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1、元器件与集成电路卷 。资篙别一一黄天戍孙夫雄孙涛尹文军 武汉大学电子信息学院湖北武汉旧一一殆习一一 汪井琪下军,、引言目前,我国许多大型电动机保护及监控设备多为传统的热继电器和单片机型,在实时性,可扩展性,人机交互及智能化方面性能较低,较难保证电动机可靠的运行,不能满足生产自动化控制的不断发展和要求,而同时,嵌人式实时操作系统作为专用计算机系统,具有良好的实时和可靠性,在工控领域得到越来越广泛的运用,鉴于此,本课题组设计的电动机智 能保护装置,以一嵌人式实时系统为操作平台,利用先进的尸技术,可极大的提升工厂电动机运行自动化程度。片为微处理器的电动机智能保护装置的系统开发十分适用。一的主要特点如
2、下优先级可剥夺的实时多任务操作系统。可以处理和调度最多达个任务,任务的优先级可以动态调整。提供任务间通信,同步使用的信号一量函数,邮箱和消息 队列。具有良好的可裁减性,可尽量减小系统的尺和大小。等。而利用微处理器快速计算分析能力,满足电动机故障时限反应的要求,弥补继电保护装置的不足。但如果控制系统设计为单片机型,的实时特性就得不到充分的发挥,将。嵌人式操作系统移植到微处理器中,可实时并行运行多个任务,充分发挥的快速计算分析能力,并能准确快速的监控和诊断多台 电机,一实时多任务内核移植到 以为微处理器的电机保护装置,需要根据装置的硬件环境和实现功能做相应的裁减和修改。、嵌入式系统所谓嵌入式系统,
3、即指以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适用对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌人式系统的基础是以应用为中心的”芯片”设计和面向应用软件的软件产品开发。目前市场上的商用嵌人式操作系统产品,如、和如等已经十分成熟,提供有力的开发禾调试工具,但开发成本昂贵,并不适用于一些小型系统的开发,而。一是一种多任务实时操作系统内核源代码公开,其核心代码短小精悍,移植性能较强,刘一于采用芯、电机保护装置的实时系统开发当前继电保护装置动作不灵敏,在过负荷保护中,其反时限特性与电动机实际过负荷能力相差很大,使电动机的过负荷能力得不到充分利用对于不对称故障不能及时有效的保护,玻
4、入式系统的硬徉平台工公司 的为,时钟频率为,位存贮器,位存储器,双路异步串巨诬口巨三口。板一时中一丁丁一巨赢习一一通讯图第了 了期毛奄孑质贵,行通讯及数据采集板等外围电路,如下图所示。型芯片有如下几个主要的特点芯片结构改进型哈佛结构程序和数据空间相互独立,但数据可存放在程序存贮器中,可同时访问指令和数撅指令存储在高速缓存中。流水线取指译码和执行等操作可以重叠执行切对用 户透明。专用 的硬件乘法器 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。快速的中断处理和硬件对及低开销和无开销循环及侧睽的硬件支持。软件资源丰富的指令系统,灵活的程序控制包括重复跳转调用陷阱及返回等一公共目标文件格式有利于模块化编
5、程,编写的汇编或高级语言程序时,不必为程序或变量指定目标地址,为程序编写和程序移植提供了方便。编程语言优化八编译器,使得芯片软件可以直接用编写,从而使得片的开发和移植变的十分方便,同时关键代码用汇编编写不影响性能。图中的液晶、键盘用于人机接口,扩展的和用于固化程序和存放数据。任务如图所示。图中的。系统任务即实时操作系统的内核,提供任务调度,任务管理,时间管理,任务间的通信及同步,中断管理和内存管理等功能,硬件驱动作为硬件或软件中断处理。任务的创建及调度在一中,每个任务的工作状态如任务地址指针,优先级,运行状态,堆栈信息,信号量等由单独的任务控制块来记录保存,在系统启动时,由初始化函数工调用函数
6、初始化任务控制块。的成员变量,并调用函数初始化任务的堆栈结构,多个任务控制块组成双向链表,是系统进行任务切换的最主要的数据结构。各个任务堆栈如图。在任务调度方面,。一不支持时间片轮调度法,系统中的各任务的优先级必须互不相同,一提供个优先级的级别,也就是说在一中最多能运行个任务系统的空闲任务处于最低优先级,在本开发中,将最多任务数定义为,这样可缩减与任务相关的内核元器件与集成电路卷数据结构 如空任务控制块指针,任务就绪表,事件控制块等的大小,节省全局的内核数据结构在中的占用。在实时系统开发中,给定任务优先级十分重要,一般基于任务的重要性而定,虽然这样会对的工作效率产生一点负面影响。图中的中断和任
