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uC/OS-II在配電監(jiān)測終端儀表中的應(yīng)用
摘要：講述嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II在電力監(jiān)控儀表中的應(yīng)用；通過實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)對所有任務(wù)的調(diào)度管理，解決在單任務(wù)系統(tǒng)中難以處理的實(shí)時(shí)性差的問題，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性；較詳細(xì)地給出系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)思路，以及軟件中各任務(wù)的具體運(yùn)行過程。引言
隨著各種電子系統(tǒng)在各領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入，對電子系統(tǒng)本身的各方面性能提出了越來越高的要求，使應(yīng)用軟件朝著系統(tǒng)化方向加速發(fā)展。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大多采用單任務(wù)的順序機(jī)制。應(yīng)用程序是一個(gè)無限的大循環(huán)，所有的事件都得按順序執(zhí)行，與時(shí)間相關(guān)性較強(qiáng)的事件靠定時(shí)中斷來保證。這種方式編程的優(yōu)勢在于程序較為直觀，但由此帶來一個(gè)重要的問題，那就是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性較差。尤其當(dāng)系統(tǒng)功能較復(fù)雜，同時(shí)對實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格時(shí)，這種單任務(wù)機(jī)制的弱點(diǎn)使暴露無遺。
在配電監(jiān)測終端軟件的設(shè)計(jì)中，筆者將買時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II用于TMS320F206的程序設(shè)計(jì)；將系統(tǒng)所要的功能細(xì)化成為幾個(gè)核心任務(wù)，由μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的并行執(zhí)行，系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性得到大幅提升。ΜC/OS-II是免費(fèi)的、源代碼公開的、微內(nèi)核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)性能和內(nèi)核的健壯性早已經(jīng)在大量的實(shí)際應(yīng)用中得到了證實(shí)。
1 系統(tǒng)概述
在電力系統(tǒng)中，對電子設(shè)備的要求是比較高的。配電監(jiān)測終端是監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行狀況的一種重要設(shè)備，主要完成以下功能：對電壓、電流信號進(jìn)行采樣，A/D轉(zhuǎn)換；對所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出各種監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)；對所有指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理液晶顯示和鍵盤掃描，響應(yīng)按鍵命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信處理。在對電壓、電流模擬通道信號的采樣和A/D轉(zhuǎn)換過程中，為保證嚴(yán)格的等時(shí)間間隔，將這部分事件處理放到實(shí)時(shí)器中斷中進(jìn)行。數(shù)字信號分析處理作為一個(gè)程序模塊，完成數(shù)據(jù)的分析運(yùn)行。鍵盤掃描和液晶顯示處理部分程序，作為人機(jī)交換信息最直接的通道。它的設(shè)計(jì)是否合理，直接影響到用戶使用的滿意程序。在單任務(wù)系統(tǒng)中，程序循環(huán)的周期不確定，因此鍵盤掃描周期無法確定。當(dāng)程序運(yùn)算量較大時(shí)，容易造成明顯的鍵盤響應(yīng)遲鈍。鍵盤掃描周期很大程序上受到主程序循環(huán)時(shí)序的影響，而且，當(dāng)主程序中某個(gè)程序模塊出現(xiàn)問題時(shí)，將出現(xiàn)程序卡住，直到看門狗復(fù)位為止。
在多任務(wù)系統(tǒng)中，這些問題可以得到很好的解決。利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核對所有“任務(wù)”進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，使CPU的使用權(quán)在建立的“任務(wù)”間切換；同時(shí)，在多任務(wù)機(jī)制下，使應(yīng)用程序模塊化，使開發(fā)任務(wù)層次化。
整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)層次：最底層為硬件平臺是，包含微處理器系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用電路，第二層為任務(wù)層，包含電路驅(qū)動程序和應(yīng)用程序；最高一層為μC/OS-II操作系統(tǒng)層，是整個(gè)系統(tǒng)的管理核心，如圖1所示。
2 硬件描述
配電監(jiān)測終端的設(shè)計(jì)采用定點(diǎn)DSP TMS320F206作為處理器。它是采用先進(jìn)的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)、多級流水高速設(shè)計(jì)，具有極其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和管理能力。該終端從功能上可分為數(shù)據(jù)采集部分，液晶顯示及鍵盤陣列部分，數(shù)據(jù)存儲、通信部分及微處理器小系統(tǒng)部分。數(shù)據(jù)采集部分用來對電壓、電流信號進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換；液晶顯示和鍵盤陣列為人機(jī)信息交換硬件接口；數(shù)據(jù)存儲部分存儲大量歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用掉電保護(hù)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)掉電情況下數(shù)據(jù)不會丟失。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
