?嵌入式系統在配電自動化中的應用

一、 國內配網自動化系統建設的現狀和前景
1、 國內配網自動化系統建設的現狀
長期以來，我國電力部門重發電，輕用電的現象比較嚴重，將主要精力放在大電網、大機組上，對配電網用電質量及可靠性關心不夠，忽視了配電網的重要性和特殊性，使配電網技術發展受到嚴重的影響，造成了配電網供電可靠性差、設備落后、不安全的因素較多等狀況。
近幾年來，隨著我國輸電網自動化程度的提高，地、縣調系統及無人值守變電站的綜合自動化程度也隨之迅速發展與提高。隨之而來的是大家對配電網的重要性有了新的認識，意識到了加快配電網自動化的發展，是提高配電網供電可靠性的一個關鍵環節。

2、 國內配網自動化系統建設的前景
電力系統配電網自動化是當前電網建設和熱點，無論是大型、中小型城市都是把電網建設改造及自動化的實施列為工作重點，投入大量的資金和人力，其目的都是為了擴大供電能力，提高供電可靠性，優化電力服務。
現代化社會要求充足、可靠、優質的電能供應。隨著城市化的進程和現代化大城市的出現，配電系統的重要性與日懼增。現在，發達國家近半數的電力投資用于配電系統。現代化大都市供電負荷密度大、供電方式復雜、可靠性耍求高，以及供電負荷不斷增加、供電網升格快，因此，現代化大都市的配電系統運行、調度、控制和維護都需要十分復雜的技術。

3、 與終端相關的要求
實現"三遙"功能的FTU，基本的遙測、遙控、遙信功能實際上就是對實時數據的采集、預處理和遠傳，并且接收、處理和執行由遠端調度中心下發的調度命令。其中實時數據主要是遙測和遙信數據，其中包括各段母線和各條出線的電流、電壓、有功功率和無功功率，FTU并要對所采集量進行數字濾波、整理、暫存和傳送等功能，對于遙信量還要求采集各路開關的的狀態和對所采集信號進行比較、暫存和傳送等功能，并且要隨時接收調度端下發的遙控命令，并根據命令內容調用有關的數據，通知相關的控制單元執行遙控動作。
由于城市發展速度越來越快，基于配電網絡的建設也要進一步加快腳步，并且要適應社會發展的要求。為了提高供電的可靠性和更優質、安全的服務，不但系統規劃和軟件要做好，對終端設備的要求就更加高了。由于采集的數據量大而多，并且進行較為復雜的處理，還要在短時間內傳送，所以對于設備來說，其數據的實時性、可靠性是很重要的，并且還需要傳送通道的可靠和傳送速率相配合才能更加有效。

二、 電子技術的發展和嵌入式硬件的優勢和應用前景
40年代末發明晶體管，60年代初發明集成電路，自此近半個世紀微電子技術取得了驚人的發展，推動了一大批信息科學技術的進步，帶動了物理學、材料科學、化學、數學等一系列學科，改變了人類生產和生活方式，名副其實地已成為現代社會的重要技術支柱之一。
當前，超大規模集成電路的芯片集成度已達到108元件/芯片（動態存貯器DRAM達到每片64兆位～256兆位），商品化的高性能微處理器工作頻率達到275兆赫，芯片加工特征線寬達到深半微米（如 0.25微米）；廠商們已著眼于吉位（1000兆位）DRAM的開發，競相發展功能更強、速度更快的微處理器芯片；在研究上合格的0.1微米MOS器件已研制成功，加工特征線寬已達幾十納米。
可以預期，到21世紀微電子技術仍將沿著原來的發展途徑（即按Scalingdown原則）繼續高速發展，集成度更高、工作速度更快、功能更強、功耗更低，但價格即大幅度降低的各種微電子產品將不斷涌現。與此同時，隨著器件尺寸減小到幾十納米范圍，MOS器件的正常開關工作將因電子波動性體現而受到限制，簡單的schaling down原理將達到極限，人們也普遍地預期，到21世紀，基于某些新原理而工作的器件將"取代"傳統器件，而使微電子技術面目一新，它可導致迄今尚難于意料的更大的進展。
嵌入式硬件是基于微處理器的計算硬件，通常安裝在單獨的電路板上來運行特定的軟件程序。嵌入式的設備通常用來構建大的系統的部分構件。嵌入式設備使用來控制設備和外設，例如：I/O端口，網卡和屏幕控制器等。今天的嵌入式設備應用很廣，從洗衣機到手持電腦。這些設備必須具有實時性--就是這些設備必須在一定的時間內（不超過應用程序所允許的范圍）對外部事件做出響應。 同時也可以處理持續的信息流。

