嵌入式系统在配电自动化中的应用

 嵌入式系统在配电自动化中的应用

一、 国内配网自动化系统建设的现状和前景
1、 国内配网自动化系统建设的现状
长期以来，我国电力部门重发电，轻用电的现象比较严重，将主要精力放在大电网、大机组上，对配电网用电质量及可靠性关心不够，忽视了配电网的重要性和特殊性，使配电网技术发展受到严重的影响，造成了配电网供电可靠性差、设备落后、不安全的因素较多等状况。
近几年来，随着我国输电网自动化程度的提高，地、县调系统及无人值守变电站的综合自动化程度也随之迅速发展与提高。随之而来的是大家对配电网的重要性有了新的认识，意识到了加快配电网自动化的发展，是提高配电网供电可靠性的一个关键环节。

2、 国内配网自动化系统建设的前景
电力系统配电网自动化是当前电网建设和热点，无论是大型、中小型城市都是把电网建设改造及自动化的实施列为工作重点，投入大量的资金和人力，其目的都是为了扩大供电能力，提高供电可靠性，优化电力服务。
现代化社会要求充足、可靠、优质的电能供应。随着城市化的进程和现代化大城市的出现，配电系统的重要性与日惧增。现在，发达国家近半数的电力投资用于配电系统。现代化大都市供电负荷密度大、供电方式复杂、可靠性耍求高，以及供电负荷不断增加、供电网升格快，因此，现代化大都市的配电系统运行、调度、控制和维护都需要十分复杂的技术。

3、 与终端相关的要求
实现"三遥"功能的FTU，基本的遥测、遥控、遥信功能实际上就是对实时数据的采集、预处理和远传，并且接收、处理和执行由远端调度中心下发的调度命令。其中实时数据主要是遥测和遥信数据，其中包括各段母线和各条出线的电流、电压、有功功率和无功功率，FTU并要对所采集量进行数字滤波、整理、暂存和传送等功能，对于遥信量还要求采集各路开关的的状态和对所采集信号进行比较、暂存和传送等功能，并且要随时接收调度端下发的遥控命令，并根据命令内容调用有关的数据，通知相关的控制单元执行遥控动作。
由于城市发展速度越来越快，基于配电网络的建设也要进一步加快脚步，并且要适应社会发展的要求。为了提高供电的可靠性和更优质、安全的服务，不但系统规划和软件要做好，对终端设备的要求就更加高了。由于采集的数据量大而多，并且进行较为复杂的处理，还要在短时间内传送，所以对于设备来说，其数据的实时性、可靠性是很重要的，并且还需要传送通道的可靠和传送速率相配合才能更加有效。

二、 电子技术的发展和嵌入式硬件的优势和应用前景
40年代末发明晶体管，60年代初发明集成电路，自此近半个世纪微电子技术取得了惊人的发展，推动了一大批信息科学技术的进步，带动了物理学、材料科学、化学、数学等一系列学科，改变了人类生产和生活方式，名副其实地已成为现代社会的重要技术支柱之一。
当前，超大规模集成电路的芯片集成度已达到108元件/芯片（动态存贮器DRAM达到每片64兆位～256兆位），商品化的高性能微处理器工作频率达到275兆赫，芯片加工特征线宽达到深半微米（如 0.25微米）；厂商们已着眼于吉位（1000兆位）DRAM的开发，竞相发展功能更强、速度更快的微处理器芯片；在研究上合格的0.1微米MOS器件已研制成功，加工特征线宽已达几十纳米。
可以预期，到21世纪微电子技术仍将沿着原来的发展途径（即按Scalingdown原则）继续高速发展，集成度更高、工作速度更快、功能更强、功耗更低，但价格即大幅度降低的各种微电子产品将不断涌现。与此同时，随着器件尺寸减小到几十纳米范围，MOS器件的正常开关工作将因电子波动性体现而受到限制，简单的schaling down原理将达到极限，人们也普遍地预期，到21世纪，基于某些新原理而工作的器件将"取代"传统器件，而使微电子技术面目一新，它可导致迄今尚难于意料的更大的进展。
嵌入式硬件是基于微处理器的计算硬件，通常安装在单独的电路板上来运行特定的软件程序。嵌入式的设备通常用来构建大的系统的部分构件。嵌入式设备使用来控制设备和外设，例如：I/O端口，网卡和屏幕控制器等。今天的嵌入式设备应用很广，从洗衣机到手持电脑。这些设备必须具有实时性--就是这些设备必须在一定的时间内（不超过应用程序所允许的范围）对外部事件做出响应。 同时也可以处理持续的信息流。

