毕业设计(论文)-VxWorks嵌入式系统在电力自动化设备中的应用.doc
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1、第一章 绪论1 课题研究背景1.1 嵌入式电力自动化设备简介嵌入式系统的应用遍及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域。它在电力系统中的应用也有着悠久的历史。它广泛地用于数据采集、自动装置、仪表检测、集散控制(DCS)等各个领域,其中较为典型的是数据采集与监控(SCADA)、微机保护、暂稳控制(自动装置)、能量计费等方面。随着嵌入式技术在电力自动化设备中的应用发展,电力系统对嵌入式电力设备的要求不断提高,并且由于电力系统本身的特殊性,它需要这些嵌入式系统具备强的实时性、高可靠性、高扩展性、更强的网络通信能力及更友好强大的人机交互界面。它们不仅对硬件要求高,而且对嵌入式
2、软件的要求也不断增加,从而引进了嵌入式实时操作系统,这些操作系统可裁减的微内核结构、高效的多任务优先级管理、强的可移植性和扩展性和微秒级的中断管理等都更加有利于控制效率的提高,并且更容易满足这些方面的需要14。1.2 RTOS简介1.2.1 RTOS基本概念RTOS也就是Real Time Operation System,实时操作系统。实时操作系统是指系统能及时响应外部事件的请求,在规定时间内对该事件进行处理,并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。IEEE的实时Unix分委会认为,实时操作系统应具备以下几点要求2:1)异步的事件相应;2)切换时间和中断延迟时间确定;3)优先级中断和调度;
3、4)抢占式调度;5)内存锁定;6)连续文件;7)同步。从实时系统的应用特点来看,实时操作系统可分为两种:一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。一般实时操作系统应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统,并且提供了开发、调试、运用一致的环境;嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统,而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的,嵌入式实时操作系统具有规模小、可固化使用、实时性强等特点。由于很多嵌入式系统都有实时要求,在很多情况下RTOS所指的实时操作系统就是嵌入式实时操作系统,本文中的RTOS嵌入到电力设备当中,因此本文中所指操作系统具体来讲就是嵌入式实时操作系统。
4、嵌入式实时操作系统具有确定性、响应性、用户控制、可靠性和软失败操作的特点。其中的确定性和响应性共同构成了对于外部时间的响应时间。1.2.2 RTOS与一般操作系统的比较通用操作系统是由分时操作系统发展而来,分时操作系统的基本设计原则是:尽量缩短系统的平均响应时间并提高系统的吞吐率,在单位时间内为尽可能多的用户请求提供服务。通用操作系统中采用的很多策略和技巧都体现出了这种设计原则,这种注重平均表现的原则体现了一般操作系统和实时操作系统的差别。而对于实时操作系统除了要满足应用的功能需求以外,更重要的是还要满足应用提出的实时性要求。由此实时操作系统所遵循的最重要的设计原则是:采用各种算法和策略,始终
5、保证系统行为的可预测性(predictability)。可预测性是指在系统运行的任何时刻,在任何情况下,实时操作系统的资源调配策略都能为争夺资源的多个实时任务合理地分配资源,使每个实时任务的实时性要求都能得到满足。与通用操作系统不同,实时操作系统注重的是个体表现,更准确地讲是个体最坏情况表现。实时操作系统与通用操作系统基本设计原则的差别造成它们在很多资源调度策略的选择上以及操作系统实现的方法上两者都具有较大的差异,这些差异主要体现在以下几点:1)任务调度策略;2)内存管理;3)中断处理;4)共享资源的互斥访问;5)系统调用以及系统内部操作的时间开销;6)系统的可重入性;7)辅助工具。实际中对实
6、时系统的需要造就了实时操作系统与普通操作系统的诸多不同点,而这些操作系统内部机制的不同最终仍是为应用服务。1.2.3 RTOS的发展实时操作系统的研究是从20世纪60年代开始的,早期的实时操作系统还不能称为真正的RTOS,它只是小而简单的、带有一定专用性的软件,功能较弱,可以认为是一种实时监控程序。应用程序、实时监控程序和硬件运行平台往往是紧密联系在一起的。这时期的开发工具也很简单,主要用于创建和调试软件,而软件差不多总是用汇编语言或宏语言来编写。随着应用的发展,早期的“实时监控程序”越来越显示出明显的不足。为满足实时应用的需要,在20世纪70年代后期开始出现了一些专用实时操作系统,这些专用操
