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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；通過實時多任務(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)中難以處理的實時性差的問題，同時增強(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)計思路，以及軟件中各任務(wù)的具體運行過程。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 內(nèi)核 任務(wù) 消息陣列
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)計中，大多采用單任務(wù)的順序機(jī)制。應(yīng)用程序是一個無限的大循環(huán)，所有的事件都得按順序執(zhí)行，與時間相關(guān)性較強(qiáng)的事件靠定時中斷來保證。這種方式編程的優(yōu)勢在于程序較為直觀，但由此帶來一個重要的問題，那就是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性較差。尤其當(dāng)系統(tǒng)功能較復(fù)雜，同時對實時性要求較嚴(yán)格時，這種單任務(wù)機(jī)制的弱點使暴露無遺。
在配電監(jiān)測終端軟件的設(shè)計中，筆者將買時操作系統(tǒng)μC/OS-II用于TMS320F206的程序設(shè)計；將系統(tǒng)所要的功能細(xì)化成為幾個核心任務(wù)，由μC/OS-II實時內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，實現(xiàn)了多任務(wù)的并行執(zhí)行，系統(tǒng)的可靠性和實時性得到大幅提升。ΜC/OS-II是免費的、源代碼公開的、微內(nèi)核嵌入式實時操作系統(tǒng)，其實時性能和內(nèi)核的健壯性早已經(jīng)在大量的實際應(yīng)用中得到了證實。
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)格的等時間間隔，將這部分事件處理放到實時器中斷中進(jìn)行。數(shù)字信號分析處理作為一個程序模塊，完成數(shù)據(jù)的分析運行。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)程序運算量較大時，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)時序的影響，而且，當(dāng)主程序中某個程序模塊出現(xiàn)問題時，將出現(xiàn)程序卡住，直到看門狗復(fù)位為止。
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在多任務(wù)系統(tǒng)中，這些問題可以得到很好的解決。利用嵌入式實時操作系統(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，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。
整個系統(tǒng)的設(shè)計可以分為三個層次：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)計采用定點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，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)計數(shù)據(jù)，采用掉電保護(hù)設(shè)計，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
按系統(tǒng)所要求實現(xiàn)的功能，將整個系統(tǒng)劃分為幾個并行存在的任務(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)運算統(tǒng)計處理任務(wù)。數(shù)據(jù)采集部分放到定時器中斷程序中執(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)差錯時，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)差錯的任務(wù)恢復(fù)正常運行，提高系統(tǒng)運行的可靠性。優(yōu)先權(quán)的設(shè)置是按照整個系統(tǒng)運行的時序來確定的，對系統(tǒng)安全運行較重要和對實時性要求較嚴(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)某個任務(wù)正在占用CPU的使用權(quán)時，該任務(wù)處于運行態(tài)。處于運行態(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)運行致使某一就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先權(quán)高于運行態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)時，調(diào)用調(diào)度函數(shù)，運行態(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)為運行態(tài)。某一時刻只有個任務(wù)占有CPU的使用權(quán)，也就是說，某一時刻只有一個任務(wù)處于運行狀態(tài)。掛起態(tài)的任務(wù)在所規(guī)定的時間內(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，就被時間管理函數(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，系
統(tǒng)將強(qiáng)行剝奪運行態(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，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)為運行態(tài)。
