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1、 64 智能化电气设备专用操作系统的设计智能化电气设备专用操作系统的设计智能化电气设备专用操作系统的设计智能化电气设备专用操作系统的设计 欧阳森欧阳森欧阳森欧阳森谢运祥谢运祥谢运祥谢运祥 华南理工大学电力学院广州 510640 摘摘摘摘 要要要要针对智能化电气设备的工作特点 设计了有针对性的专用实时操作系统 S-RTOS它的调度内核的正确性已被证明 实际应用关键词关键词关键词关键词智能化电气设备实时操作系统 Design of the Special Operating System for Intelligent Electrical Apparatus OUYANG Sen,XIE Yun
2、xiang(College of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640)AbstractBased on the detail analysis of the intelligent electrical apparatus,a special RTOS(S-RTOS)is designed in this paper.And,the schedulecore of S-RTOS is verified by the application.Key wordsIntelligence;Elect
3、rical apparatus;Real time operating system 计计计计 算算算算 机机机机 工工工工 程程程程 Computer Engineering 第第第第 32 卷卷卷卷 第第第第 4 期期期期 Vol.32 4 2006 年年年年 2 月月月月February 2006软件技术与数据库软件技术与数据库软件技术与数据库软件技术与数据库 文章编号文章编号文章编号文章编号10003428(2006)04006403文献标识码文献标识码文献标识码文献标识码A 中图分类号中图分类号中图分类号中图分类号 TP31随着现代工业和人们生活的提高对智能化电气设备的需求和要求越来
4、越高随着CPU电子元器件等硬件资源的日益丰富相关的软件系统也成为智能化电气设备的关键技术之一其设计要求(1)功能越来越多导致软件设计任务复杂(2)稳定性和可靠性要求对电气设备而言是十分苛刻(3)针对不同用户和开发者的需求对软件系统的可移植性升级维护等也提出了越来越多和设计周期要求越来越短的要求传统的顺序结构的软件设计方法难以在保证软件系统稳定性可靠性和实时性等前提下满足这些需求 设计专用的实时多任务操作系统S-RTOS可较好地解决上述问题文中在分析实时多任务操作系统RTOS和智能化电气设备的基础上 阐述了S-RTOS的设计 并就S-RTOS的关键设计要点进行说明最后以一个例子来介绍其设计使用情
5、况 1 RTOS的特点和现的特点和现的特点和现的特点和现状状状状 RTOS是指能满足实时控制系统的实时性要求有效管理系统任务及资源的操作系统实时性是对物理过程发生真实时间的限制和要求的满足程度1是RTOS 区别于其它OS的一个重要特征RTOS的主要特点可归纳如下1将硬件系统中的MCUI/O 设备存储器等硬件资源管理封装起来降低了系统崩溃的风险2为软件开发提供了一个硬件系统之上的开发和运行平台并提供API给开发者进行系统设计3实时性强此外与通用PC 操作系统相比RTOS 还具有体积小实时性高可靠性好硬件相关依赖性大以及专用性强等特点 目前采用RTOS来提高智能化设备的性能及改变软件开发模式已经日