三、 嵌入式操作系統及其應用
1、嵌入式系統的出現及發展
在1970年左右就出現了嵌入式系統的概念，那時候的嵌入式系統很多都不采用操作系統，它們多數只是為了實現某個控制功能，使用一個簡單的循環控制對外界的控制請求來進行處理。當應用系統越來越復雜、利用的范圍越來越廣泛的時候，每添加一項新的功能，都可能需要從頭開始設計。沒有操作系統已成為一個最大的缺點了。
在整個80年代，嵌入式系統靜悄悄地統治著微處理器時代，并把微處理器帶入了我們個人和職業生活的每一個角落。
隨著二十年的技術變革，出現了很多種不同的嵌入式系統，以前存在的一些嵌入式操作系統也有了新的變革，其中尤其以VxWorks、WinCE、VRTX及近年來越來越多人注意的的嵌入式Linux為代表。他們的出現可以適應不同層次需求，不同價格需求的各種行業。在當前數字信息技術和網絡技術高速發展的后PC（Post-PC）時代，嵌入式系統已經廣泛地滲透到科學研究、工程設計、軍事技術、各類產業和商業文化藝術以及人們的日常生活等方方面面中。隨著國內外各種嵌入式產品的進一步開發和推廣，嵌入式技術越來越和人們的生活緊密結合。

2、嵌入式系統及實時操作系統的概念
嵌入式系統是指操作系統和功能軟件集成于計算機硬件系統之中。簡單的說就是系統的應用軟件與系統的硬件一體化，類似與BIOS的工作方式。具有軟件代碼小，高度自動化，響應速度快等特點。特別適合于要求實時的和多任務的體系。嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器或甚至工廠運作的裝置。
實時多任務操作系統（Real Time Operating System）是根據操作系統的工作特性而言的。實時是指物理進程的真實時間。實時操作系統是指具有實時性，能支持實時控制系統工作的操作系統。首要任務是調度一切可利用的資源完成實時控制任務，其次才著眼于提高計算機系統的使用效率，重要特點是要滿足對時間的限制和要求。
實時操作系統在多媒體通信、在線事務處理、生產過程控制、交通控制、通信系統、武器制導等各個領域得到廣泛的應用，因而越來越引起人們的重視。實時系統應用的范圍很廣，按照實時系統在應用中的形態特征可劃分為兩種應用：嵌入式應用和非嵌入式應用。所謂嵌入式應用，即指實時操作系統本身作為一個大系統的一個部件而內置到該系統中的應用形式。內置這種計算機的系統功能非常強大，具有反應速度快、自動化程度高等特點。

3、幾種實時操作系統的介紹
l VxWorks--美國WindRiver公司開發的實時操作系統
1、 系統簡介
VxWorks是一個運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空和航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域中。可見其實時性能非常好，并且只占用很小的存儲空間，可高度裁減，從而保證了系統能以較高效率運行。目前，VxWorks已經成為實時上的工業標準和軍用標準，大量軟硬件廠家都提供基于VxWorks的擴展組件，因此，VxWorks可以在各種CPU硬件平臺上提供統一的接口和一致的運行特征，可以以很小的工作量將原有的代碼移植到其他不同的處理器上。市場占有率相當高，但是其價格也非常昂貴。
VxWorks嵌入式實時操作系統包括微內核wind、高級的網絡支持、強有力的文件系統和I/O管理、C++和其他標準支持等核心功能。這些核心功能還可以與WindRiver公司的其他產品以及320個WindRiver公司的合作伙伴的產品聯合使用。