7、作系统中许多都是用汇编语言实现的,并仅能用于为其编写的微处理器上。它是在早期用户为满足自身开发需要而研制的,一般只能适用于特定的硬件环境,且缺乏严格的评测,移植性也不太好。商业RTOS是基于UNIX思想的实时多任务操作系统。它在20世纪80年代获得了蓬勃发展。20世纪80年代早期出现了Wendon操作系统,它是一个开发套件,人们可以通过选择一些组件来构建自己的OS。80年代后期,国外提出了微内核的思想,即将传统操作系统中的许多共性的东西抽象出来,构成操作系统的公共基础(微内核)2。真正具体的操作系统功能则由构造在微内核之外的服务器实现。这是一种机制与策略分离的开放式设计思路。在理论上,这种方法
8、提供了高度的灵活性、模块性和可移植性。近10年来,嵌入式实时操作系统得到了飞速的发展,如今已经有许多商业性操作系统可供选择,进而出现了许多互相竞争的产品,如Integrated System公司(已被windRiver公司收购)的pSOS、Intel公司的iRMX386、Ready System公司(后与Microtec Research合并)的VRTX32、WindRiver System提供的VxWorks等。他们一般都提供了实时性较好的内核、多种任务通信机制、基于TCP/IP的网络组件、文件管理及I/O服务,提供了集编辑、编译、调试、仿真为一体的集成开发环境。RTOS越来越灵活而完善的功
9、能,越来越方便的调试和开发环境使其成为开发实时系统的方便、灵活、必不可少的一部分。1.2.4 RTOS在电力通信设备中的应用RTOS由于其实时性、可嵌入等特点在很多领域得到了广泛应用,如:金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等。它渗透到了生活中的各个角落,电力系统也不例外。电力系统是一个复杂的非线性、高维、互联大系统13,不同的应用场所需求各异,尤其是在对通信要求比较高的场合,嵌入式实时操作系统以其内嵌的可选通信组件、针对实时性的调度机制和可裁减的内核充分表现出了它的优越性、方便性和适用性。有很多的嵌入式电力设备都使用了嵌入式实时操作系统,包括监测仪表、一些测量和自动装置。现
10、在提出很多新的基于通信的嵌入式系统如:基于以太网或GSM网的嵌入式电能量遥测系统、应用于变电站通信系统中的嵌入式以太网还有一些使用web服务器技术进行网络视频监控、远程监测和故障诊断技术。现在ABB公司开发的REF542 plus新一代综合保护和控制继电器中已集成了嵌入式web服务器技术,可实现基于浏览器或当地控制装置进行实时控制;东方电子信息产业股份有限公司开发的DF3600系统也可实现类似功能。1.3 课题的提出及意义由于在变电站综合自动化的发展过程中,它对通信的要求不断上升,有更大量的数据需要进行通信,因此,提高嵌入式设备的通信性能变得非常迫切,本课题把嵌入式实时操作系统VxWorks引
11、入到了嵌入式通信设备当中,顺应了这种需求。本课题的主要内容就是把当今广泛被应用的操作系统VxWorks应用到以MPC860T为核心的目标电力设备上,此设备为变电站综合自动化的一部分,是从LON网和CAN网到以太网的一个转接板,需要有大量的通信数据需要处理,VxWorks的采用为这种大量的通信处理提供了强有力的后台支柱。操作系统本身的可靠性、灵活性、稳定性、高实时性和强大的通信功能也能直接影响到应用它的电力自动化设备,它的应用提高了嵌入式电力设备的性能。因此VxWorks的这种应用顺应了嵌入式电力系统设备自动化的需求,推动了变电站综合自动化的发展。第二章 实时操作系统平台VxWorks2.1 V
12、xWorks实时操作系统2.1.1 VxWorks实时操作系统简介VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1987年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)2。是Windriver公司开发专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件,为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理,实时的系统资源以及实时的任务间通信。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身,而不必再去关心系统资源的管理。2.1.1.1 VxWorks的特点21)高性能的操作系统内核Wind:该内核具任务间切换时间短、中断延迟小、网络流量大的特点;2)友好的开发调试环境:Tornado是VxWorks的应用开发环