6、益受到重视 商业RTOS有VxWorks CMXpSOS等但从性价比安全和版权等角度考虑开发自主的RTOS无疑是很有必要的作者在早期的智能化脱扣器过电流继电保护设备2,3等多个智能单元中设计了针对不同CPU芯片的RTOS并在实际应用中得到了检验现对智能化电力设备作针对性的改进设计 2 智能化电气设备的要求智能化电气设备的要求智能化电气设备的要求智能化电气设备的要求 2.1 工作特点工作特点工作特点工作特点 随着电子技术的发展 电力系统中的各种继电保护设备变压器保护设备在线监测装置等电力设备中的智能化单元纷纷采用各种微处理器芯片来设计以能用更低的成本来实现更多的并能更好地实现的各种监测控制和保护
7、功能大量的各种智能单元选用MCS51 196等廉价的CPU来设计而这些智能化单元的基本工作原理都是通过等/不等间隔采样的方式获得电量温度气压等的采样数据根据相应的算法对一定时间内的数据进行各种保护监测和控制任务的计算如电流有效值峰值有功无功功率等电参数以及保护计量预警等工作根据不同的应用场合及重要程度各种计算还需按一定的优先级别和规律进行计算此外还有故障录波通信人机交互等辅助性任务 数据采样的实时性是系统正常工作的前提保护控制等任务的实时响应是系统正常工作的基础稳定性和可靠性则是系统工作的必须要求则电气智能化设备软件系统的特点可总结为1实时性强必须及时响应2硬件资源有限限制了软件设计范围3各任
8、务的时序配合要求精确现场使用时不允许出现死机4对各种中断控制的完善处理 2.2 顺序软件设计方法的缺陷顺序软件设计方法的缺陷顺序软件设计方法的缺陷顺序软件设计方法的缺陷 在设计智能化设备软件时传统顺序结构的软件模式基本为首先进行初始化然后进入一个无限循环的主程序在主程序中不断重复对各任务的查询和执行由于智能基金项目基金项目基金项目基金项目华南理工大学自然科学青年基金资助项目教育部重点基金资助项目(03131)作者简介作者简介作者简介作者简介欧阳森(1974)男讲师博士主研方向为电力电子技术嵌入式系统设计等谢运祥博导教授 收稿日期收稿日期收稿日期收稿日期2005-02-23 E-mailO 万方
9、数据 65 化电气设备软件系统的设计还具有与硬件特别是微处理器芯片紧密相连的特点因此需要对各种寄存器定时器/计数器等硬件资源进行全面的考虑和分配并对每个计算过程/函数的时长予以精确把握以在有限的时间内安排系统的各种功能函数开始计算的时间结束计算的时间以及出现各种中断高优先级任务介入时的资源时间配合问题否则任一环节的配合失误都会导致软件的崩溃 此外顺序结构软件的致命缺陷是缺乏统一有效的机制来监控每个任务不能有效地根据不同任务的优先级别重要程度来实时调配运行顺序而这会降低系统的实时性并有可能导致系统的死循环 3 S-RTOS的设计要点的设计要点的设计要点的设计要点 RTOS的设计包含许多方面需要根
10、据具体的使用环境和需求进行特定的增强和简化设计根据以上的分析除了RTOS所必须具备的多任务调度等特点外还须在实时性任务的有效监控资源的控制以及中断的有效处理等几方面来设 3.1 调度方式调度方式调度方式调度方式 为使单CPU的操作系统运行多任务 需要采取合适的任务调度方式操作系统的基本调度方式有时间片轮转调度占先式和非占先式调度及基于时钟中断的抢占式调度等4 4种基于实时性考虑大多数RTOS采用占先式的调度方式即在所有处于就绪态的任务中优先级别最高的任务在内核调度的作用下最优先执行S-RTOS也采用占先式的单调度方式以确保系统内核的实时性 3.2 任务的划分和设计任务的划分和设计任务的划分和设
11、计任务的划分和设计 任务的划分和状态设计也是操作系统的设计关键之一S-RTOS中所有的任务都各自制定一个优先级各任务的优先级无重复以便于调度和进行具体任务的划分和设计 各任务的状态在不同时间是不同的 为便于管理和调度本文对任务的状态进行4状态划分即每一个任务可能为挂起等待就绪和运行等4种状态中的一种挂起状态指任务被延迟或处在等待资源状态一旦满足条件即可进入就绪状态若超时不能满足条件则退出到等待状态等待状态指任务没进入调度队列不在调度考虑之列需要一定的条件才能唤醒就绪状态指任务已经被系统允许运行但还需调度内核进行优先级检查当优先级在所有就绪任务中最高时即进入运行态运行状态则指任务处于运行中任务的
