摘要：講述嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II在電力監(jiān)控儀表中的應(yīng)用；通過(guò)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)對(duì)所有任務(wù)的調(diào)度管理，解決在單任務(wù)系統(tǒng)中難以處理的實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性；較詳細(xì)地給出系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)思路，以及軟件中各任務(wù)的具體運(yùn)行過(guò)程。

    關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 內(nèi)核 任務(wù) 消息陣列

引言

隨著各種電子系統(tǒng)在各領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入，對(duì)電子系統(tǒng)本身的各方面性能提出了越來(lái)越高的要求，使應(yīng)用軟件朝著系統(tǒng)化方向加速發(fā)展。傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大多采用單任務(wù)的順序機(jī)制。應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)限的大循環(huán)，所有的事件都得按順序執(zhí)行，與時(shí)間相關(guān)性較強(qiáng)的事件靠定時(shí)中斷來(lái)保證。這種方式編程的優(yōu)勢(shì)在于程序較為直觀，但由此帶來(lái)一個(gè)重要的問(wèn)題，那就是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性較差。尤其當(dāng)系統(tǒng)功能較復(fù)雜，同時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格時(shí)，這種單任務(wù)機(jī)制的弱點(diǎn)使暴露無(wú)遺。

在配電監(jiān)測(cè)終端軟件的設(shè)計(jì)中，筆者將買(mǎi)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II用于TMS320F206的程序設(shè)計(jì)；將系統(tǒng)所要的功能細(xì)化成為幾個(gè)核心任務(wù)，由μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的并行執(zhí)行，系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性得到大幅提升。ΜC/OS-II是免費(fèi)的、源代碼公開(kāi)的、微內(nèi)核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)性能和內(nèi)核的健壯性早已經(jīng)在大量的實(shí)際應(yīng)用中得到了證實(shí)。

1 系統(tǒng)概述

在電力系統(tǒng)中，對(duì)電子設(shè)備的要求是比較高的。配電監(jiān)測(cè)終端是監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀況的一種重要設(shè)備，主要完成以下功能：對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，A/D轉(zhuǎn)換；對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出各種監(jiān)測(cè)指標(biāo)參數(shù)；對(duì)所有指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理液晶顯示和鍵盤(pán)掃描，響應(yīng)按鍵命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信處理。在對(duì)電壓、電流模擬通道信號(hào)的采樣和A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，為保證嚴(yán)格的等時(shí)間間隔，將這部分事件處理放到實(shí)時(shí)器中斷中進(jìn)行。數(shù)字信號(hào)分析處理作為一個(gè)程序模塊，完成數(shù)據(jù)的分析運(yùn)行。鍵盤(pán)掃描和液晶顯示處理部分程序，作為人機(jī)交換信息最直接的通道。它的設(shè)計(jì)是否合理，直接影響到用戶(hù)使用的滿(mǎn)意程序。在單任務(wù)系統(tǒng)中，程序循環(huán)的周期不確定，因此鍵盤(pán)掃描周期無(wú)法確定。當(dāng)程序運(yùn)算量較大時(shí)，容易造成明顯的鍵盤(pán)響應(yīng)遲鈍。鍵盤(pán)掃描周期很大程序上受到主程序循環(huán)時(shí)序的影響，而且，當(dāng)主程序中某個(gè)程序模塊出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，將出現(xiàn)程序卡住，直到看門(mén)狗復(fù)位為止。

    在多任務(wù)系統(tǒng)中，這些問(wèn)題可以得到很好的解決。利用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)所有“任務(wù)”進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理，使CPU的使用權(quán)在建立的“任務(wù)”間切換；同時(shí)，在多任務(wù)機(jī)制下，使應(yīng)用程序模塊化，使開(kāi)發(fā)任務(wù)層次化。

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)層次：最底層為硬件平臺(tái)是，包含微處理器系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用電路，第二層為任務(wù)層，包含電路驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序；最高一層為μC/OS-II操作系統(tǒng)層，是整個(gè)系統(tǒng)的管理核心，如圖1所示。