7、务优先级安排如下中断高控制输出数据输入键盘液晶低用户任务高开停机 保护动作 故障诊断 数据处理 通信 显示低系统中任务的运行状态采用事件驱动方式改变,用户任务创建后,初始化为挂起状态,等待相应的事件触发,事件驱动的示意图如下图中是任务间的通信与同步的纽带,例如数据输人产生中断,在中断处理子程序中一方面将数据读入指定的内存,另一方面设置相应的为可用状态,使系统激活等待该上的数据处理任务的运行状态。当每个中断结束,系统调用。函数,查看任务就绪表中是否存在更高优先级的任务,有则就调用工函数进行任务切换,任务切换过程是,巨巨巨巨巨渔巫口巨夔二巫三三 系系系系巨夔巫 口巨 圣 到 画 更 二二统统统统统
8、统统统统统统统统统统统统统统统统任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任任务务务务荆停机一数据处理一敌障诊断一 击几保护动作通信玻入式系统的软件没计根据电机保护装置的实现功能及微处理器的特性,进行系统的任务分割,确定各个任务优先级,并修改一中与硬件相关的部分内核代码。任务的划分电机保护装置需实现的功能如下电动机运行监测,实时显示。检测和显示设备故障状态根据事故状态,执行相应的保护动作。网络通信功能通过一串口通信接口,接入工业局域网。根据上述实现功能,划分系统的奄孑瓜考 图被被保存的户寄存器器中中断返回地址址状态字字任任务起始地址址传传递参数数将堆栈构造成看起来就像 刚发生过中断并将所有的 寄存
9、器保存到堆栈中的情 形一样,以便于任务的切换。事件控制块,包含消息或消息 队列的指针,等待任务列表及 等待任务所在的组等信息由中断服务子程序或任务通过日向 另外的任务发信号,改变其运行状态,就绪或挂起。第丫期元器件与集成电路卷首先将被挂起任务的微处理器寄存器推人堆栈,然后将高优先级的任务的寄存器值从栈中恢复到寄存器中,任务堆栈结构如图。内存配置对于存储器容量的设计,要综合考虑一内核代码和任务代码的大小,一工工内核代码经过裁减编译大约左右。任务代码大约为,每个任务是独立运行的,必须给每个任务提供单独的栈空间,在调试中可利用一工工提供的堆栈检验函数,查看任务堆栈使用情况,总量的计算公式如下气总量应
10、用程序的需求十内核数据区的之 卜需求各任务栈需求之总和最多中断嵌套之栈需求在本系统开发中,考虑到电动机保护的高实时性,未对存储器容量的设计作严格的要求,由于具有程序引导装载功能,在装置上电时通过引导程序把内 固化的 系统程序装载到高速中运行,从而获得高速运行的效果,因此,存储器和存储器的容量皆为。在 整个物理地址空间中,八的地址范围是一,的地址范围是一,中间部分地址包括一些寄存器的映射地址。引导装载程序的执行过程是,上电复位后,芯片微处理器方式自动运行固化在一中的搬运程序。这一程序将存放在中的主程序全部搬运到八中,搬运完毕,执行一条跳转语句,从中的主程序开始执行,一操作系统在这里进行初始化工作
11、,的相关代码如下,系统程序长度中断向量表,底层任务切换及时钟处理等系统功能,开发中可根据的汇编语言规则对这部分作了相应的修改,整个系统代码使用公司 的编译器汇编链接。装置系统经测试,基本上达到了预期的开发目的。结束语。一嵌人式实时系统的应用领域很宽,已在多个上移植成功,由于其开放的源代码及公开的开发文档资料,十分适用于国 内小型实时系统的开发运用。,仁,搬运的目的地址 相关代码的修改及系统编译。一中与硬件相关的内核代码都包含在,。及。三个文件中,基本上由汇编语言编写,主要用于定义一些与 处理器相关的数据结构,初始化参考文献一一七一芯片的原理与开发应用张雄伟编著电子工业出版社。年。嵌人式系统构件
12、著机械工业出版社年。一实时嵌入式系统著中国电力出版社年。炜达公司将为大中华区市场提供高质量、交货迅速的位于台 湾新竹科 技 园的炜达半导体公 司将 推 出一系列专 为满足大中华区市场 需求而订制 的 大量商用产 品,强调产品的灵 活性、具竞 争 性 的价格 和 交货迅速 的 特性。炜达公 司产品线涵盖三种主 要的微 功率、快速异步和同步。炜达 公司致 力 于提供及时稳 定、富有竞 争力 和高 质量的元器件、透过 对 客 户的长期承 诺来帮助 其 客户获得成 功。炜达半导 体 在年 成立 于台 湾,年 炜 达 被 世 界 第二大制 造 商 赛普拉 斯 半导体公 司收购。利用炜达 的 销 售、市场
13、、设 计 开发和 营运能力,炜达公司向中国市场 分销赛普 拉 斯 半导体公 司的元器 件 产 品。德州仪器推出新型一系统热插拔电源管理器日前,德 州 仪器 公 司宣 布 推出两款 针对 额 定一系统 使用 而精心优 化的热 插拔电源 管理器。新型及为 设 计人员 提 供 了易于编 程的功 能,该 功 能可在启动及 运行 期间实现 电流与 电压的高精度控制,因 而 是一分 布 式 电 源系 统、中心 局端交换、光网络系 统 以及无线基站 的 理 想 选 择。及热 插拔电源管 理 器的工作 电源电压范围介于一一一,可承 受一的 峰值电压。在结合 外部通道 场效应晶体管崛与传感电阻 器情况下,两者 均可在已启动 的 系统中实现插人 卡及模 块 的带电插人。每 个设备都可提 供 负载电流回转率控 制和峰 值 幅 度限制 功 能。详情 请参见第丁了期日奄孑质量
