1、嵌入式电压频率控制装置的硬件研究和设计摘 要随着电力工业的发展和用户对供电质量要求的提高,人们对电力系统测控装置的性能提出了新的更高的要求。频率和电压是电力系统运行的重要状态量, 它们不仅是电能质量的重要指标, 也是电力系统安全的重要指标。因此,高性能新型电压频率控制装置的研究和设计对于电力系统的安全稳定运行具有十分重要的意义。采用先进的嵌入式 DSP 技术研究与设计电压频率控制装置已成为相关领域的研究热点。本文提出了一种基于新型高性能 DSP 芯片 TMS320F2812 和嵌入式实时操作系统 C/OS-的电压频率控制装置的设计。该方案是对现行同类装置的升级和完善,提高了系统运行的可靠性。本
2、文首先对电压减载和频率减载的工作原理进行了介绍,结合两者的原理分析了嵌入式电压频率控制装置的性能特点和工作原理,在深入研究嵌入式实时操作系统 C/OS-的特点的基础上,实现了 C/OS-在新型高性能 DSP 芯片TMS320F2812 上的移植。本文着重于硬件电路的研究与设计,采用模块化设计方法使得整体结构十分清晰。详细给出了主控 CPU 模块、调理电路模块、采样模块、开关量输入输出模块、LCD 显示模块、电源模块、存储模块、通信模块等功能部分的设计方案与硬件电路。最后,本文讨论了系统采用的调试手段和各种抗干扰措施,如调试方面,在未使用仿真器等调试工具的情况下,如何使用实验室现有的仪器设备对做
3、好的印制电路板各焊结点进行检测,同时通过编写独立的测试程序对各模块进行检测等;在抗干扰方面通过分析干扰的来源,采用硬件抗干扰和软件抗干扰等措施。关键词:低频减载;低电压减载;嵌入式实时操作系统;C/OS-移植;硬件设计;软件设计II 硕士学位论文AbstractWith the development of electric power industry, user ask for better quality ofpower supply, people put forward a new higher request to the measuring andcontroling devic
4、es of the electric power system.Frequency and electric voltage are theimportant status parameters.They arent only the important indicators of electricpower quality ,but also the important indicators of electric power system safeoperation.Therefore, it demonstrates the significances of researching an
5、d designinghigh performance new control device of the electric voltage frequency for the safe andstable operation of electric power system.Nowadays, it is one of research hot spots in sensitive realm that adoptingadvanced embedded DSP technique to research and design control device of voltageand fre
6、quency. A new control device of voltage and frequency based on streamlinedhigh performance DSP chip of TMS320F2812 and embedded real-time opratingsystem C/OS- is developed in this thesis.It is the escalation and integrity to thecurrent like device, which is good to raise the reliability of the syste