三、 嵌入式操作系统及其应用
1、嵌入式系统的出现及发展
在1970年左右就出现了嵌入式系统的概念，那时候的嵌入式系统很多都不采用操作系统，它们多数只是为了实现某个控制功能，使用一个简单的循环控制对外界的控制请求来进行处理。当应用系统越来越复杂、利用的范围越来越广泛的时候，每添加一项新的功能，都可能需要从头开始设计。没有操作系统已成为一个最大的缺点了。
在整个80年代，嵌入式系统静悄悄地统治着微处理器时代，并把微处理器带入了我们个人和职业生活的每一个角落。
随着二十年的技术变革，出现了很多种不同的嵌入式系统，以前存在的一些嵌入式操作系统也有了新的变革，其中尤其以VxWorks、WinCE、VRTX及近年来越来越多人注意的的嵌入式Linux为代表。他们的出现可以适应不同层次需求，不同价格需求的各种行业。在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后PC（Post-PC）时代，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。

2、嵌入式系统及实时操作系统的概念
嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似与BIOS的工作方式。具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂运作的装置。
实时多任务操作系统（Real Time Operating System）是根据操作系统的工作特性而言的。实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。
实时操作系统在多媒体通信、在线事务处理、生产过程控制、交通控制、通信系统、武器制导等各个领域得到广泛的应用，因而越来越引起人们的重视。实时系统应用的范围很广，按照实时系统在应用中的形态特征可划分为两种应用：嵌入式应用和非嵌入式应用。所谓嵌入式应用，即指实时操作系统本身作为一个大系统的一个部件而内置到该系统中的应用形式。内置这种计算机的系统功能非常强大，具有反应速度快、自动化程度高等特点。

3、几种实时操作系统的介绍
l VxWorks--美国WindRiver公司开发的实时操作系统
1、 系统简介
VxWorks是一个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。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、航空和航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。可见其实时性能非常好，并且只占用很小的存储空间，可高度裁减，从而保证了系统能以较高效率运行。目前，VxWorks已经成为实时上的工业标准和军用标准，大量软硬件厂家都提供基于VxWorks的扩展组件，因此，VxWorks可以在各种CPU硬件平台上提供统一的接口和一致的运行特征，可以以很小的工作量将原有的代码移植到其他不同的处理器上。市场占有率相当高，但是其价格也非常昂贵。
VxWorks嵌入式实时操作系统包括微内核wind、高级的网络支持、强有力的文件系统和I/O管理、C++和其他标准支持等核心功能。这些核心功能还可以与WindRiver公司的其他产品以及320个WindRiver公司的合作伙伴的产品联合使用。

2、 核心--Wind
VxWorks的微内核Wind是一个具有较高性能的、标准的嵌入式实时操作系统内核，其特点是：快速多任务切换、抢占式任务调度、任务间通信手段多样化等。该内核具有任务间切换时间短，中断延迟小，网络流量大等特点，与其他嵌入式实时操作系统相比有一定的优势。
它包括任务调度（采用优先级强占方式），任务间的同步和进程间通信机制以及中断处理、看门狗和内核管理机制。它的多任务环境允许实时应用程序以一套独立任务的方式构筑，每个任务拥有独立的执行线程和它自己的一套系统资源。进程间通信机子使得这些任务的行为能够同步和协调进行。
Wind使用中断驱动和优先级方式，缩短了上下文转换的时间开销和中断的时延。在VxWorks中，任何例程都可以启动为一个单独的任务，拥有它自己的上下文和堆栈。还有一些其他的任务机制可以使任务挂起、继续、删除、延时或改变优先级。
Wind提供信号量作为任务间同步和互斥的机制。在Wind中有几种类型的信号量，它们分别针对不同的应用需求：二进制信号量、计数信号量、互斥信号量和POSIX信号量。所有的这些信号量都是快速和高效的，它们除了被应用在开发设计过程中外，还被广泛地应用在VxWorks高层应用系统中。对于进程间通信，Wind也提供了诸如消息队列、管道、套接字和信号等机制。

3、 系统特点
VxWorks系统具有较好的可剪裁的能力；支持应用程序的动态链接和动态下载，使开发者省去了每次调试都将应用程序与操作系统内核进行链接和下载的步骤，缩短了编辑/调试的周期；具有较好的兼容性。
任务管理包括：无数多个任务，256个优先级；具有优先级排队和时间片轮转调度；上下文切换；二进制、计数、有优先级继承特性的互斥信号灯；POSIX管道、记数信号量、消息队列、信号和调度；共享内存(shared memory)；动态内存管理；系统时钟和计时工具等方面。
网络支持包括：TCP、IP、UDP、标准Berkeley 套接口、SNTP、FTP等常用协议。
I/O和文件系统：POSIX 异步I/O和目录管理、SCSI 支持、兼容MS-DOS文件系统、PCMCIA支持。
目标机开发特性：完全兼容ANSI C和C++的异常处理和模板支持；目标机shell上的交互式C解释器；符号调试和反汇编；强大的性能监视功能；动态连接装载、可以从ROM、本地磁盘或通过网络启动；通过以太网、串行线、ICE或ROM仿真器的系统级调试。