2、 核心--Wind
VxWorks的微內核Wind是一個具有較高性能的、標準的嵌入式實時操作系統內核，其特點是：快速多任務切換、搶占式任務調度、任務間通信手段多樣化等。該內核具有任務間切換時間短，中斷延遲小，網絡流量大等特點，與其他嵌入式實時操作系統相比有一定的優勢。
它包括任務調度（采用優先級強占方式），任務間的同步和進程間通信機制以及中斷處理、看門狗和內核管理機制。它的多任務環境允許實時應用程序以一套獨立任務的方式構筑，每個任務擁有獨立的執行線程和它自己的一套系統資源。進程間通信機子使得這些任務的行為能夠同步和協調進行。
Wind使用中斷驅動和優先級方式，縮短了上下文轉換的時間開銷和中斷的時延。在VxWorks中，任何例程都可以啟動為一個單獨的任務，擁有它自己的上下文和堆棧。還有一些其他的任務機制可以使任務掛起、繼續、刪除、延時或改變優先級。
Wind提供信號量作為任務間同步和互斥的機制。在Wind中有幾種類型的信號量，它們分別針對不同的應用需求：二進制信號量、計數信號量、互斥信號量和POSIX信號量。所有的這些信號量都是快速和高效的，它們除了被應用在開發設計過程中外，還被廣泛地應用在VxWorks高層應用系統中。對于進程間通信，Wind也提供了諸如消息隊列、管道、套接字和信號等機制。

3、 系統特點
VxWorks系統具有較好的可剪裁的能力；支持應用程序的動態鏈接和動態下載，使開發者省去了每次調試都將應用程序與操作系統內核進行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯/調試的周期；具有較好的兼容性。
任務管理包括：無數多個任務，256個優先級；具有優先級排隊和時間片輪轉調度；上下文切換；二進制、計數、有優先級繼承特性的互斥信號燈；POSIX管道、記數信號量、消息隊列、信號和調度；共享內存(shared memory)；動態內存管理；系統時鐘和計時工具等方面。
網絡支持包括：TCP、IP、UDP、標準Berkeley 套接口、SNTP、FTP等常用協議。
I/O和文件系統：POSIX 異步I/O和目錄管理、SCSI 支持、兼容MS-DOS文件系統、PCMCIA支持。
目標機開發特性：完全兼容ANSI C和C++的異常處理和模板支持；目標機shell上的交互式C解釋器；符號調試和反匯編；強大的性能監視功能；動態連接裝載、可以從ROM、本地磁盤或通過網絡啟動；通過以太網、串行線、ICE或ROM仿真器的系統級調試。

l Vrtx--Microtec Research出品
1、 簡介
VRTX是一款"老牌"的實時操作系統，在國際RTOS市場中占有率居前五名。VRTX具有一組模塊化的編程界面和工具，具有可向上兼容編程接口和面向對象開發的支持。VRTX的特點包括易于載入定制硬件、文件系統支持、ANSI/POSIX接口。VRTX還支持多種網絡協議。
高可靠性的VRTX內核唯一通過 FAA RTCA/DO-178B-A認證，具有高性能，短延遲，高可靠等特點 。VRTX 依托客戶-服務器網絡調試模式的Spectra 開發平臺，工業標準的XRAY 多任務調試器以及Microtec 優化C/C++技術，向用戶提供了業界唯一無須組合第三方工具的RTOS開發系統。

