引言

隨著電力系統的日趨復雜，繼電保護裝置對軟、硬件提出了更高的要求。目前，微機保護系統的處理器一般采用高性能單片機、數字信號處理器DSP和可編程邏輯器件PLD等來提高處理器性能。但是，隨著繼電保護系統向多功能、智能化、可視化及網絡化方向的發展，這些芯片已經不能完全滿足需求。因此，在設計新的微機保護裝置時，有必要選用高性能、低成本的新型處理器。近年來，ARM處理器憑借高性價比、低功耗等特點，在嵌入式領域獲得了廣泛應用。而此μC/OS-Ⅱ作為一種免費的、性能卓越的嵌入式操作系統，為微機保護軟件提供了統一的開發平臺。本文結合工程實踐，對上述二者在微機繼電保護中的應用作些討論。

1微處理器與實時嵌入式操作系統的選取

1.1微處理器

微處理器選擇AT91RM9200，它是基于ARM920T內核、ARM/Thumb指令集的完整片上系統，工作在180MHz頻率下其運算速度可高達200MIPS，集成了豐富的應用外設及標準接口。該處理器包括一個高速的片上SRAM工作區和一個低延遲的外部總線接口(EBI)，其內置控制器可用于控制同步DRAM、突發訪問模式FLAsH存儲器和靜態存儲器;提供與SmartMedia、CompactFlashå’ŒNANDF1ash的接口，集成了USB2.0接口和媒體訪問控制器(MAC)，擴展了外部器件應用的種類，使開發出來的產品可以工作在網絡層，JTAG—ICE接口、UART通道(DBGU)和內嵌實時跟蹤器提供的功能使受實時性限制的應用成為可能，適合作為繼電保護裝置單片機解決方案的硬件平臺。

1.2嵌入式操作系統

嵌入式操作系統選擇此μC/OS-â…¡。早期這個系統叫做μC/OS-â…¡，是1992年編寫的嵌入式多任務實時操作系統，后經過修改，1999才推出了μC/OS-â…¡，它符合RTCADO-178B標準的認證，有足夠的穩定性和安全性。μC/OS-Ⅱ是用C語言和匯編語言編寫的。其中絕大部分代碼都是用C語言編寫的，只有極少部分與處理器相關的代碼是用匯編語言編寫的，只要稍加修改就可以把它移植到各類的嵌入式處理器上，因此可選擇作為繼電保護裝置的軟件開發平臺。

2保護裝置的硬件系統設計

微機保護裝置將待保護系統送來的電流、電壓信號，經電流、電壓互感器變換后產生低電壓信號送入主模板。主模板內的AT91RM9200運行片內的保護軟件，進行信號采樣，完成各種數值運算、分析及處理，從而確定待保護系統的運行狀態。如有故障，則由處理器經模板發出跳閘動作信號，以保護系統。同時通過各種通信方式將保護動作信息送入管理模板和上位機，記錄和保存數據并報警。硬件系統采用模塊化設計，可分為電流互感器/電壓互感器模塊、A/D轉換單元、開入/開出單元、人機交互單元、存儲器單元、對外通信單元及電源模塊等，硬件主體結構如圖1所示。

圖1硬件主體結構圖

2.1A/D轉換單元

A/D轉換是微機保護的關鍵功能，采樣芯片選用AD7329。該芯片是一款真正雙極性、8通道、低功耗、帶符號位的12bit、1MSPS轉換速率ADC，輸入電壓范圍達±10V，因此可以將輸入噪聲的影響降到最低，同時提供很高的直流和交流阻抗。

2.2存儲器單元

由于移植實時操作系統的需要，本系統采用兩片容量較大的SDRAM(IS42S16160B)，每片32船，構成32位的高速數據總線，用于存放程序代碼和各種數據。采用一片32肥的NORFLASH(TE28F256J3C)，用于固化操作系統、應用程序代碼、操作過程中的事件信息和錄波數據。另外，采用一片32KB的E2PROM用于存放需要經常讀寫的保護定值。