l Vrtx--Microtec Research出品
1、 简介
VRTX是一款"老牌"的实时操作系统，在国际RTOS市场中占有率居前五名。VRTX具有一组模块化的编程界面和工具，具有可向上兼容编程接口和面向对象开发的支持。VRTX的特点包括易于载入定制硬件、文件系统支持、ANSI/POSIX接口。VRTX还支持多种网络协议。
高可靠性的VRTX内核唯一通过 FAA RTCA/DO-178B-A认证，具有高性能，短延迟，高可靠等特点 。VRTX 依托客户-服务器网络调试模式的Spectra 开发平台，工业标准的XRAY 多任务调试器以及Microtec 优化C/C++技术，向用户提供了业界唯一无须组合第三方工具的RTOS开发系统。

2、 主要特点
VRTX使用抢先算法和基本优先级调度表法来管理多任务。你可以在创建任务时给每个任务分配一个优先级，也可以在执行时动态修改。当同时有不止一个任务就绪，VRTX选择高优先级别任务，另外当执行系统调用就绪一个任务后，VRTX检查该任务优先级，以确保高优先级的任务正在执行。VRTX允许你动态地创建、删除、恢复和挂起任务。当在系统中有多个相同优先级的任务时，你可以通过给相同优先级的任务分配时间片的方法以阻止某任务占用所有的执行时间来独占CPU。当你开放时间片时，按照系统定义的周期采用时间片轮转法执行相同优先级的任务。
VRTX是确定性的，它支持多任务系统而不牺牲性能。VRTX的性能独立于许多系统变量。例如队列邮箱、中断和任务进程调度占用的时间。实际上是固定的固定消耗算法保证了可预测的调度进程。
VRTX为应用程序提供了一个服务集。它支持一个可应答听完全的实时应用系统的实现VRTX x86/rm 的服务包括：任务服务任务服务、任务间同步和通讯、内存管理、实时时钟服务、字符I/O 服务、中断管理服务。
可以用80x86的软中断，而不用过程或函数调用来引用VRTX服务。这样就不必连接一个应用程序到VRTX。C语言与VRTX的接口通过简单的约定了VRTX编译参数的库例程来实现。

l WinCE--软实时操作系统
Windows CE是面向小内存32位移动智能连接设备而开发的模块化实时嵌入式操作系统。Windows CE将Windows兼容性和应用程序服务与多CPU结构支持和内建网络通信选项相结合，为创建多种类型产品的努力提供了一个功能丰富的可伸缩开放式基础。Windows CE可为消费者电子设备、Web终端、Internet访问应用设备、专用工业控制器、移动数据获取手持设备及嵌入式通信设备提供软件系统驱动。这个高度模块化的系统平台可使开发商以灵活而可靠的方式创建出新一代具备较低内存占用水平的32位移动设备，从而，实现Windows与Internet之间的无缝化集成。
Windows CE操作系统的核心全部是由C语言开发的，操作系统本身还包含许多由各个厂家用C和汇编语言开发的驱动程序。其内核提供内存管理、抢先多任务和中断处理功能。内核的上面是图形用户界面GUI和桌面应用程序。在GUI内部运行着所有的应用程序，而且多个应用程序可以同时运行。
Windows CE是专门为体积小、资源要求低、便携式的机器而设计的，主要应用与掌上型、手持式PC。所以，其系统的实时性能不是很好，只是属于软实时操作系统。

l RT-Linux--硬实时操作系统，稳定
1、 简介
RT-Linux是由NMT（新墨西哥科技大学）最早开发的硬实时操作系统。截至目前为止，RT-Linux已成功地应用于从航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控到电影特技图像处理等广泛的应用领域。RT-Linux开发者并没有针对实时操作系统的特性重写Linux的内核，这样做工作量会非常大，而且要保证兼容性也非常困难。为此，RT-Linux提供了一个精巧的实时内核，并把标准的Linux核心作为实时核心的一个进程同用户的实时进程一起调度，这样做的好处是对Linux的改动量最小，充分利用了Linux平台下现有的丰富的软件资源。
在国际市场上，RT-Linux (RTL:Original和RTL:BSD)是一款由FSMLabs公司开发、推广以及支持的快速、高效的实时操作系统，它运行在Linux或者NetBSD之上。RT-Linux的专利技术提供高度的实时性能，开发人员可以利用RT-Linux提供的特性，方便地构建一个高性能的RT-Linux实时组件，以微秒级的响应时间内在Linux系统上的数据库服务器和Web服务器之间建立连接。RT-Linux分为两个商用支持版本：开放版 (GPL)和专业版 (二进制形式发布)。专业版支持更多的硬件体系结构，以及包括开放版中没有的性能和特征。