在實際系統(tǒng)中，每個任務(wù)都是一個無限循環(huán)的，分別實現(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，由于在啟外運行，所受的電力諧波干擾相當(dāng)大，有時會引起程序跑飛、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算的準(zhǔn)確度，同時會影響到數(shù)據(jù)通信。筆者利用軟件狗的原理設(shè)計了一個系統(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)運行中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一個任務(wù)運行出現(xiàn)異常時，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)在正常運行情況下處于掛起狀態(tài)，在某一時間范圍內(nèi)，等待每個被監(jiān)視任務(wù)向它發(fā)送代表該被監(jiān)視任務(wù)正常運行的消息。每個被監(jiān)視的任務(wù)在運行狀態(tài)下向系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)發(fā)送這一消息，用以說明本任務(wù)運轉(zhuǎn)正常。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)等待這一消息的時間范圍按每個任務(wù)執(zhí)行所需時間的最大值設(shè)定。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)在等待時間范圍內(nèi)收到消息，說明被監(jiān)視任務(wù)運轉(zhuǎn)正常，否則，系統(tǒng)內(nèi)核自動將系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)由掛起態(tài)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。由于系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)優(yōu)先權(quán)最高，所它將取得CPU使用權(quán)，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)將出錯任務(wù)的運行任務(wù)堆棧改為該任務(wù)的起始地址，并將其置為就緒態(tài)，掛起自身。如此，剛才出錯的任務(wù)以重新開始執(zhí)行，避免看門狗復(fù)位。
系統(tǒng)運行時，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別堆�？臻g，然后建立任務(wù)間通信的信號量或者消息隊列，進(jìn)行任務(wù)建立，并且分配任務(wù)優(yōu)先權(quán)。所有新建任務(wù)被置為就緒態(tài)，系統(tǒng)程序從優(yōu)先權(quán)最高的任務(wù)開始執(zhí)行。
該配電監(jiān)測終端軟件中，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)優(yōu)先權(quán)最高，最先進(jìn)入運行態(tài)。該任務(wù)分別查詢每一個被監(jiān)視的任務(wù)是否向其發(fā)送消息。如果沒有，則該任務(wù)進(jìn)入掛起態(tài)。按優(yōu)先權(quán)級別順序，鍵盤掃描和液晶顯示任務(wù)將由就緒態(tài)轉(zhuǎn)為運行態(tài)。在該任務(wù)將要執(zhí)行完畢時，向系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息，然后執(zhí)行延時函數(shù)將自身轉(zhuǎn)為掛起態(tài)，交出CPU使用權(quán)讓其它任務(wù)得以執(zhí)行。此時系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)得到消息轉(zhuǎn)為運行態(tài)，繼續(xù)查詢其它被監(jiān)視任務(wù)的運行消息。如果沒有，則進(jìn)入掛起態(tài)，再次等待其它被監(jiān)視任務(wù)的運行消息，系統(tǒng)按任務(wù)優(yōu)先級繼續(xù)執(zhí)行優(yōu)先級高的就緒態(tài)任務(wù)等等，依此類推。當(dāng)鍵盤掃描和液晶顯示任務(wù)延時時間到時，系統(tǒng)內(nèi)核自動將它再次轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。一般鍵盤掃描和液晶顯示任務(wù)延時時間按人手觸摸按鍵反應(yīng)時間而定，大約在100ms。在正常情況下，由于系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)只是查詢消息量，程序執(zhí)行時間很短，甚至可以忽略，同時鍵盤掃描和液晶顯示任務(wù)優(yōu)先權(quán)排在第二。所以，只要鍵盤掃描和液晶顯示任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)就可以得到及時響應(yīng)，能夠很好地滿足鍵盤掃描和液晶顯示的實時性，解決在單任務(wù)環(huán)境下很難解決的鍵盤查詢處理的實時性問題；同時，數(shù)據(jù)分析處理任務(wù)和通信任務(wù)可以在鍵盤掃描和液晶顯示任務(wù)延時時間間隔內(nèi)執(zhí)行。由于TMS320F206處理器速度足夠快，所有任務(wù)得以在滿足時序的前提下順利執(zhí)行。
當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)定時中斷時，中斷程序?qū)⒄紦?jù)CPU的使用權(quán)進(jìn)行電流和電壓采樣，設(shè)置下一次中斷時間。在退出中斷時，內(nèi)核將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。
結(jié)語
μC/OS-II是一套優(yōu)秀的嵌入式實時操作系統(tǒng)。將該操作系統(tǒng)應(yīng)用于配電監(jiān)測終端中，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了產(chǎn)品性能，成功地解決了一系列在單任務(wù)環(huán)境下不可避免的問題。
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