2.3通信單元

考慮到電力系統中大數據量和實時數據傳輸的需要，根據AT91RM9200微處理器的特點，本系統設計了CAN、以太網、RS232/485、光纖、USB。CAN控制器采用完全支持CAN總線V2.0A和V2.0B技術規范，通信速率為1Mb/s、SPI接口的MCP2510?？紤]到光纖傳輸距離遠、頻帶寬、發射天線小、保密性好及抗電磁干擾等優點，將光纖和以太網通信結合起來，充分發揮二者的優越性，可大大提高系統的應用范圍和可靠性。系統采用IPll3A作為以太網至光纖收發器，IPll3A是二端口(包括TP端口和FX端口)10/100Mbps以太網集成交換器，由一個二端口控制器和一個以太網快速收發器組成;遵守IEEE802.3x規則。

2.4其它相關單元

開入回路和開出回路均由快速光電隔離芯片和邏輯編碼電路組成，增加了電路的抗干擾性能。用于人機交互的LcD，采用128×64的點陣液晶顯示屏，直接使用PIO口進行控制，鍵盤采用3×3的鍵盤電路，通過鍵盤查看系統參數和修改各種定值參數。系統各裝置的保護、監控、事件順序記錄(SOE)、故障錄波等功能對時間精度和同步性有較高要求，GPS可以提供一個精確的時間坐標H1，本系統采用GPSçš„B碼授時，GPS系統接受衛星時間信號，輸出IRIG—B時間碼系列，設備通過總線對時間進行同步。

3軟件系統設計

3.1傳統的前后臺系統和實時多任務系統的比較

3.1.1前后臺系統

在前后臺系統中，應用程序由后臺運行，一般是一個無限循環，循環中調用相應的函數(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)，如圖2所示。

圖2傳統微機保護程序機制這種程序規模較小、功能單一、智能化程度低，而且多是采用匯編語言編寫的線性程序。它雖然具有代碼精煉，某些關鍵操作執行效率高的優點，但是延長了編程時間，難以保證系統所有任務對實時性的要求。某個任務的響應時間取決于后臺循環執行的時間。循環過程中，程序需要根據不同的狀態和方式(中斷服務子程序或用戶的設置可能改變這些狀態和運行方式)，決定程序的走向，所以每次循環的執行時間不同。某一任務的真正響應要等到循環順序執行完前面所有的任務之后，既不及時，時間也不確定。同時，程序的可讀性很差，調試困難，維護也比較困難。

3.1.2實時多任務系統

對于一個復雜的嵌入式實時系統而言，當采用中斷處理程序和一個后臺主程序軟件結構難以實時、準確、可靠地完成任務時，或存在一些互不相關的過程需要在一個計算機中同時處理時，就需要采用實時多任務系統。隨著應用的復雜化，一個嵌入式控制系統可能要同時控制或監視很多外設，有嚴格的實時響應要求，需要處理任務比較多，各個任務之間有多種信息需要實時傳遞，如果仍采用原來的程序設計方法將存在兩個問題：一是中斷可能得不到及時響應，處理時間過長，這對實時控制場合是不允許的，對于網絡通信而言則會降低系統整體的信息流量;二是系統任務多要考慮各種可能出現的情況(尤其在任務使用共享資源時，如果任務調度不當就可能導致系統死鎖，從而降低軟件可靠性，導致程序編寫任務量成倍增加)。為降低系統的復雜性，保證系統的實時性，可維護性是必不可少的。

實時多任務系統的實現必須有實時多任務操作系統的支持。操作系統主要完成任務切換、任務調度、任務間的通信、同步、互斥、實時時鐘管理以及中斷管理。實時多任務系統實際上是由多個任務、多個中斷處理過程和實時操作系統組成的有機整體。每個任務是順序執行的，并以并行性的方式通過操作系統完成，任務間的相互通信和同步需要操作系統的支持。使用實時多任務系統的微機保護程序機制如圖3所示。

圖3使用RTOS的微機保護程序機制

繼電保護對實時性要求較高，任務較多，故本文提出基于ARM9å’ŒμC/OS-Ⅱ的微機保護核心平臺。

3.2μC/OS-Ⅱ性能分析及其在AT91RM9200中的移植

3.2.1μC/OS-Ⅱ性能分析

實時系統主要通過三個性能指標來衡量系統的實時性，即響應時間(ResponseTime)、生存時間(SurvivalTime)和吞吐量(Throughput)：響應時間：是實時系統從識別出一個外部事件到做出響應的時間;

