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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；通過實時多任務系統對所有任務的調度管理，解決在單任務系統中難以處理的實時性差的問題，同時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，以及軟件中各任務的具體運行過程。引言
隨著各種電子系統在各領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越高的要求，使應用軟件朝著系統化方向加速發展。傳統的嵌入式系統設計中，大多采用單任務的順序機制。應用程序是一個無限的大循環，所有的事件都得按順序執行，與時間相關性較強的事件靠定時中斷來保證。這種方式編程的優勢在于程序較為直觀，但由此帶來一個重要的問題，那就是系統的穩定性、實時性較差。尤其當系統功能較復雜，同時對實時性要求較嚴格時，這種單任務機制的弱點使暴露無遺。
在配電監測終端軟件的設計中，筆者將買時操作系統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核心任務，由μC/OS-II實時內核進行調度，實現了多任務的并行執行，系統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、微內核嵌入式實時操作系統，其實時性能和內核的健壯性早已經在大量的實際應用中得到了證實。
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、電流信號進行采樣，A/D轉換；對所采集到的數據進行計算分析，得出各種監測指標參數；對所有指標參數進行統計分析，處理液晶顯示和鍵盤掃描，響應按鍵命令，進行數據通信處理。在對電壓、電流模擬通道信號的采樣和A/D轉換過程中，為保證嚴格的等時間間隔，將這部分事件處理放到實時器中斷中進行。數字信號分析處理作為一個程序模塊，完成數據的分析運行。鍵盤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，直接影響到用戶使用的滿意程序。在單任務系統中，程序循環的周期不確定，因此鍵盤掃描周期無法確定。當程序運算量較大時，容易造成明顯的鍵盤響應遲鈍。鍵盤掃描周期很大程序上受到主程序循環時序的影響，而且，當主程序中某個程序模塊出現問題時，將出現程序卡住，直到看門狗復位為止。
在多任務系統中，這些問題可以得到很好的解決。利用嵌入式實時操作系統內核對所有“任務”進行統一調度和管理，使CPU的使用權在建立的“任務”間切換；同時，在多任務機制下，使應用程序模塊化，使開發任務層次化。
整個系統的設計可以分為三個層次：最底層為硬件平臺是，包含微處理器系統及相關應用電路，第二層為任務層，包含電路驅動程序和應用程序；最高一層為μC/OS-II操作系統層，是整個系統的管理核心，如圖1所示。
2 硬件描述
配電監測終端的設計采用定點DSP TMS320F206作為處理器。它是采用先進的改進型哈佛結構、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。數據采集部分用來對電壓、電流信號進行采樣和A/D轉換；液晶顯示和鍵盤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丟失。
3 系統軟件設計
按系統所要求實現的功能，將整個系統劃分為幾個并行存在的任務層。占先式操作系統對任務的調度是按優先權的高低進行的，將系統的幾個任務按其優先級從高到低順序排列依次是：系統監視任務、鍵盤掃描和液晶顯示任務、通信任務、數據運算統計處理任務。數據采集部分放到定時器中斷程序中執行。其中，系統監視任務是用來監視除系統監視任務外其它任務的。當被監視任務在執行過程中出現差錯時，系統監視任務將按照預先設定的處理表對其進行處理，使出現差錯的任務恢復正常運行，提高系統運行的可靠性。優先權的設置是按照整個系統運行的時序來確定的，對系統安全運行較重要和對實時性要求較嚴格的任務，設成較高的優先級。一般而言，在系統運行過程中，各任務的優先級是固定不變的。
μC/OS-II控制下的任務可以分為休眠態、就緒態、運行態、中斷態和掛起態。在嵌入式系統中，為節省存儲器空間不會保留休眠態的任務。當某個任務正在占用CPU的使用權時，該任務處于運行態。處于運行態任務的優先權一定高于其它所有就緒態任務的優先權。當系統運行致使某一就緒態任務優先權高于運行態任務的優先權時，調用調度函數，運行態任務將轉入掛起態等待某一消息或信號量，或者轉入就緒態；而那個擁有較高優先權的任務將占有CPU的使用權而轉為運行態。某一時刻只有個任務占有CPU的使用權，也就是說，某一時刻只有一個任務處于運行狀態。掛起態的任務在所規定的時間內，如果得到所期待的數據（可能是消息陣列，也可能是信號量），就自動轉為就緒態；如果等待超時，就被時間管理函數強制轉化為就緒態，等待任務調度。中斷發生時，系統將強行剝奪運行態任務對CPU的使用權，將它轉入中斷態，保存相關數據到堆棧區之后，執行中斷服務程序。在中斷返回時，系統返回函數將重新進行任務調度，將優先權最高的就緒態任務轉為運行態。
在實際系統中，每個任務都是一個無限循環的，分別實現某一特定的功能，由μC/OS-II內核來進行調度。電力行業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，有時會引起程序跑飛、死機現象，直到看門狗復位可使系統恢復正常；但在看門狗復位這段時間內，設備對電流、電壓的采樣不能正常進行，相關采樣數據就會丟失，直接影響到電能量計算的準確度，同時會影響到數據通信。筆者利用軟件狗的原理設計了一個系統監視任務，用來對其它任務進行監視。在系統運行中，當發現某一個任務運行出現異常時，該任務將按相關步驟做出相應處理。具體做法是：系統監視任務在正常運行情況下處于掛起狀態，在某一時間范圍內，等待每個被監視任務向它發送代表該被監視任務正常運行的消息。每個被監視的任務在運行狀態下向
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