7、m operation.Firstly, the operation principle of UFLS(under-frequency load shedding) andUVLS(under-voltage load shedding) is introduced.Then the thesis analyzes theoperation principle and characteristics of control devices of voltage and frequency byconbining the two principles above.After studying e
8、mbedded real-time opratingsystem C/OS- ,the thesis implements to embed C/OS- in high performance DSPchip of TMS320F2812.This thesis emphasizes on the hardware research and design of the device,getting clear construction by adopting modular and structured programmingapproach.And function part of desi
9、gn project and hardware circuits aregiven,including CPU module,pretreatment circuit module, sample module ,switchingvalue input/output circuit module,LCD display module, power supply module,memorymodule and communication module,etc.Finally,the thesis discusses debug method and various anti-jammingme
10、asures ,which used in the device.In debugging,how to use laboratory existinginstrument equipments to detect each pad of the circuit board,and carry onexamination to every module by writing independent test procedure in theIII 嵌入式电压频率控制装置的硬件研究和设计meantime,etc. In anti-jamming, analyzing the source of
11、jam , hardware anti-jammingmeasures and software anti-jamming measures can be used together to raise thedevices capacity of resisting disturbance.Key Words:UFLS; UVLS; Embedded RTOS; C/OS- Transplant; Hardware Design;Software DesignIV湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用
12、的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密,在 _年解密后适用本授权书。2、不保密 。(请在以上相应方框内打“”)作者签名:导师签
13、名:日期:日期:年年月月日日I系统运行调整的基本任务之一 。低电压减负荷装置( UVLS)的方式有两种:一都必须投入 。硕士学位论文第 1 章 绪 论本章主要介绍低频减载、低电压减载的基本概念,论述电力系统频率降低和电压降低对整个电网的影响,探讨微机电压频率控制技术的发展、背景和意义、课题研究的内容,指出本文的工作重点。1.1 低频减载和低电压减载的基本概念电力系统的频率是电能质量重要的指标之一。电力系统正常运行时,必须维持频率在 50( 0.10.2)Hz 的范围内 1。为了提高供电质量,保证重要用户供电的可靠性,当系统中出现有功功率缺额引起频率下降时,根据频率下降的程度,自动断开一部分用户
14、,阻止频率下降,以使频率迅速恢复到正常值,实现这种功能的装置叫自动低频减负荷装置( UFLS)。它不仅可以保证对重要用户的供电,而且可以避免频率下降引起的系统瓦解事故 2。电压是衡量电能质量的一个重要指标,保证用户处的电压接近额定值是电力1种是低电压故障解列,即三个线电压中任意一个小于低电压定值,低电压解列保护动作,为防止 PT(电压互感器)断线误动作,可经电流闭锁(该功能可以通过控制字投退),即电压低于定值同时电流大于定值时,低电压解列保护动作;另一种是失压故障解列,即三个线电压均小于低电压定值,失压解列保护动作,也可经电流闭锁(该功能可以通过控制字投退),即电压低于定值同时电流大定值时,失
