uC/OS-II在配电监测终端仪表中的应用

    关键词：嵌入式系统 内核 任务 消息阵列

引言

随着各种电子系统在各领域中应用的不断深入，对电子系统本身的各方面性能提出了越来越高的要求，使应用软件朝着系统化方向加速发展。传统的嵌入式系统设计中，大多采用单任务的顺序机制。应用程序是一个无限的大循环，所有的事件都得按顺序执行，与时间相关性较强的事件靠定时中断来保证。这种方式编程的优势在于程序较为直观，但由此带来一个重要的问题，那就是系统的稳定性、实时性较差。尤其当系统功能较复杂，同时对实时性要求较严格时，这种单任务机制的弱点使暴露无遗。

在配电监测终端软件的设计中，笔者将买时操作系统μC/OS-II用于TMS320F206的程序设计；将系统所要的功能细化成为几个核心任务，由μC/OS-II实时内核进行调度，实现了多任务的并行执行，系统的可靠性和实时性得到大幅提升。ΜC/OS-II是免费的、源代码公开的、微内核嵌入式实时操作系统，其实时性能和内核的健壮性早已经在大量的实际应用中得到了证实。

1 系统概述

在电力系统中，对电子设备的要求是比较高的。配电监测终端是监测电网运行状况的一种重要设备，主要完成以下功能：对电压、电流信号进行采样，A/D转换；对所采集到的数据进行计算分析，得出各种监测指标参数；对所有指标参数进行统计分析，处理液晶显示和键盘扫描，响应按键命令，进行数据通信处理。在对电压、电流模拟通道信号的采样和A/D转换过程中，为保证严格的等时间间隔，将这部分事件处理放到实时器中断中进行。数字信号分析处理作为一个程序模块，完成数据的分析运行。键盘扫描和液晶显示处理部分程序，作为人机交换信息最直接的通道。它的设计是否合理，直接影响到用户使用的满意程序。在单任务系统中，程序循环的周期不确定，因此键盘扫描周期无法确定。当程序运算量较大时，容易造成明显的键盘响应迟钝。键盘扫描周期很大程序上受到主程序循环时序的影响，而且，当主程序中某个程序模块出现问题时，将出现程序卡住，直到看门狗复位为止。
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    在多任务系统中，这些问题可以得到很好的解决。利用嵌入式实时操作系统内核对所有“任务”进行统一调度和管理，使CPU的使用权在建立的“任务”间切换；同时，在多任务机制下，使应用程序模块化，使开发任务层次化。

整个系统的设计可以分为三个层次：最底层为硬件平台是，包含微处理器系统及相关应用电路，第二层为任务层，包含电路驱动程序和应用程序；最高一层为μC/OS-II操作系统层，是整个系统的管理核心，如图1所示。

2 硬件描述

配电监测终端的设计采用定点DSP TMS320F206作为处理器。它是采用先进的改进型哈佛结构、多级流水高速设计，具有极其强大的数据处理能力和管理能力。该终端从功能上可分为数据采集部分，液晶显示及键盘阵列部分，数据存储、通信部分及微处理器小系统部分。数据采集部分用来对电压、电流信号进行采样和A/D转换；液晶显示和键盘阵列为人机信息交换硬件接口；数据存储部分存储大量历史统计数据，采用掉电保护设计，在系统掉电情况下数据不会丢失。

3 系统软件设计

按系统所要求实现的功能，将整个系统划分为几个并行存在的任务层。占先式操作系统对任务的调度是按优先权的高低进行的，将系统的几个任务按其优先级从高到低顺序排列依次是：系统监视任务、键盘扫描和液晶显示任务、通信任务、数据运算统计处理任务。数据采集部分放到定时器中断程序中执行。其中，系统监视任务是用来监视除系统监视任务外其它任务的。当被监视任务在执行过程中出现差错时，系统监视任务将按照预先设定的处理表对其进行处理，使出现差错的任务恢复正常运行，提高系统运行的可靠性。优先权的设置是按照整个系统运行的时序来确定的，对系统安全运行较重要和对实时性要求较严格的任务，设成较高的优先级。一般而言，在系统运行过程中，各任务的优先级是固定不变的。

μC/OS-II控制下的任务可以分为休眠态、就绪态、运行态、中断态和挂起态。在嵌入式系统中，为节省存储器空间不会保留休眠态的任务。当某个任务正在占用CPU的使用权时，该任务处于运行态。处