2、 主要特點
VRTX使用搶先算法和基本優先級調度表法來管理多任務。你可以在創建任務時給每個任務分配一個優先級，也可以在執行時動態修改。當同時有不止一個任務就緒，VRTX選擇高優先級別任務，另外當執行系統調用就緒一個任務后，VRTX檢查該任務優先級，以確保高優先級的任務正在執行。VRTX允許你動態地創建、刪除、恢復和掛起任務。當在系統中有多個相同優先級的任務時，你可以通過給相同優先級的任務分配時間片的方法以阻止某任務占用所有的執行時間來獨占CPU。當你開放時間片時，按照系統定義的周期采用時間片輪轉法執行相同優先級的任務。
VRTX是確定性的，它支持多任務系統而不犧牲性能。VRTX的性能獨立于許多系統變量。例如隊列郵箱、中斷和任務進程調度占用的時間。實際上是固定的固定消耗算法保證了可預測的調度進程。
VRTX為應用程序提供了一個服務集。它支持一個可應答聽完全的實時應用系統的實現VRTX x86/rm 的服務包括：任務服務任務服務、任務間同步和通訊、內存管理、實時時鐘服務、字符I/O 服務、中斷管理服務。
可以用80x86的軟中斷，而不用過程或函數調用來引用VRTX服務。這樣就不必連接一個應用程序到VRTX。C語言與VRTX的接口通過簡單的約定了VRTX編譯參數的庫例程來實現。

l WinCE--軟實時操作系統
Windows CE是面向小內存32位移動智能連接設備而開發的模塊化實時嵌入式操作系統。Windows CE將Windows兼容性和應用程序服務與多CPU結構支持和內建網絡通信選項相結合，為創建多種類型產品的努力提供了一個功能豐富的可伸縮開放式基礎。Windows CE可為消費者電子設備、Web終端、Internet訪問應用設備、專用工業控制器、移動數據獲取手持設備及嵌入式通信設備提供軟件系統驅動。這個高度模塊化的系統平臺可使開發商以靈活而可靠的方式創建出新一代具備較低內存占用水平的32位移動設備，從而，實現Windows與Internet之間的無縫化集成。
Windows CE操作系統的核心全部是由C語言開發的，操作系統本身還包含許多由各個廠家用C和匯編語言開發的驅動程序。其內核提供內存管理、搶先多任務和中斷處理功能。內核的上面是圖形用戶界面GUI和桌面應用程序。在GUI內部運行著所有的應用程序，而且多個應用程序可以同時運行。
Windows CE是專門為體積小、資源要求低、便攜式的機器而設計的，主要應用與掌上型、手持式PC。所以，其系統的實時性能不是很好，只是屬于軟實時操作系統。

l RT-Linux--硬實時操作系統，穩定
1、 簡介
RT-Linux是由NMT（新墨西哥科技大學）最早開發的硬實時操作系統。截至目前為止，RT-Linux已成功地應用于從航天飛機的空間數據采集、科學儀器測控到電影特技圖像處理等廣泛的應用領域。RT-Linux開發者并沒有針對實時操作系統的特性重寫Linux的內核，這樣做工作量會非常大，而且要保證兼容性也非常困難。為此，RT-Linux提供了一個精巧的實時內核，并把標準的Linux核心作為實時核心的一個進程同用戶的實時進程一起調度，這樣做的好處是對Linux的改動量最小，充分利用了Linux平臺下現有的豐富的軟件資源。
在國際市場上，RT-Linux (RTL:Original和RTL:BSD)是一款由FSMLabs公司開發、推廣以及支持的快速、高效的實時操作系統，它運行在Linux或者NetBSD之上。RT-Linux的專利技術提供高度的實時性能，開發人員可以利用RT-Linux提供的特性，方便地構建一個高性能的RT-Linux實時組件，以微秒級的響應時間內在Linux系統上的數據庫服務器和Web服務器之間建立連接。RT-Linux分為兩個商用支持版本：開放版 (GPL)和專業版 (二進制形式發布)。專業版支持更多的硬件體系結構，以及包括開放版中沒有的性能和特征。