15、压解列保护动作。以上两种低电压解列方式可以通过失压解列投退来选择:当失压解列退出时,为低电压故障解列方式;当失压解列投入时,为失压故障解列方式。不论是选择低电压故障解列方式还是选择失压故障解列方式,低电压解列3低电压减载功能和低频减载功能可以同时投入,也可以单独投入。当同时投入时,先满足谁的动作条件谁就先动作,它们的动作轮次是相同的。关于工程实际中出现的微机电压频率控制装置的描述及其性质需要明确以下几个问题:1所谓自动解列,就是将系统解列成几个小系统运行。在电力系统中,有时几个小系统共同组成一个大的系统统一管理运行,但在某些情况下由于系统逻辑错误或硬件故障等原因,促使整个大的系统不能正常工作,
16、一旦遇到这种情况,大系统能自动分解成几个小系统,以确保整个系统的运行,我们称这一过程为自动解列。1嵌入式电压频率控制装置的硬件研究和设计针对电力系统失步振荡、频率崩溃或电压崩溃的情况,自动装置在预先安排的适当地点有计划地自动将电力系统解开,或将电厂与连带的适当负荷自动与主系统断开,以平息振荡。依系统发生的事故性质,按不同的使用条件和安装地点,电力系统自动解列装置可分为振荡解列装置、频率解列装置和低电压解列装置。2自动减载,就是通过测量系统频率和电压自动分级投切负荷。在电力系统发生事故出现功率缺额引起频率急剧大幅度下降时,自动切除部分用电负荷使频率迅速恢复到允许范围内,以避免频率崩溃的自动装置,
17、又称自动低频减载装置。为防止事故后或负荷上涨超过预测值和无功补偿不足引发电压崩溃事故,自动装置自动切除部分负荷,使运行电压恢复到允许范围内的。3电力系统安全自动装置。防止电力系统失去稳定性和避免电力系统发生大面积停电事故的自动保护装置,如输电线路自动重合闸装置、电力系统稳定控制装置、电力系统自动解列装置、按频率降低自动减负荷装置和按电压降低自动减负荷装置等。4自动重合闸。架空线路或母线因故断开后,被断开的断路器经预定短时延而自动合闸,使断开的电力元件重新带电;如果故障未消除,则由保护装置动作将断路器再次断开的自动操作循环。主要分为三相重合闸、单相重合闸和综合重合闸。5事故扰动。电力系统由于短路
18、或系统元件非计划切除而造成的突然巨大的和实质性的状态变化称为事故扰动。6基本动作轮与特殊轮。装置根据所测量的电压或频率下降多少而分级投切的过程。轮数一般由 N 个基本轮及 N 个特殊轮组成,N ( f1 f N )f 1 ( 1.1)式( 1.1)中f 表示装置相邻两轮之间的动作级差; f1 表示第一轮动作值, 一般为系统正常允许的边缘值; f N 表示基本段最后一轮动作值,此值应大于发电机组低频或低电压保护的动作值, 并和电网低频低电压解列装置相配合。特殊轮在基本段某一轮动作后, 频率或电压没有恢复到希望恢复的值, 又未达到下一轮动作值, 此时通过延时切除部分负荷使频率继续恢复。特殊段 N
19、一般取 13 轮, 用于避免过多地切除负荷使频率或电压上升超过额定值。7电力系统的三道防线。第一道防线:由继电保护装置快速切除故障元件,最直接最有效地保证电力系统暂态稳定;第二道防线:采用稳定控制装置及切机、切负荷等措施,确保在发生大扰动2统相继采用,取得了良好的效果 。直到现在它仍是当前电力系统频率紧急控制硕士学位论文情况下电力系统的稳定性;第三道防线:当电力系统遇到多重严重故障而稳定破坏时,依靠失步解列装置将失步的电网解列,并由频率及电压紧急控制装置保持解列后两部分电网功率的平衡,防止事故扩大、防止大面积停电 4。1.2 电力系统频率和电压偏移的危害频率和电压是电力系统运行的重要状态量,
20、它不仅是电能质量的重要指标,也是电力系统安全的重要指标。在出现较大的电源事故情况下, 系统功率失去平衡, 频率或电压或两者同时下降。此时, 若不采取有效的紧急控制措施, 事故将很快扩大, 严重时将发生频率崩溃或电压崩溃, 造成大面积停电。这在电力工业史上不乏例证 5。系统频率偏移过大时,发电设备和用电设备都会受到不良的影响。轻则影响工农业产品的质量和产量;重则损坏汽轮机、水轮机等重要设备,甚至引起系统的“频率崩溃 ”,致使大面积停电,造成巨大的经济损失。电压偏移过大,除了影响用户的正常工作以外,还会使网络中的电压损耗和能量损耗加大,危害电气设备的绝缘,危及电力系统的稳定性。1.3 低频低电压减