按系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的功能，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)層。占先式操作系統(tǒng)對任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行的，將系統(tǒng)的幾個(gè)任務(wù)按其優(yōu)先級從高到低順序排列依次是：系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)、鍵盤掃描和液晶顯示任務(wù)、通信任務(wù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算統(tǒng)計(jì)處理任務(wù)。數(shù)據(jù)采集部分放到定時(shí)器中斷程序中執(zhí)行。其中，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)是用來監(jiān)視除系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)外其它任務(wù)的。當(dāng)被監(jiān)視任務(wù)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)將按照預(yù)先設(shè)定的處理表對其進(jìn)行處理，使出現(xiàn)差錯(cuò)的任務(wù)恢復(fù)正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。優(yōu)先權(quán)的設(shè)置是按照整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序來確定的，對系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和對實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù)，設(shè)成較高的優(yōu)先級。一般而言，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，各任務(wù)的優(yōu)先級是固定不變的。
μC/OS-II控制下的任務(wù)可以分為休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、中斷態(tài)和掛起態(tài)。在嵌入式系統(tǒng)中，為節(jié)省存儲器空間不會保留休眠態(tài)的任務(wù)。當(dāng)某個(gè)任務(wù)正在占用CPU的使用權(quán)時(shí)，該任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)。處于運(yùn)行態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)一定高于其它所有就緒態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行致使某一就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先權(quán)高于運(yùn)行態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)時(shí)，調(diào)用調(diào)度函數(shù)，運(yùn)行態(tài)任務(wù)將轉(zhuǎn)入掛起態(tài)等待某一消息或信號量，或者轉(zhuǎn)入就緒態(tài)；而那個(gè)擁有較高優(yōu)先權(quán)的任務(wù)將占有CPU的使用權(quán)而轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。某一時(shí)刻只有個(gè)任務(wù)占有CPU的使用權(quán)，也就是說，某一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。掛起態(tài)的任務(wù)在所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，如果得到所期待的數(shù)據(jù)（可能是消息陣列，也可能是信號量），就自動轉(zhuǎn)為就緒態(tài)；如果等待超時(shí)，就被時(shí)間管理函數(shù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為就緒態(tài)，等待任務(wù)調(diào)度。中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將強(qiáng)行剝奪運(yùn)行態(tài)任務(wù)對CPU的使用權(quán)，將它轉(zhuǎn)入中斷態(tài)，保存相關(guān)數(shù)據(jù)到堆棧區(qū)之后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷返回時(shí)，系統(tǒng)返回函數(shù)將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，將優(yōu)先權(quán)最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。
在實(shí)際系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無限循環(huán)的，分別實(shí)現(xiàn)某一特定的功能，由μC/OS-II內(nèi)核來進(jìn)行調(diào)度。電力行業(yè)中對設(shè)備可靠性的要求是很高的。對于監(jiān)測設(shè)備，由于在啟外運(yùn)行，所受的電力諧波干擾相當(dāng)大，有時(shí)會引起程序跑飛、死機(jī)現(xiàn)象，直到看門狗復(fù)位可使系統(tǒng)恢復(fù)正常；但在看門狗復(fù)位這段時(shí)間內(nèi)，設(shè)備對電流、電壓的采樣不能正常進(jìn)行，相關(guān)采樣數(shù)據(jù)就會丟失，直接影響到電能量計(jì)算的準(zhǔn)確度，同時(shí)會影響到數(shù)據(jù)通信。筆者利用軟件狗的原理設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)，用來對其它任務(wù)進(jìn)行監(jiān)視。在系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一個(gè)任務(wù)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，該任務(wù)將按相關(guān)步驟做出相應(yīng)處理。具體做法是：系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)在正常運(yùn)行情況下處于掛起狀態(tài)，在某一時(shí)間范圍內(nèi)，等待每個(gè)被監(jiān)視任務(wù)向它發(fā)送代表該被監(jiān)視任務(wù)正常運(yùn)行的消息。每個(gè)被監(jiān)視的任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)下向
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