2、 內核
RT-Linux在標準Linux的基礎上加載一個精巧的實時內核，使不是real time工作的Linux成為一個實時操作系統。在RT-Linux中的實時工作（realtime task）其實并不是一個Linux的進程，而是一個Linux的可加載式核心模塊。RT-Linux部分支持POSIX.1b標準，實現了一個小的實時核心，僅支持底層任務創建、中斷服務例程的裝入 、底層任務通信隊列、中斷服務例程(ISR)和Linux進程。原來的非實時Linux核心作為一 個可搶先的任務運行于這個小核心之上，所有的任務都在核心地址空間運行。它不同于 微內核和大型內核，屬于實時EXE (realtime executive)體系結構。其可靠性和可維護性對電信服務系統來說都不夠理想。
RT-Linux有兩個域：一個是實時域，一個是非實時域。實時域中的函數可以滿足自身的實時要求， 但是這些函數必須簡單，因為可供它們使用的資源是有限的。另一方面，非實時功能模塊有許多可用的資源，但是不能有任何實時要求。 RT Linux提供了兩個域之間進行通訊的工具。設計者將R- Linux設計為可搶先執行，它將中斷分為兩組：由RT Linux控制的可搶先中斷和由Linux 控制的不可搶先中斷。Linux中斷不能中斷核心的運行，RT-Linux中斷則可以根據需要中斷核心的運行。
POSIX是為保證UNIX系統的兼容和可移植性而建立的國際標準，在POSIX1.b中，規定 了一些 實時特性，Linux中已開始實現這些特性，但由于Linux內核的不可搶先性（nonpreemtable）， 無法在標準的Linux環境下實現真正的實時應用。而RT-Linux用巧妙的技術解決了此問題 。RTLinux實現了一個高效的可搶先的實時調度核心，并把Linux作為此核心的一個優 先級最 低的進程運行，用戶可以編寫自己的實時進程，和標準Linux共同運行。 為了達到中斷的實時響應，RT-Linux接收所有中斷，然后傳給Linux內核處理，因此當Linux 內核屏蔽中斷時，不影響中斷的處理，據測試，在Pentium 120的PC上，Linux中斷延遲是 20 uS左右。
KURT和RT-Linux都在系統時間片的細化方面作了較大的修改，主要采用的是動態切分時間片的方法，對于實時線程，就把時間片切得盡量小，對于非實時線程，就把時間片切得大些，這樣就最大程度上保證了原系統的正常運行。現在KURT和RT-Linux都可以達到10us的控制精度。

3、 系統特點
RT-Linux的設計者們在操作系統的底層實現了一個簡單的實時核心，而Linux本身將作為一個具有最低優先級的任務在核心中運行，它在任意時刻都可以被高優先級任務搶先。 從嚴格意義上講，RT-Linux只是Linux的某種變種，它提供實時應用程序所需的控制功能，這使得RT- Linux成為Linux 的一個新版本。RT-Linux幾乎完全依賴Linux來提供所需的服務，而它自身只提供任務創建、中斷服務例程的安裝、任務間通訊的排隊、ISR及Linux 進程。
RT-Linux（實時擴展的 Linux 系統）里含有時間緊要的函數可以用中斷管理器來精確控制中斷處理，從而很好地確保了關鍵性中斷可以在需要時得到執行。這種方法的硬度主要取決于 CPU 中斷結構和環境轉換的硬件支持。這種方法可以滿足廣泛范圍內的實時要求。即使沒有實時擴展，Linux 也能很好地處理多個事件流。
RT-Linux在操作系統之下實現了一個簡單的實時核心，Linux本身作為一個可搶占的任務在核內運行，優先級最低，隨時會被高優先級任務搶占。用戶可自行編寫調度程序，它們可實現為可加載的核心模塊；已實現的調度程序有：基于優先級的搶占式調度和EDF調度； 基于優先級的調度使用"單調率算法"，它直接支持周期任務。
用戶可得到UNIX的全部開發工具，可使用市場上便宜又常見的硬件。程序源代碼全部公開，任何人都可以修改源代碼并在GNU通用公共許可證下發行修改后的源代碼。

四、 基于RTOS的配電監控終端FTU

參考文獻：
《電力系統配電網自動化的 應用現狀及展望》----河南尉氏縣供電局(銀海電力)
《VxWorks操作系統指南》

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的嵌入式系统在配电自动化中的应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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