21、载技术的发展随着电力体制改革的不断深化、全国联网步伐的加快和社会进步带来用户对电力供应依赖性的增强,电力系统事故对社会造成的影响将越来越大,因此保障电力系统的安全稳定运行尤为重要。早在 19 世纪 40 年代,前苏联首先提出了低频减载,随后世界各国大电力系6最主要的手段,对稳定电力系统防止频率崩溃起到了很好的作用。由于历史的原因,那些投入日期早、运行时间长的保护设备暴露出不少缺陷,其中有些问题已经逐步得到解决,有的尚未引起运行部门的重视。电压频率控制装置,即低频低电压减载( UFLS, UVLS)装置,是保证电力系统安全可靠运行的一种重要的自动测控工具。在电力系统中由于有功、无功缺额引起频率、
22、电压下降时,电压频率控制装置将自动按频率、电压降低值切除部分电力用户负荷,使系统的电源与负荷重新平衡,防止频率、电压崩溃事故,使整个系统尽快恢复正常。电压频率控制装置同时也是系统对抗大面积停电事故的最后一道防线。1993年南瑞研制成功 UFV-2系列微机频率电压紧急控制装置,它以低频低电压减载控制为基本功能,经过科学细致的研究规划,开发研制出多个派生产品,3也引起各国电力界的高度重视 。嵌入式电压频率控制装置的硬件研究和设计构成综合解决系统可能出现的所有稳定控制问题的产品系列。 UFY-2系列产品具有很多优越的性能特点,如:具有四个基本轮,一个长延时的特殊轮,最多可控制 20回线路;装置的智能
23、化程度高,在功率缺额大时能按 df / dt 、 du / dt 加速切负荷,能使系统的电源与负荷迅速达成新的平衡;自动识别短路故障,既防止短路时误动,又保证电压频率下降时快速动作;提供装置动作、装置异常、电源消失、PT断线等接点信号给中央信号屏或监控系统;可提供数据通信接口,实现与厂站监控系统或故障信息管理系统通信;具有多重闭锁和完善的自检功能;同时还具有事件记录、事故过程数据记录等功能 6,7 。在计算机技术飞速发展的今天,低频低电压自动减载装置也有快速的发展。基于专家系统的智能型切负荷方案将许多先进理论,如遗传算法、神经网络、 模糊理论等应用于低频低电压减载装置的研制,但这一方案还尚未大
24、规模的投入实际应用中。电力电子技术的发展使装置智能化成为可能,系统低频减载正向着自动化智能化的方向发展。近年来,科学技术的发展使低频低电压减载装置的性能有了很大的提高:以多机系统为核心,反应迅速;大量运用低功耗器件,实现了低功耗;采用 12或 14位的 A/D,测量精度高;增加了人机交互功能;软件方面功能更加完善,可实现实时显示、定值修改、回路自检、信号复归通信等功能。1.4 选题背景、来源及意义电能是现代社会最主要的直接能源,因此电能的质量一直为人们所重视。上个世纪 50 年代以来世界上发生了若干重大停电事故:1996 年 7 月美国西部电网大停电事故, 1987 年日本东京大停电事故, 1
25、987 年法国大停电,加拿大魁北克1988 和 1989 年大停电等。我国也有类似经历:1972 年和 1982 年的湖北电网大停电, 1990 年广东电网大停电, 1994 年南方电网大停电等。这些大型事故虽然不经常发生但事故波及面广,损失严重。各种安全稳定自动控制装置的研发工作8本课题源于一个实际的工程项目,是对现行同类装置的升级和完善:把基于单片机 80C196KC的装置升级成为基于 DSP的嵌入式电压频率(低频低电压减载)装置,为电力系统提供安全稳定、智能化的服务。本文选用的 DSP微处理器是美国 TI公司生产的 DSP芯片 TMS320F2812, TMS320F2812是 TI公司
26、在控制应用领域推出的高端 DSP芯片,是目前国际市场上非常先进、功能强大的 32位定点 DSP芯片,它对数据信号的强大处理能力是 8位、16位单片机无法比拟的。它既有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能(可以嵌入实时操作系统,如 C/OS-),特别适用于大批量数据处理的测控场合。该装置使电力工作人员无需时时监控调度,可实现自主测量系统频率和电压自动分级投切负荷或解列机组以保证电力系统的功率缺额在最小程度,而不至于4硕士学位论文出现系统崩溃事故,维护系统的稳定性,可靠性和安全性。装置液晶显示,信息详细直观;操作、调试方便;电压、频率、时间整定值均连续可调;同时还可以进行实时