12、各状态及其转换如图1所示任务的状态转换可在任务中断程序和内核的任务调度等过程中转变并由调度内核按优先级予以调配 图图图图1 任务状态及其转换图任务状态及其转换图任务状态及其转换图任务状态及其转换图 3.3 任务的监控任务的监控任务的监控任务的监控 根据本文第2节所分析的情况系统中的任务等待状态的任务除外需要进行周期性的检查其一是对挂起状态的任务进行调度以判断其是否能进入就绪状态其二是检查就绪状态中各任务的等待超时情况及时将其退出到等待状态以免无限期地等待下去或长时间独占某些资源等情况的发生其三是较好地实现了一些周期性任务的调度减轻内核调度的压力在这里设计的难点在于这个周期性操作的周期性间隔时间
13、的确定显然间隔时间越小各任务越能得到及时处理但系统的开销亦相应增大会降低系统的效率和实时性需要根据具体情况综合考虑由于电力设备都是基于工频信号(周期为20ms)工作因此周期性间隔时间可设置为10ms这已经在实际使用中得到了考验 当然中断程序以及各任务都可以通知内核即时进行任务调度以保证系统的实时性但这跟系统自身的调度还是有区别的监控周期的设定可实现将不同任务按不同周期间隔执行大大提高了软件的整体效率此外任务也可设计成死循环的方式(如一些LED状态指示任务等)而这在顺序结构的软件中是不可能的(除了主程序)3.4 任务间的通信任务间的通信任务间的通信任务间的通信 传统顺序结构需要借助标志位等来进行
14、资源管理各任务通过不同标志位的置位复位来占用释放资源往往难以满足存在多个中断不同任务需要使用资源的复杂情况由于资源的使用总与具体的任务相关本文采用信号量和消息队列2的方法来解决这个问题任务可将消息指针类型发送到消息队列中而一个或多个任务可以通过内核调度从消息队列中得到消息通过消息指针可传送所需要的内容内容也可方便地扩展而内核调度需要管理消息并进行正确的消息传递通过消息任务可进行通信也可根据接收到事先协议的消息进行资源占用或释放操作等消息队列的图解如图2所示 图图图图2 消息队列消息队列消息队列消息队列 信号量则相对简单只是简单标志位一个任务可给其它任务发送信号量来宣称/要求对某资源的占用/释放
15、 此外值得注意的是任务等待消息超时以及消息存在超时的处理通过给任务和消息设定相关的超时时间来达到这个目的 3.5 中断程序的设计中断程序的设计中断程序的设计中断程序的设计 程序的实时性受任务的数量和执行时长的影响当中断较为频繁时中断的次数和中断程序的性能也会影响到系统的实时性基于微处理器设计的智能化单元特别是在智能化电气设备中中断是必不可少的中断为异常时间的捕获事件的实时响应等提供了最有效的手段但也由于中断干扰了正常程序的运行使程序设计复杂化影响了程序的效率并容易导致系统不稳定故应使中断程序尽量短占用资源尽量少为此本文所设计的中断程序中只进行必要的硬件复位和信号输出有必要的话任务唤醒以及通知调
16、度内核等操作并立即返回具体的任务切换还需通过内核的调度来实现 任务结束 等待状态 挂起状态 就绪状态 运行状态 更高优先级任务 投入运行 优先级最高 等待资源 或其它任 务等 被其它任 务中断 等唤醒 等待超时 满足条件 任务 1 任务 2 消息队列 任务 i RTOS 内核 任 务 列 表 1 任务 m 任务 n 任 务 列 表 2 任务 n 任务 q 任务 s 万方数据 66 (a)传统顺序结构的任务配合情况 (b)基于S-RTOS的任务配合情况 图图图图3 中断中断中断中断任务的时序配合任务的时序配合任务的时序配合任务的时序配合 3.6 系统及任务的运行情况系统及任务的运行情况系统及任务
17、的运行情况系统及任务的运行情况 这里以例子来说明图3是一个简单的不同软件模式下各任务的时序配合情况图3(a)中由于中断的存在打乱了正常的任务执行流程需要进行复杂的软件设计并且往往难以进行较好的设计更不用说程序的维护和升级了 图3(b)则是基于S-RTOS的情况各任务统一由系统调度使用者只需设计各任务模块即可软件设计结构明确开发维护等都十分方便当然实际情况会远比图3的情况复杂具体的任务设计及优先级划分需要根据硬件资源供需的具体情况进行设计 4 设计实例设计实例设计实例设计实例 智能化脱扣器安装在断路器中用于提高和扩展断路器的性能 是一个典型的实时性和可靠性都很高的智能化单元其任务划分如表1所示根
