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uC/OS-II在配電監測終端儀表中的應用
摘要：講述嵌入式操作系統μC/OS-II在電力監控儀表中的應用；通過(guò)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統對所有任務(wù)的調度管理，解決在單任務(wù)系統中難以處理的實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，同時(shí)增強系統工作的可靠性；較詳細地給出系統軟件的整體設計思路，以及軟件中各任務(wù)的具體運行過(guò)程。引言
隨著(zhù)各種電子系統在各領(lǐng)域中應用的不斷深入，對電子系統本身的各方面性能提出了越來(lái)越高的要求，使應用軟件朝著(zhù)系統化方向加速發(fā)展。傳統的嵌入式系統設計中，大多采用單任務(wù)的順序機制。應用程序是一個(gè)無(wú)限的大循環(huán)，所有的事件都得按順序執行，與時(shí)間相關(guān)性較強的事件靠定時(shí)中斷來(lái)保證。這種方式編程的優(yōu)勢在于程序較為直觀(guān)，但由此帶來(lái)一個(gè)重要的問(wèn)題，那就是系統的穩定性、實(shí)時(shí)性較差。尤其當系統功能較復雜，同時(shí)對實(shí)時(shí)性要求較嚴格時(shí)，這種單任務(wù)機制的弱點(diǎn)使暴露無(wú)遺。
在配電監測終端軟件的設計中，筆者將買(mǎi)時(shí)操作系統μC/OS-II用于TMS320F206的程序設計；將系統所要的功能細化成為幾個(gè)核心任務(wù)，由μC/OS-II實(shí)時(shí)內核進(jìn)行調度，實(shí)現了多任務(wù)的并行執行，系統的可靠性和實(shí)時(shí)性得到大幅提升。ΜC/OS-II是免費的、源代碼公開(kāi)的、微內核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，其實(shí)時(shí)性能和內核的健壯性早已經(jīng)在大量的實(shí)際應用中得到了證實(shí)。
1 系統概述
在電力系統中，對電子設備的要求是比較高的。配電監測終端是監測電網(wǎng)運行狀況的一種重要設備，主要完成以下功能：對電壓、電流信號進(jìn)行采樣，A/D轉換；對所采集到的數據進(jìn)行計算分析，得出各種監測指標參數；對所有指標參數進(jìn)行統計分析，處理液晶顯示和鍵盤(pán)掃描，響應按鍵命令，進(jìn)行數據通信處理。在對電壓、電流模擬通道信號的采樣和A/D轉換過(guò)程中，為保證嚴格的等時(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。數字信號分析處理作為一個(gè)程序模塊，完成數據的分析運行。鍵盤(pán)掃描和液晶顯示處理部分程序，作為人機交換信息最直接的通道。它的設計是否合理，直接影響到用戶(hù)使用的滿(mǎn)意程序。在單任務(wù)系統中，程序循環(huán)的周期不確定，因此鍵盤(pán)掃描周期無(wú)法確定。當程序運算量較大時(shí)，容易造成明顯的鍵盤(pán)響應遲鈍。鍵盤(pán)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，當主程序中某個(gè)程序模塊出現問(wèn)題時(shí)，將出現程序卡住，直到看門(mén)狗復位為止。
在多任務(wù)系統中，這些問(wèn)題可以得到很好的解決。利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統內核對所有“任務(wù)”進(jìn)行統一調度和管理，使CPU的使用權在建立的“任務(wù)”間切換；同時(shí)，在多任務(wù)機制下，使應用程序模塊化，使開(kāi)發(fā)任務(wù)層次化。
整個(gè)系統的設計可以分為三個(gè)層次：最底層為硬件平臺是，包含微處理器系統及相關(guān)應用電路，第二層為任務(wù)層，包含電路驅動(dòng)程序和應用程序；最高一層為μC/OS-II操作系統層，是整個(gè)系統的管理核心，如圖1所示。
2 硬件描述
配電監測終端的設計采用定點(diǎn)DSP TMS320F206作為處理器。它是采用先進(jìn)的改進(jìn)型哈佛結構、多級流水高速設計，具有極其強大的數據處理能力和管理能力。該終端從功能上可分為數據采集部分，液晶顯示及鍵盤(pán)陣列部分，數據存儲、通信部分及微處理器小系統部分。數據采集部分用來(lái)對電壓、電流信號進(jìn)行采樣和A/D轉換；液晶顯示和鍵盤(pán)陣列為人機信息交換硬件接口；數據存儲部分存儲大量歷史統計數據，采用掉電保護設計，在系統掉電情況下數據不會(huì )丟失。