27、打印;可打印定值表、事件记录、事故记录、实时值。本装置能够实现功能的多样化而成本不是很高,原因在于该系统与以往的装置不同:在硬件平台方面,它采用先进的、功能强大的 DSP处理器 TMS320F2812,其优良性能可以很好地支持许多嵌入式操作系统;采用的是 RISC( ReducedInstruction Set Computer,精简指令集计算机)指令集,使用频率最高的简单指令,避免复杂指令;将指令长度固定,指令格式和寻址方式种类减少;采用哈佛总线结构,但其综合性能表现更好;它的内部嵌入了更多寄存器,寻址方式灵活,从而指令执行速度快、效率高。在软件平台方面,以往在单片机系统编程都往往通过画流程
28、图来编写软件,而本系统采用实时操作系统以模块的形式编写任务程序,使编程的复杂程度大大降低,而且使整个系统工作更稳定。基 于 DSP 嵌 入 式 系 统 的 电 压 频 率 控 制 装 置 以 高 性 能 DSP 处 理 器TMS320F2812 为核心,使装置的处理速度、精度稳定性能等方面都能够更上一个台阶,完全能满足电力系统对第三道防线的要求。在出现较大的电源事故情况下,能够快速有效地动作,保证电网受到扰动后的安全性 ,避免大面积停电,防止频率、电压崩溃事故,使整个系统尽快恢复正常。1.5 论文的主要研究工作及创新点本文介绍了低频减载、低电压减载的基本概念以及电力系统低频低电压运行对整个电网
29、的影响,分析了现行低频低电压减载装置的工作原理,研究并提出一种基于先进的 DSP 技术和实时操作系统 C/OS-的新型微机电压频率控制装置设计方案。全文共分为 6 章,各章具体的研究内容如下所示:第 1 章:主要介绍了低频减载、低电压减载的基本概念,论述电力系统频率降低和电压降低对整个电网的影响,阐述了微机电压频率控制技术的发展、背景和意义、课题研究的内容,指出本文的工作重点。第 2 章:介绍了嵌入式系统的基本概念及应用,从硬件和软件两方面对嵌入式系统的结构及组成进行了描述,同时结合本次开发,对微机电压频率控制装置的选型进行了说明。第 3 章:介绍了电压频率控制装置的工作原理,重点分析了电压频
30、率相关参数的变化所反映的电网状态,同时对电网的各参数在采样时所采用的算法也进行了说明。第 4 章:介绍了开发平台的构建,在简述了嵌入式实时操作系统和 DSP 在微机电压频率控制装置中的应用后,提出了结合嵌入式实时操作系统 C/OS-和高5嵌入式电压频率控制装置的硬件研究和设计速 DSP TMS320F2812 的新型微机电压频率控制装置的开发思想。第 5章:详细介绍了系统目标板的整体硬件设计方案,在讨论了各种接口电路的设计方案的基础上,给出了的具体实现方法。本文的创新点如下所示:1. 采用 TI公司的 32位高性能 DSP微处理器 TMS320F2812为 CPU,替代以80C196KC单片机
31、为处理器的原装置。2. 把 C/OS-移植到 DSP TMS320F2812处理器上,用它进行进程管理。使软件编程更方便。3. 设计应用 DSP TMS320F2812的捕获单元实现电力系统的频率测量。4. 在 C/OS-移植过程中,发现 TI产品手册上提供的一个完整的中断现场保护的汇编程序并不完整,并分析了具体原因。6硕士学位论文第 2 章 嵌入式系统基础嵌入式系统是集成电路设计技术和软件设计技术的结合,它决定着电子产品的智能化水平及科技含量,因此一直处于国际高科技发展的前沿。嵌入式技术在网络通讯、智能仪表、电子玩具等领域的应用非常广泛,尤其在工业应用中对实时性要求很高,因此嵌入式系统大多为
32、实时系统。本章介绍了嵌入式系统的基本概念及应用,结合微机电压频率控制装置的要求,从硬件和软件两方面对嵌入式实时系统进行了选型。2.12.1.1嵌入式系统嵌入式系统的概念及特点嵌入式系统 (Embedded System)是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能 9。嵌入式系统简单的讲就是把处理器嵌入各种电子设备内部,实现设备的智能化。嵌入式系统可广泛应用于工业控制、PDA 掌上电脑
33、、手机、信息家电(网络冰箱,机顶盒)等嵌入式设备。目前语义更泛指基于高端处理器( 16/32位),使用实时操作系统的产品。嵌入式系统由于是应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系统,所以不同于通用型计算机系统应用的多样化和适用性。它与通用的计算机系统相比具有以下特点:嵌入式系统通常是面向特点应用的,一般都有实时要求。嵌入式 CPU 大多工作在为特点用户群所设计的系统中。它通常具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等特点,移动能力强,与网络的耦合更紧密。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术、通信网络技术与各领域的具体应用相结合的产物。这一特点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高