2、 内核
RT-Linux在标准Linux的基础上加载一个精巧的实时内核，使不是real time工作的Linux成为一个实时操作系统。在RT-Linux中的实时工作（realtime task）其实并不是一个Linux的进程，而是一个Linux的可加载式核心模块。RT-Linux部分支持POSIX.1b标准，实现了一个小的实时核心，仅支持底层任务创建、中断服务例程的装入 、底层任务通信队列、中断服务例程(ISR)和Linux进程。原来的非实时Linux核心作为一 个可抢先的任务运行于这个小核心之上，所有的任务都在核心地址空间运行。它不同于 微内核和大型内核，属于实时EXE (realtime executive)体系结构。其可靠性和可维护性对电信服务系统来说都不够理想。
RT-Linux有两个域：一个是实时域，一个是非实时域。实时域中的函数可以满足自身的实时要求， 但是这些函数必须简单，因为可供它们使用的资源是有限的。另一方面，非实时功能模块有许多可用的资源，但是不能有任何实时要求。 RT Linux提供了两个域之间进行通讯的工具。设计者将R- Linux设计为可抢先执行，它将中断分为两组：由RT Linux控制的可抢先中断和由Linux 控制的不可抢先中断。Linux中断不能中断核心的运行，RT-Linux中断则可以根据需要中断核心的运行。
POSIX是为保证UNIX系统的兼容和可移植性而建立的国际标准，在POSIX1.b中，规定 了一些 实时特性，Linux中已开始实现这些特性，但由于Linux内核的不可抢先性（nonpreemtable）， 无法在标准的Linux环境下实现真正的实时应用。而RT-Linux用巧妙的技术解决了此问题 。RTLinux实现了一个高效的可抢先的实时调度核心，并把Linux作为此核心的一个优 先级最 低的进程运行，用户可以编写自己的实时进程，和标准Linux共同运行。 为了达到中断的实时响应，RT-Linux接收所有中断，然后传给Linux内核处理，因此当Linux 内核屏蔽中断时，不影响中断的处理，据测试，在Pentium 120的PC上，Linux中断延迟是 20 uS左右。
KURT和RT-Linux都在系统时间片的细化方面作了较大的修改，主要采用的是动态切分时间片的方法，对于实时线程，就把时间片切得尽量小，对于非实时线程，就把时间片切得大些，这样就最大程度上保证了原系统的正常运行。现在KURT和RT-Linux都可以达到10us的控制精度。

3、 系统特点
RT-Linux的设计者们在操作系统的底层实现了一个简单的实时核心，而Linux本身将作为一个具有最低优先级的任务在核心中运行，它在任意时刻都可以被高优先级任务抢先。 从严格意义上讲，RT-Linux只是Linux的某种变种，它提供实时应用程序所需的控制功能，这使得RT- Linux成为Linux 的一个新版本。RT-Linux几乎完全依赖Linux来提供所需的服务，而它自身只提供任务创建、中断服务例程的安装、任务间通讯的排队、ISR及Linux 进程。
RT-Linux（实时扩展的 Linux 系统）里含有时间紧要的函数可以用中断管理器来精确控制中断处理，从而很好地确保了关键性中断可以在需要时得到执行。这种方法的硬度主要取决于 CPU 中断结构和环境转换的硬件支持。这种方法可以满足广泛范围内的实时要求。即使没有实时扩展，Linux 也能很好地处理多个事件流。
RT-Linux在操作系统之下实现了一个简单的实时核心，Linux本身作为一个可抢占的任务在核内运行，优先级最低，随时会被高优先级任务抢占。用户可自行编写调度程序，它们可实现为可加载的核心模块；已实现的调度程序有：基于优先级的抢占式调度和EDF调度； 基于优先级的调度使用"单调率算法"，它直接支持周期任务。
用户可得到UNIX的全部开发工具，可使用市场上便宜又常见的硬件。程序源代码全部公开，任何人都可以修改源代码并在GNU通用公共许可证下发行修改后的源代码。

四、 基于RTOS的配电监控终端FTU

参考文献：
《电力系统配电网自动化的 应用现状及展望》----河南尉氏县供电局(银海电力)
《VxWorks操作系统指南》