生存時間：是數據的有效等待時間，數據只有在這段時間內才是有效的;

吞吐量：是在給定的時間內系統能夠處理的事件總數，吞吐量通常比平均響應時間的倒數要小一點。

其中響應時間是系統實時性最直觀、最重要的指標。而系統響應時間與任務切換時間、中斷延遲和調度延遲都有關系。μC/OS-Ⅱ的中斷處理程序中不需要關中斷，它的關中斷主要發生在一些原子操作和代碼臨界區保護的時候，并且都非常短，因此μC/OS-Ⅱ的中斷延遲很短。

μC/OS-Ⅱ是基于優先級的“可剝奪”式內核，而且內核的調度算法非常簡單，因此μC/OS-Ⅱ調度延遲比較短且可以預測適應實時應用的要求。

關于上下文切換時間，由于μC/OS-Ⅱ的任務都有單獨的堆棧，因而任務的切換操作非常簡單，由10多條CPU指令就可完成，因此μC/OS-Ⅱ任務切換產生的延遲很小且是可以預測的。

3.2.2μC/OS-Ⅱ在AT91RM9200中的移植實現

μC/OS-Ⅱ的移植條件是：該處理器有堆棧，有CPU內部寄存器入棧、出棧指令;使用的C編譯器支持內嵌匯編(inlineasseInbly)或者該C語言可擴展，可連接匯編模塊，使得關中斷、開中斷能在C語言程序中實現。

AT91RM9200符合其移植條件。μC/OS-Ⅱ的移植集中在3個文件，頭文件os_cpu.h，匯編文件os_cup_a.s，C代碼文件os_cpu_c.c。其中os_cpu.h主要包含編譯器相關的數據類型的定義、堆棧類型的定義以及幾個宏定義和函數說明。而os_cpu_c.c中則包含與移植有關的c函數，包括堆棧的初始化函數和一些鉤子(hook)函數的實現。os_cpu-a.s中則包含與移植有關的匯編語言函數，包括開/關中斷、上下文切換、時鐘中斷服務程序等。移植中關鍵的功能模塊實現如以下所述。

移植工作包括以下幾個內容：①用繃efine設置一個常量的值(OS-CPU.H);②聲明數據類型(OS-CPU.H);③用#define聲明三個宏(OS.CPU.H);④用c語言編寫六個簡單的函數(OS—CPIJ-C.C);⑤編寫四個匯編語言函數(OS-CPU_ASM)。

3.3軟件結構設計

在軟件設計時，盡量使軟件和硬件脫離，改變傳統的嵌入式軟件過多依賴硬件的模式。針對保護裝置的實際情況，把整個系統分成保護、A/D采樣、自檢、顯示、通信等幾個任務，劃分原則是在考慮系統實時性和軟件效率的前提下盡量減少任務間的耦合，使功能清晰。任務確定以后，賦予每個任務唯一的ID號，并按照實時性要求對各個任務指定i其優先級，本設計中把保護任務設置成較高優先級。進入運行狀態后，在主任務中啟動其他任務，例如顯示、A/D采樣、通信等。在這些任務中又可啟動另外的任務。下面給出了主程序的任務創建和資源分配的部分代碼。

設計中的任務調度機制采用優先級調度模式：CPU被分配給最高優先級任務，如果幾個任務優先級相同，CPU就被分配給最先進入就緒隊列的任務。如果一個任務在執行過程中，另外一個優先級更高的任務進入就緒狀態，則原來正在進行的任務進入就緒狀態，新任務進入運行狀態。

μC/OS-Ⅱ最多可支持56個任務。實現各種功能的保護程序按照功能劃分成了一個個的任務，每一種任務實現一種功能，任務之間相互獨立，只通過實時操作系統R1DS(Real—TimeOperatingSystem)機制交換信息。這從根本上保證了軟件的可靠性和實時性。

4結束語

隨著ARM處理器技術的不斷發展和應用的不斷推廣，ARM處理器在電力系統中必將得到更廣泛的應用。而嵌入式實時操作系統RTOS在微機保護的應用，為實現復雜的保護功能提供了可能。文中討論的基于嵌入式AT9lRM9200微處理器的微機保護裝置已完成現場調試，初步試運行效果表明，該設計是成功的，受到用戶方的認可，有望得到大力推廣。