34、度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起,它的升级换代也和具体产品同步进行。因此,嵌入式系统产品一旦进入市场,一般具有较长的生命周期。嵌入式系统的软硬件都必须高效率地设计,在保证稳定、安全、可靠的7嵌入式电压频率控制装置的硬件研究和设计基础上量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,最大限度地降低应用成本,提高市场竞争力。为了提高执行速度和系统可靠性,嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或处理器内部存储器件中,而不存储于外部磁盘等载体中。嵌入式系统本身不具备自举开发能力。即使设计完成以后,用户通常也不能对其中的程序功能进行修改,必须有一套交叉开发
35、工具和环境才能进行开发。2.1.2 嵌入式实时系统的基本概念实时系统的定义是指能够在确定的时间内执行计算或处理功能并对外部事件做出反应的计算机系统 10。实时操作系统 RTOS( Real Time Operate System)是整个实时系统的一个组成部分,它必须提供足够的功能以确保整个实时系统达到要求,其核心部分有时也称为实时内核。实时操作系统若用在嵌入式系统中,称为嵌入式实时系统或简称嵌入式系统 11 。实时操作系统 RTOS( Real Time Operate System) ,是一种具有高可靠性和实时性的系统软件。作为一个完整的操作系统,它有一个可靠性很高的实时内核,将 CPU 时
36、间、中断、 I/O、定时器等资源都包装起来,留给用户一个标准的应用程序接口( API);能根据各个任务的优先级,合理地在不同任务之间分配 CPU时间,保证程序执行的实时性、可靠性;通过将应用程序分割成若干独立的任务,使应用程序的设计过程大为减化,不需要大的改动就可以增加新的功能;使用抢占式内核时,所有时间要求苛刻的事件都得到了尽可能快捷、有效的处理;通过有效的服务,如信号量、邮箱、队列、超时等,使资源得到更好的利用。正是由于以上点,实时操作系统成为嵌入式操作系统的首选。下面介绍实时操作系统的一些基本概念 12。1. 前后台系统( Foreground/Background System)通常的
37、单片机程序一般设计成如图 2.1 所示的模式。这种系可称为前后台系统或超循环系统 (Super-Loops)。应用程序是一个无限的循环,循环中调用相应的函数完成相应的操作,这部分可以看成后台行为( Background)。中断服务程序处理异步事件,这部分可以看成前台行为( Foreground)。后台可以叫做任务级,前台也叫中断级。时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务来保证的。一般来说,中断服务程序只对外部事件完成一个简单的处理,就把处理信息交给后台程序来执行接下来的操作。但中断服务提供的信息一直要等到后台程序走到该处理这个信息这上步时才能得到处理,这种系统在处理信息的及时性上比较差。这个
38、指标称作任务级响应时间。最坏情况下的任务级响应时间取决于整个循环的执行时间。因为循环的执行时间不是常数,程序经过某一特定部分的准确时间也是8硕士学位论文不能确定的,如果程序修改了,循环的时序也会受到影响 9。图 2.1 前后台系统2. 资源和共享资源任何为任务所占用的实体都可称为资源。资源可以是输入输出设备,例如打印机、键盘、显示器、存储器,也可以是一个变量,一个结构或一个数组等 9。可以被一个以上任务使用的资源叫做共享资源。为了防止数据破坏,每个任务在与共享资源打交道时,必须独占该资源的使用权。使用共享资源的这种机制称为互斥 13 15。3. 任务及任务状态一个任务,也称作一个线程,是一个简
39、单的程序,该程序可以认为 CPU 完全属于该程序自己。每个任务都是整个应用的某一部分,每个任务被赋予一定的优先级,有它自己的一套 CPU 寄存器和自己的堆栈空间。而实时应用程序的设计过程包括如何把问题分割成多个任务,如何给每个任务赋予一定的优先级,如何分配 CPU 寄存器和堆栈空间。每个任务都是一个无限的循环。每个任务都处在以下五种状态之一的状态下,它们分别是休眠态、就绪态、运行态、挂起态和中断态。4. 任务切换( Context Switch /Task Switch)当多任务内核决定运行另外的任务时,它保存正在运行任务的当前状态,即CPU 寄存器中的全部内容。这些内容保存在任务的当前状况保