13、境,它可运行在多种主机上,便于操作、配置和应用程序的开发调试。系统的各项配置都使用比较流行的图形界面,方便了使用者较快的理解和掌握。VxWorks支持应用程序的动态链接和动态下载,简化了开发步骤,缩短了编辑调试周期,方便了开发。;3)较好的兼容性:其TCP/IP协议栈部分与BSD4.4版本除在实时性方面有较大差别外,其它方面基本兼容;VxWorks是第一个通过windowsNT测试的,可在windowsNT平台进行开发和仿真的嵌入式实时操作系统;VxWorks支持ANSI C标准,并通过ISO9001认证;4)支持多种开发和运行环境:VxWorks开发环境支持的主机包括Sun、HP、IBM-r
14、s6000等多类主机,系统的运行环境支持包括PowerPC、68K、CPU32、SPARC等众多的CPU及支持RISC、DSP等技术。2.1.1.2 VxWorks的主要功能VxWorks的系统功能主要有:1)可裁剪微内核结构;2)高效的任务管理;3)多任务,具有256个优先级;4)具有优先级排队和循环调度;5)快速的、确定性的上下文切换;6)灵活的任务间通讯:三种信号灯;消息队列;套接字(Socket);共享内存;信号(Signals)等;7)微秒级的中断处理;8)支持POSIX 1003.1b实时扩展标准;9)支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议;10)灵活的引导方式。支持
15、从ROM、flash、本地盘(软盘或硬盘)或网络引导;11)支持多处理器并行处理;12)快速灵活的I/O系统;13)支持MS-DOS和RT11文件系统;14)支持本地盘,flash,CD-ROM的使用;15)完全符合ANSI C标准;16)1100多个系统调用。这些系统功能及对标准的支持方便了编程人员,其强大的系统调用和可裁减的内核使得它的应用更为灵活和广泛。2.1.1.3 VxWorks的适用环境VxWorks是交叉开发环境的一个组成部分,运行在目标机(target)上,而程序的开发则在主机(Host)上进行,主机上需安装开发环境Tornado。在主机和目标机间提供TCP/IP(底层为以太网
16、或串口)等通信方式。可运行开发环境Tornado的主机有2:Unix工作站、PC机(包括各windows的操作系统)等。可运行VxWorks的目标机有2:PowerPC、68K、CPU32等各类厂家生产的目标CPU。2.1.2 VxWorks的基本结构VxWorks操作系统包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分。VxWorks的各部分整体结构图如图2.1所示1。VxWorks主要由以下五个部分组成:1)高性能的实时操作系统核心VxWorks的核心被称作wind,包括多任务调度机制,任务间的同步和进程间通信机制以及中断处理,看门狗和内存管理机制。2)板级支
17、持包BSP(Board Support Package)板级支持包对各种板子的硬件功能提供了统一的软件接口,它包括硬件初始化、中断的产生和处理、硬件时钟和计时器管理、局域和总线内存地址映射、内存分配等等。每个板级支持包括一个ROM启动(Boot ROM)或其它启动机制。3)网络系统VxWorks的网络提供了对其它网络和TCP/IP网络系统的透明访问,包括与BSD套接字兼容的编程接口,远程过程调用(RPC),SNMP(可选项),远程文件访问(包括客户端和服务端的NFS机制以及使用RSH,FTP或TFTP的非NFS机制)以及BOOTP和ARP代理。无论是松耦合的串行线路、标准的以太网连接还是紧耦合
18、的利用共享内存的背板总线,所有的VxWorks网络机制都遵循标准的Internet协议。图2.1 vxworks的系统结构4)文件系统VxWorks提供的快速文件系统适合于实时系统应用。它包括几种支持使用块设备(如磁盘)和支持SCSI磁带设备的本地文件系统。VxWorks I/O体系结构甚至还支持在一个单独的VxWorks系统上同时并存几个不同的文件系统。VxWorks支持四种文件系统:dosFs、rt11Fs、rawFs和tapeFs。另一方面,普通数据文件,外部设备都统一作为文件处理。它们在用户面前有相同的语法定义,使用相同的保护机制。这样既简化了系统设计又便于用户使用。5)I/O系统Vx