18、据此表进行软件编写在对该产品进行硬件电路修改和升级设计时 将CPU由MCS196换成MSP430绝大部分任务代码可无修改地移植到新硬件上其它智能化电气设备监控单元的设计与此类似 表表表表1 任务划分表任务划分表任务划分表任务划分表 任务 功能描述 优先级 中断 与微处理器相关的硬件异步动作根据不同中断源唤醒相关任务 立即 执行 AD采样 对电流电压信号进行AD采样 1 I/O检测 检测I/O端口变化量 2 保护/控制 根据三段式保护曲线发出相关的短路保护过流保护预警等信号 3 通信 通过通信协议与其它智能化单元或上位机通信 4 各种检测 测量周围的环境温度/设备自检 5 数值计算 进行各种电量
19、的计算 6 键盘输入 人机交互中的输入 7 显 示 通过LED拨盘LCD等显示 8 可见基于S-RTOS设计的任务具有以下优点1可脱离硬件环境并按模块化设计2任务之间可通过信号量或消息队列来进行通信 设计任务的变动对其它任务影响不大3增添任务可通过修改优先级来实现调整软件的升级也很简便4软件设计者不需要对整个系统的硬件系统有全盘了解有利于产品的保密设计 5 结论结论结论结论 设计了智能化电气设备专用的实时多任务操作系统S-RTOS可在保证软件实时性的前提下通过有效地解决实时性设计任务的有效监控资源的控制以及中断的有效处理等问题基于S-RTOS可简化任务设计提高开发效率软件的维护升级性能 参考文
20、献参考文献参考文献参考文献 1 孟庆余.电子数字计算机实时操作系统M.北京:国防工业出版社,1997.2 欧阳森,王克星,宋政湘等.智能化脱扣器设计J.低压电器.2002,(226):12-15.3 欧阳森,宋政湘,王建华等.新型智能单元通用系统的设计J.电力自动化设备,2003,23(7):43-46.4 汤子瀛,哲凤屏,汤小丹.计算机操作系统M.西安:西安电子科技大学出版社,2000.(上接第41页)型端到端的组播服务质量保证方案的有效性通过仿真实验得到了验证 参考文献参考文献参考文献参考文献 1 Bless R,Wehrle K.IP Multicast in Differentiate
21、d Services(DS)NetworksS.RFC3754,2004-04.2 Ossipov E,Karlsson G.A Simplified Guaranteed Service for the InternetC.PfHSN 2002,LNCS 2334,2002:147163.3 Westberg L,Csszr A,Karagiannis G,et al.Resource Management in Diffserv(RMD):A Functionality and Performance Behavior OverviewC.PfHSN 2002,LNCS 2334,2002
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23、OS统一调度各任务?万方数据智能化电气设备专用操作系统的设计智能化电气设备专用操作系统的设计作者：欧阳森，谢运祥，OUYANG Sen，XIE Yunxiang作者单位：华南理工大学电力学院,广州,510640刊名：计算机工程英文刊名：COMPUTER ENGINEERING年，卷(期)：2006,32(4)参考文献(4条)参考文献(4条)1.汤子瀛;哲凤屏;汤小丹 计算机操作系统 20002.欧阳森;宋政湘;王建华 新型智能单元通用系统的设计期刊论文-电力自动化设备 2003(07)3.欧阳森;王克星;宋政湘 智能化脱扣器设计期刊论文-低压电器 2002(226)4.孟庆余 电子数字计算机实时操作系统 1997 本文链接：http:/