40、存区,也就是任务自己的堆栈区之中。入栈工作完成以后,就是把下一个将要运行的任务当前状况从该任务的堆栈中重新装入 CPU 寄存器,并开始下一个任务的运行,这个过程叫做任务切换。6. 内核( Kernel)实时多任务系统中,内核负责管理各个任务,或者说为每个任务分配 CPU 时间,并且负责任务之间的通信。7. 调度( Scheduler)9嵌入式电压频率控制装置的硬件研究和设计调度是内核的主要职责之一,就是要决定该轮到那个任务运行。多数实时内核是基于优先级调度法的。基于优先级的高度法指 CPU 总是让处在就绪态的优先级最高的任务先运行。8. 不可剥夺型内核与可剥夺型内核不可剥夺型内核要求每个任务自
41、我放弃 CPU 的所有权。不可剥夺型调度法也称作合作型多任务,各个任务彼此合作共享一个 CPU。异步事件还是由中断来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态,但中断服务以后控制权还是回到原来被中断了的那个任务,直到该任务主动放弃 CPU 的使用权时,那个高优先级的任务才能获得 CPU 的使用权。当系统响应时间很重要时,要使用可剥夺型内核。最高优先级的任务一旦就绪,就总能得到 CPU 的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了就绪态,当前任务的 CPU 使用权就被剥夺了,或者说被挂起了,那个高优先级的任务立刻得到了 CPU 的控制权。如果是中断服务子程序使一个
42、高优先级任务进入就绪态,中断完成时,中断了的任务被挂起,优先级高的那个任务开始运行 13。使用抢占式型内核,最高优先级的任务什么时候可以执行,可以得到 CPU 的控制权是可知的,使用抢占式型内核使得任务响应时间得以最优化 11, 16。2.2 嵌入式系统的应用嵌入式系统出现于 60 年代晚期,它最初被用于控制机电电话交换机,如今已被广泛的应用于工业制造、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等众多领域。嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。嵌入式设备几乎包括了我们周围的所有电器设备:小至掌上 PDA、电视机顶盒,大至汽车、电梯、安全系统等等。据统计,每
43、年只有 10%20%的计算机芯片是为台式或便携式电脑而设计的,这也意味着每年有 10 至 20 亿个 CPU 是为嵌入式设备而设计制造的。调查显示,目前嵌入式开发系统涉及的领域中,PDA 占到了 30%,手机占到了 18%,信息家电 21%,工业控制 5%,服务行业 2%,交通系统 2%,其他 22%。可见,嵌入式系统拥有广阔的发展前景。2.3 嵌入式系统的结构与组成和一般的计算机系统一样,嵌入式系统也是由硬件和软件系统构成,硬件包括嵌入式处理器及外围设备,软件则主要是嵌入式操作系统和嵌入式应用软件,如图 2.2所示 17。10硕士学位论文嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式处理器 嵌入式外围设
44、备嵌入式硬件平台图 2.2 嵌入式系统构成2.3.1 嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于嵌入式 CPU 大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用CPU 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化,并具有高效率、高可靠性等特征。嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器、中高端的嵌入式微处理器 、常用于计算机通信领域的嵌入式 DSP 处理器和高度集成的嵌入式 SOC(System OnChip)。1. 嵌入式微控制器 (MicroControler Unit, MCU)MCU 的典型代表是单片机,芯片内部集成