3 系統軟件設計
按系統所要求實(shí)現的功能，將整個(gè)系統劃分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)層。占先式操作系統對任務(wù)的調度是按優(yōu)先權的高低進(jìn)行的，將系統的幾個(gè)任務(wù)按其優(yōu)先級從高到低順序排列依次是：系統監視任務(wù)、鍵盤(pán)掃描和液晶顯示任務(wù)、通信任務(wù)、數據運算統計處理任務(wù)。數據采集部分放到定時(shí)器中斷程序中執行。其中，系統監視任務(wù)是用來(lái)監視除系統監視任務(wù)外其它任務(wù)的。當被監視任務(wù)在執行過(guò)程中出現差錯時(shí)，系統監視任務(wù)將按照預先設定的處理表對其進(jìn)行處理，使出現差錯的任務(wù)恢復正常運行，提高系統運行的可靠性。優(yōu)先權的設置是按照整個(gè)系統運行的時(shí)序來(lái)確定的，對系統安全運行較重要和對實(shí)時(shí)性要求較嚴格的任務(wù)，設成較高的優(yōu)先級。一般而言，在系統運行過(guò)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)。在嵌入式系統中，為節省存儲器空間不會(huì )保留休眠態(tài)的任務(wù)。當某個(gè)任務(wù)正在占用CPU的使用權時(shí)，該任務(wù)處于運行態(tài)。處于運行態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權一定高于其它所有就緒態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權。當系統運行致使某一就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先權高于運行態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權時(shí)，調用調度函數，運行態(tài)任務(wù)將轉入掛起態(tài)等待某一消息或信號量，或者轉入就緒態(tài)；而那個(gè)擁有較高優(yōu)先權的任務(wù)將占有CPU的使用權而轉為運行態(tài)。某一時(shí)刻只有個(gè)任務(wù)占有CPU的使用權，也就是說(shuō)，某一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)處于運行狀態(tài)。掛起態(tài)的任務(wù)在所規定的時(shí)間內，如果得到所期待的數據（可能是消息陣列，也可能是信號量），就自動(dòng)轉為就緒態(tài)；如果等待超時(shí)，就被時(shí)間管理函數強制轉化為就緒態(tài)，等待任務(wù)調度。中斷發(fā)生時(shí)，系統將強行剝奪運行態(tài)任務(wù)對CPU的使用權，將它轉入中斷態(tài)，保存相關(guān)數據到堆棧區之后，執行中斷服務(wù)程序。在中斷返回時(shí)，系統返回函數將重新進(jìn)行任務(wù)調度，將優(yōu)先權最高的就緒態(tài)任務(wù)轉為運行態(tài)。
在實(shí)際系統中，每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的，分別實(shí)現某一特定的功能，由μC/OS-II內核來(lái)進(jìn)行調度。電力行業(yè)中對設備可靠性的要求是很高的。對于監測設備，由于在啟外運行，所受的電力諧波干擾相當大，有時(shí)會(huì )引起程序跑飛、死機現象，直到看門(mén)狗復位可使系統恢復正常；但在看門(mén)狗復位這段時(shí)間內，設備對電流、電壓的采樣不能正常進(jìn)行，相關(guān)采樣數據就會(huì )丟失，直接影響到電能量計算的準確度，同時(shí)會(huì )影響到數據通信。筆者利用軟件狗的原理設計了一個(gè)系統監視任務(wù)，用來(lái)對其它任務(wù)進(jìn)行監視。在系統運行中，當發(fā)現某一個(gè)任務(wù)運行出現異常時(shí)，該任務(wù)將按相關(guān)步驟做出相應處理。具體做法是：系統監視任務(wù)在正常運行情況下處于掛起狀態(tài)，在某一時(shí)間范圍內，等待每個(gè)被監視任務(wù)向它發(fā)送代表該被監視任務(wù)正常運行的消息。每個(gè)被監視的任務(wù)在運行狀態(tài)下向
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