明顯了。這種傳統(tǒng)的前臺/后臺程序開發(fā)機制已不能滿足日益復(fù)雜和多樣化的微機保護(hù)的應(yīng)用需求,采用RTOS來開發(fā)微機保護(hù)應(yīng)用程序,現(xiàn)已成為開發(fā)人員的發(fā)展方向。

  目前運行的微機保護(hù)裝置大多數(shù)為16位單片機,對于常規(guī)的保護(hù)其性能基本能滿足。但16位單片機往往受到運算速度等因素的影響,不易實現(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已運用在了眾多領(lǐng)域。由于DSPs的強大數(shù)字信號處理能力,越來越受到開發(fā)人員的青睞。

  2 關(guān)于RTOS(Real Time Operating System)實時操作系統(tǒng)

  實時操作系統(tǒng)是一段在系統(tǒng)啟動后,首先執(zhí)行的背景程序。用戶的應(yīng)用程序是運行于RTOS之上的各個任務(wù),RTOS根據(jù)各個任務(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。實時多任務(wù)內(nèi)核是RTOS的關(guān)鍵部分,基本功能包括任務(wù)管理、定時器管理、存儲管理、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機制下開發(fā)多任務(wù)程序,CPU的運行時間被劃分為許多小的時間片,RTOS按照某種調(diào)度算法分別分配給不同的任務(wù),多個任務(wù)分別在自己的時間片內(nèi)訪問CPU,達(dá)到微觀上輪流運行,宏觀上并發(fā)運行的多任務(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無限循環(huán),它有五種狀態(tài):休眠、就緒、運行、等待和中斷。實時內(nèi)核是通過任務(wù)控制塊(TCB)來管理任務(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)。實時內(nèi)核以事件為基礎(chǔ),根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的狀態(tài),對任務(wù)進(jìn)行切換,狀態(tài)也隨之變化。在實時任務(wù)中,內(nèi)存中存在多個任務(wù)控制模塊,以及各個任務(wù)獨立的私有堆棧。

  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,這樣就從一個任務(wù)切換到另一個任務(wù)運行。[!--empirenews.page--]

  我們將要開發(fā)的系統(tǒng)功能進(jìn)行分解,構(gòu)造成幾個不同的任務(wù),每個任務(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,它們彼此獨立運行。

  RTOS的使用,可以提高系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的線性程序,在遇到強烈的干擾時,程序任何一處產(chǎn)生死循環(huán)或破壞,都會引起死機,只有靠硬件(看門狗),進(jìn)行復(fù)位、重新啟動系統(tǒng)。在這種情況下,對于RTOS管理的系統(tǒng),只會引起若干個進(jìn)程中的一個破壞,并可用另外的進(jìn)程對其進(jìn)行修復(fù)。還可以提高產(chǎn)品的開發(fā)效率,縮短開發(fā)周期。一個復(fù)雜的應(yīng)用程序,可以分解成若干個任務(wù),每個任務(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、擴展變得容易,不需要大的改動,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的開銷,增加2~5個百分點的CPU額外負(fù)荷,以及開發(fā)成本的增加(RTOS的價格)。

  當(dāng)今市場上有許多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及國內(nèi)的Hopen等。RTOS除包含實時多任務(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)語言接口庫、調(diào)試軟件,以及交叉編譯平臺等。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)字信號處理芯片

  傳統(tǒng)上,微控制器MCU和微處理器MPU是微機發(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,乘法計算可由一條指令來完成;有專門的指令,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。在軟件開發(fā)上,能更好地支持模塊化編程。

  市場上有多種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)處理的計算時間,不但可以完成數(shù)據(jù)采集、信號處理功能,還可完成運算、控制等功能。

  4 RTOS與DSPs在微機保護(hù)裝置中的應(yīng)用

  我們采用美國ATI公司的Nucleus Plus實時操作系統(tǒng),DSPs選用美國TI公司的TMS320C32,開發(fā)了一系列的中低壓保護(hù)裝置。

  Nucleus Plus是實時、搶先、多任務(wù)的內(nèi)核。大約95%的Nucleus Plus程序是用ANSIC編寫的,容易移值。我們以Nucleus Plus為開發(fā)平臺,采用C語言和匯編語言混合編程,進(jìn)行軟件開發(fā)。

  我們針對保護(hù)裝置的實際情況,把整個系統(tǒng)分成保護(hù)、自檢、顯示、通信等幾個任務(wù),并把保護(hù)任務(wù)設(shè)置成最高優(yōu)先級。各任務(wù)間彼此獨立運行,任務(wù)間的通信通過全局?jǐn)?shù)據(jù)或發(fā)送消息來實現(xiàn),任何一個任務(wù)出現(xiàn)運行異常,其它任務(wù)正常運行。任務(wù)程序的結(jié)構(gòu)如下代碼所示:

  TMS320C32是32位的芯片,可進(jìn)行浮點數(shù)運算。圖3是以TMS320C32為核心構(gòu)成的微機保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)原理圖,在這個系統(tǒng)中,TMS320C32完成采樣、計算、保護(hù)邏輯判斷及控制等功能。

  在保護(hù)裝置開發(fā)中,通過使用RTOS,可進(jìn)行并行開發(fā),縮短了開發(fā)周期;任務(wù)間彼此獨立,系統(tǒng)的可靠性得到了提高。DSPs的使用,提高了運算精度和速度??傊Wo(hù)裝置的整體性能上了一個臺階。

  5 結(jié)束語

  計算機化,保護(hù)、控制、測量、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。RTOS和DSPs應(yīng)用在繼電保護(hù)裝置中,會使保護(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。

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