45、 ROM/EPROM、 RAM、总线、总线逻辑、定时 /计数器、看门狗、1/O、串行口、PWM、A/D 、D/A 等模块及外设。MCU 是目前嵌入式系统工业的主流。2. 嵌入式微处理器 (MicroProcessor Unit, MPU)MPU 由通用计算机中的 CPU 演变而来,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除了其他的冗余部分,具有 32 位以上的处理器及较高的性能。优点是体积小、重量轻、成本低、可靠性高。3. 嵌入式 DSP 处理器DSP 是一种超高速单片计算机,但它采用了哈佛总线技术,并且加入了特殊的指令,擅长于处理数据,多用在工业控制、语音、视频处理方面。4. 嵌入式片上系统
46、 (System On Chip, SOC)片上系统是追求产品系统最大包容的集成器件,它的最大特点是实现了软硬件无缝结合,直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。在这些处理器芯片当中,又以 DSP、 ARM、 MCS51、 MCS196、 PowerPC、MC68K 、 MIPS 使用最为广泛。2.3.2 嵌入式外围设备嵌入式外围设备是指,在嵌入式硬件系统中,除了嵌入式处理器之外的完成11用户程序文件系统 图形用户界面 操作系统系统内核驱动程序硬件平台嵌入式电压频率控制装置的硬件研究和设计存储、通信、保护、调试等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下 3 类:存储器类型:静态易失型存
47、储器 (RAM/SRAM),动态存储器 (DRAM),非易失型存储器 (ROM EPROM EEPROM FLASH)。其中, FLASH(闪存 )以可擦写次数多,存储速度快,容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。接口类型:目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其广泛的应用,但是以下几种接口的应用最为广泛,包括 RS-232 接口 (串口 ) 、IrDA(红外 ) 、SPI(串行设备接口 )、 I2C( Inter-Integrated Circuit)、 USB、 Ethernet和普通并口。显示类型: CRT、 LCD 和触摸屏等外围显示设备。2.3.3 嵌入式操作系统在嵌入式大
48、型应用中,为了使嵌入式系统开发更方便、快捷,就需要具备相应的管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应,以及提供多任务处理等功能的稳定的、安全的软件模块集合,即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能,方便了嵌入式系统的设计,能简化产品开发流程,提高产品质量,但同时也占用了宝贵的嵌入式资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌入式操作系统。在嵌入式系统中,操作系统是灵魂,它管理整个系统的硬件设备和调度着所有应用程序的运行,并为用户开发提供接口,屏蔽底层的细节。嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内核、文件系统、通信协议、设备驱动接口、甚至
49、图形用户界面 (GUI)及浏览器等,如图 2.3 所示。图 2.3 嵌入式系统软件结构图根据应用场合,嵌入式系统可分为两大类:实时系统和分时系统。其中实时系统又包括:硬实时系统和软实时系统。实时系统能够在指定的时间内完成系统功能以及对外部或内部事件及时作出响应,如果出现偏差,将会出现严重的后果。12硕士学位论文分时操作系统是一种联机的多用户交互式的操作系统,一般采用时间片轮转的方式使一台计算机为多个终端服务,对每个用户能保证足够快的响应时间,并提供交互会话能力。本次设计系统软件采用源代码公开实时操作系统 C/OS-,它是一个基于优先级的、可移植、可固化、可裁剪、占先式实时操作系统,其绝大部分源码是用ANSI C编写,具有很强移植性的操作系统。2.3.4 嵌入式应用程序及支撑软件嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的,基于相应的嵌入式硬件平台的,并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。有些嵌入式应用软件需要嵌入式操作系统的支持,但在简单的应用场合下不需要专门的操作系统。嵌入式应用软件和普通的应