19、Works提供了一个快速灵活的与ANSI C兼容的I/O系统,包括UNIX标准的缓冲I/O和POSIX标准的异步I/O。VxWorks包括以下驱动程序:网络驱动、管道驱动、RAM盘驱动、SCSI驱动、键盘驱动、显示驱动、磁盘驱动和并口驱动等。2.1.3为什么选择VxWorks选择一个合适的操作系统,需要从各个方面来考虑,VxWorks以其优秀的性能成为最受欢迎的操作系统之一,也成为我们需要的操作系统,主要包括以下几个方面:1)可靠性操作系统的用户希望在一个工作稳定,可以信赖的环境中工作,所以操作系统的可靠性是首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是VxWorks的一个突出优点。自从对中国的销售解禁
20、以来,VxWorks以其良好的可靠性在中国赢得了越来越多的用户。2)实时性实时性的强弱是以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量的。在变电站内的通信中,控制和数据信息能够及时获取、及时反应对于电力系统的安全可靠运行非常重要,因此为这些嵌入式通信设备实现良好的实时性能就显得必不可少。可以通过采用提高硬件能力的办法来提高一个系统的实时性,本文所采用的MPC860T是具有以太网控制功能的powerpc,它有足够的处理能力,内置的中断控制器也有足够的事件响应和控制能力;但只考虑硬件是不够的,还必须有一个实时操作系统。VxWorks的实时性做得非常好,其系统本身的开销很小,进程调度、进程间通信、中断处理
21、等系统公用程序精练而有效,它们造成的延迟很短。VxWorks提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占和轮转调度机制5,也充分保证了可靠的实时性,使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求,为应用的开发留下更大的余地。3)可裁减性用户在使用操作系统时,并不是操作系统中的每一个部件都要用到。如图形显示和一些设备驱动往往并不使用。在一些嵌入式系统中,由于硬件资源非常有限,包括FLASH和DRAM的容量都很有限,而操作系统映像就被装在这有限的FLASH存储器中,运行于这有限的DRAM中,为了节省存储器空间、提高运行效率,我们需要根据自己的应用裁减操作系统。VxWorks由一个体积很小的内核及一些可以
22、根据需要进行定制的系统模块组成。VxWorks内核最小为8kB,即便加上其它必要模块,所占用的空间也很小,且不失其实时、多任务的系统特征5。在实际应用中,加上一些必需的模块,系统最小能达到32kB,一般情况下不小于64kB。由于它的高度灵活性,我们可以很容易地对这一操作系统进行定制或作适当开发,来满足自己的实际应用需要。4)开放性VxWorks有着良好的开放性。鉴于其拥有良好的声誉和众多的用户,众多第三方厂商开发了基于VxWorks的软件产品,我们可以根据需要购买一些我们感兴趣的第三方产品,从而缩短产品的开发周期,占得市场先机。5)易用性开发系统的易用性也是大多数用户非常关心的问题。Torna
23、do是VxWorks的应用开发环境,它提供了几套非常强大的开发工具,其简洁的机制、良好的操作界面和强大的功能极大地方便了开发人员的开发工作,提高了开发效率。2.1.4 VxWorks的应用现状VxWorks是当今最被广泛应用的操作系统,它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中,如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的F-16、FA-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上,甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用到了VxWorks。如今随着电力系统的发展,电力系统装备的自动化水平不断提高,尤其在一些实时
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