基于嵌入式实时操作系统的继电保护软件设计0工业炉
时间：2022/07/05 19:47:54 编辑：
基于嵌入式实时操作系统的继电保护软件设计
基于嵌入式实时操作系统的继电保护软件设计 2011年12月09日 来源： 靳 希1，鲁 炜2，张承学2 （1．上海电力学院电力工程系，上海 200090；2．武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072）引 言 自从1984年第一套微机保护投入试运行并通过鉴定以来，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．随着微机保护装置的大量使用，开发人员也体会到传统的继电保护软件设计在灵活性方面有所欠缺，不易维护．这就要求我们重新审视微机保护装置的软件设计思路．实时操作系统（Real－time Operation Sysytem，RTOS）已经在航天装备和通信设备等嵌入式应用中崭露头角，在电力自动化设备中近年来也有一些应用，例如励磁控制设备和调度自动化前置机等．笔者将RTOS的概念引入继电保护的软件设计中，探讨了RTOS在继电保护中应用的前景及需要考虑的问题． 1 实时操作系统（RTOS）1．1 RTOS概述 操作系统是计算机系统中的一个系统软件，是一些程序模块的集合．这些程序模块用于管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效地利用这些资源为用户提供一个功能强、使用方便的工作环境，从而在计算机和用户之间起到接口的作用．操作系统是对硬件层的第一次扩充，可以为程序员提供有效的服务． 什么是实时操作系统？“实时”就是能够对随机发生的外部事件作出及时的响应，并对其进行及时的处理．这里所谓的外部是指与计算机系统相连接的设备所采集到的数据．外部事件所触发的处理活动是由一串处理任务来完成的，其中每个处理任务必须在严格规定的时间内完成．RTOS是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在RTOS之上．RTOS使各个任务“准同时”地运行，这意味着看上去各个任务似乎是在同时运行．不但如此，RTOS还包含一个可靠性和可信性很高的实时内核，将中断、I／O和定时器等资源都包装起来，留给用户一个标准的应用编程接口（Application Programming Interface，API），并根据各个任务的优先级，在不同任务之间合理地分配CPU时间． RTOS是随着计算机用于实时控制和实时信息处理领域而发展起来的．总的来说，RTOS是由事件驱动的，能对来自外界的信号在限定的时间范围做出响应，它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与实时应用软件相结合成为有机的整体，起核心作用，用于管理和协调各项工作，为应用软件提供良好的运行环境和开发环境．1．2 RTOS与普通操作系统的区别 RTOS与桌面操作系统或大型机操作系统相比，有以下几个特点： 1 受限的中断服务 有一个允许系统转向处理中断的最大时间； 2 基于优先级的调度 在实时系统中，所有任务都被安排某个优先级，这个优先级可能基于一些准则（例如运行时间）； 3 悬挂任务 所有任务和队列能被一些已经准备就绪的高优先级的任务或队列悬挂； 4 可衡量性 操作系统所提供的服务不是单一的，而是一系列的调度模块和库． 除了上述4个特点外，RTOS和桌面OS相比，RTOS更能适应处理较多终端应用的需要、嵌入式开发的需要和利用有限资源的需要，其中最重要的是对RAM需求的安排．考虑到大部分嵌入式系统的成本和体积，操作系统必须能高效地使用内存，防止产生存储碎片；在任务完成时能够重用内存；当任务创建时用最小的内存，提供有效的堆栈结构．1．3 使用RTOS的单片机程序与传统单片机程序的区别 传统的单片机程序是线性程序，这种程序机制具有简单直观、易于控制的优点．然而由于程序只能按单一的线索顺序运行，缺乏灵活性，难以运用在复杂系统中．例如一个典型的单片机监控系统通常包括输入／输出控制、数据处理、显示，以及键盘管理等功能模块．在传统的单任务机制下，程序采用循环方式．其流程图如图1所示． 由图1流程可知，在传统单片机程序机制下，各功能模块按固定顺序构成一个整体，作为一个任务得到执行，而在实际应用中，各个模块要求的执行频率往往不一致．如输入采样频率可能要求很高，而单位时间内键盘扫描的次数则相对较少．系统这种复杂的定时要求在单任务机制下难以满足．此外，在这种结构下程序一旦建立，各模块的执行顺序即已固定，对于需在运行时动态改变执行结构的系统，程序需用许多条件判断和分枝转移语句进行控制，从而增加了程序的复杂性．程序可读性和可维护性很差，调试不便；对已有程序进行扩充，也需先了解整个程序结构，这就增加了操作的难度． RTOS采用了先进的多任务机制，这是现代操作系统才具有的突出优点．在这种机制下，CPU的运行时间被划分为许多小的时间段，由某种调度算法按不同优先级别分配给不同的应用程序；多个应用程序分别在自己的时间段内访问CPU