我國電力系統(tǒng)的微機型保護得到迅速發(fā)展,已在電力系統(tǒng)得到了廣泛應用。從早期的8位機,到現在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)中調用相應的函數(子程序)完成相應的操作(稱為后臺行為或任務級);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。任務的響應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)復雜性的增加,表現的越來越明顯了。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雜和多樣化的微機保護的應用需求,采用RTOS來開發(fā)微機保護應用程序,現已成為開發(fā)人員的發(fā)展方向。
目前運行的微機保護裝置大多數為16位單片機,對于常規(guī)的保護其性能基本能滿足。但16位單片機往往受到運算速度等因素的影響,不易實現更復雜的算法和更高采樣速率。隨著微電子和半導體技術的發(fā)展,DSPs已運用在了眾多領域。由于DSPs的強大數字信號處理能力,越來越受到開發(fā)人員的青睞。
2 關于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。用戶的應用程序是運行于RTOS之上的各個任務,RTOS根據各個任務的要求,進行資源管理、消息管理、任務調度,異常處理等工作。實時多任務內核是RTOS的關鍵部分,基本功能包括任務管理、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、微內核。
在RTOS機制下開發(fā)多任務程序,CPU的運行時間被劃分為許多小的時間片,RTOS按照某種調度算法分別分配給不同的任務,多個任務分別在自己的時間片內訪問CPU,達到微觀上輪流運行,宏觀上并發(fā)運行的多任務效果。程序流程如圖2所示。
任務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。實時內核是通過任務控制塊(TCB)來管理任務的。程序調用內核服務創(chuàng)建任務,并在任務中分配一個任務控制塊,進行初始化,使任務進入就緒狀態(tài)。實時內核以事件為基礎,根據任務執(zhí)行的狀態(tài),對任務進行切換,狀態(tài)也隨之變化。在實時任務中,內存中存在多個任務控制模塊,以及各個任務獨立的私有堆棧。
任務進行切換,首先要保存CPU寄存器內容到當前任務的任務控制塊中,然后從新任務的任務控制塊裝載堆棧指針,并將新任務的上下文裝載到CPU寄存器中,這樣就從一個任務切換到另一個任務運行。
我們將要開發(fā)的系統(tǒng)功能進行分解,構造成幾個不同的任務,每個任務負責完成系統(tǒng)應用要求的一部分功能,并根據其重要性,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,程序任何一處產生死循環(huán)或破壞,都會引起死機,只有靠硬件(看門狗),進行復位、重新啟動系統(tǒng)。在這種情況下,對于RTOS管理的系統(tǒng),只會引起若干個進程中的一個破壞,并可用另外的進程對其進行修復。還可以提高產品的開發(fā)效率,縮短開發(fā)周期。一個復雜的應用程序,可以分解成若干個任務,每個任務的調試、修改幾乎不影響其它模塊。
使用RTOS,使得應用程序的設計、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額外負荷,以及開發(fā)成本的增加(RTOS的價格)。
當今市場上有許多RTOS商家生產面向8位、16位、32位,甚至64位的CPU的RTOS產品。如:VRTX、QNX、VxWorks、Nucleus PLUS、OS—9、PSOSys-tem、LynxOS、WindowsCE及國內的Hopen等。RTOS除包含實時多任務內核外,還包括輸入輸出管理、視窗系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網絡語言接口庫、調試軟件,以及交叉編譯平臺等。RTOS已在各行各業(yè)應用,如:航空、軍事、電力、通信及工業(yè)控制等領域。
3 關于DSPs(DiginalSignalProcessors)數字信號處理芯片
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構,精簡指令(RISC)的CPU。
DSPs片內有多條地址、數據和控制總線,可進行流水線操作,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,進行數據處理;有DMA傳輸通道。其外部硬件部分和MCU相同,由地址、數據和控制三總線組成。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,可極大地縮短數據處理的計算時間,不但可以完成數據采集、信號處理功能,還可完成運算、控制等功能。
4 RTOS與DSPs在微機保護裝置中的應用
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裝置。
Nucleus Plus是實時、搶先、多任務的內核。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,進行軟件開發(fā)。
我們針對保護裝置的實際情況,把整個系統(tǒng)分成保護、自檢、顯示、通信等幾個任務,并把保護任務設置成最高優(yōu)先級。各任務間彼此獨立運行,任務間的通信通過全局數據或發(fā)送消息來實現,任何一個任務出現運行異常,其它任務正常運行。任務程序的結構如下代碼所示:
TMS320C32是32位的芯片,可進行浮點數運算。圖3是以TMS320C32為核心構成的微機保護裝置硬件系統(tǒng)原理圖,在這個系統(tǒng)中,TMS320C32完成采樣、計算、保護邏輯判斷及控制等功能。
在保護裝置開發(fā)中,通過使用RTOS,可進行并行開發(fā),縮短了開發(fā)周期;任務間彼此獨立,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?,保護裝置的整體性能上了一個臺階。
5 結束語
計算機化,保護、控制、測量、數據通信一體化和人工智能化是繼電保護技術發(fā)展的趨勢。RTOS和DSPs應用在繼電保護裝置中,會使保護性能更加完善、可靠,更有效地擔當起確保電網安全的重任。