2 硬件描述

配電監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)采用定點(diǎn)DSP TMS320F206作為處理器。它是采用先進(jìn)的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)、多級(jí)流水高速設(shè)計(jì)，具有極其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和管理能力。該終端從功能上可分為數(shù)據(jù)采集部分，液晶顯示及鍵盤(pán)陣列部分，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信部分及微處理器小系統(tǒng)部分。數(shù)據(jù)采集部分用來(lái)對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換；液晶顯示和鍵盤(pán)陣列為人機(jī)信息交換硬件接口；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分存儲(chǔ)大量歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用掉電保護(hù)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)掉電情況下數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)的功能，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)層。占先式操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行的，將系統(tǒng)的幾個(gè)任務(wù)按其優(yōu)先級(jí)從高到低順序排列依次是：系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)、鍵盤(pán)掃描和液晶顯示任務(wù)、通信任務(wù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算統(tǒng)計(jì)處理任務(wù)。數(shù)據(jù)采集部分放到定時(shí)器中斷程序中執(zhí)行。其中，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)是用來(lái)監(jiān)視除系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)外其它任務(wù)的。當(dāng)被監(jiān)視任務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)將按照預(yù)先設(shè)定的處理表對(duì)其進(jìn)行處理，使出現(xiàn)差錯(cuò)的任務(wù)恢復(fù)正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。優(yōu)先權(quán)的設(shè)置是按照整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序來(lái)確定的，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù)，設(shè)成較高的優(yōu)先級(jí)。一般而言，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是固定不變的。

μC/OS-II控制下的任務(wù)可以分為休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、中斷態(tài)和掛起態(tài)。在嵌入式系統(tǒng)中，為節(jié)省存儲(chǔ)器空間不會(huì)保留休眠態(tài)的任務(wù)。當(dāng)某個(gè)任務(wù)正在占用CPU的使用權(quán)時(shí)，該任務(wù)處于運(yùn)行態(tài)。處于運(yùn)行態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)一定高于其它所有就緒態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行致使某一就緒態(tài)任務(wù)優(yōu)先權(quán)高于運(yùn)行態(tài)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)時(shí)，調(diào)用調(diào)度函數(shù)，運(yùn)行態(tài)任務(wù)將轉(zhuǎn)入掛起態(tài)等待某一消息或信號(hào)量，或者轉(zhuǎn)入就緒態(tài)；而那個(gè)擁有較高優(yōu)先權(quán)的任務(wù)將占有CPU的使用權(quán)而轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。某一時(shí)刻只有個(gè)任務(wù)占有CPU的使用權(quán)，也就是說(shuō)，某一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)。掛起態(tài)的任務(wù)在所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，如果得到所期待的數(shù)據(jù)（可能是消息陣列，也可能是信號(hào)量），就自動(dòng)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)；如果等待超時(shí)，就被時(shí)間管理函數(shù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為就緒態(tài)，等待任務(wù)調(diào)度。中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將強(qiáng)行剝奪運(yùn)行態(tài)任務(wù)對(duì)CPU的使用權(quán)，將它轉(zhuǎn)入中斷態(tài)，保存相關(guān)數(shù)據(jù)到堆棧區(qū)之后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。在中斷返回時(shí)，系統(tǒng)返回函數(shù)將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，將優(yōu)先權(quán)最高的就緒態(tài)任務(wù)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。

在實(shí)際系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的，分別實(shí)現(xiàn)某一特定的功能，由μC/OS-II內(nèi)核來(lái)進(jìn)行調(diào)度。電力行業(yè)中對(duì)設(shè)備可靠性的要求是很高的。對(duì)于監(jiān)測(cè)設(shè)備，由于在啟外運(yùn)行，所受的電力諧波干擾相當(dāng)大，有時(shí)會(huì)引起程序跑飛、死機(jī)現(xiàn)象，直到看門(mén)狗復(fù)位可使系統(tǒng)恢復(fù)正常；但在看門(mén)狗復(fù)位這段時(shí)間內(nèi)，設(shè)備對(duì)電流、電壓的采樣不能正常進(jìn)行，相關(guān)采樣數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，直接影響到電能量計(jì)算的準(zhǔn)確度，同時(shí)會(huì)影響到數(shù)據(jù)通信。筆者利用軟件狗的原理設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)，用來(lái)對(duì)其它任務(wù)進(jìn)行監(jiān)視。在系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一個(gè)任務(wù)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，該任務(wù)將按相關(guān)步驟做出相應(yīng)處理。具體做法是：系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)在正常運(yùn)行情況下處于掛起狀態(tài)，在某一時(shí)間范圍內(nèi)，等待每個(gè)被監(jiān)視任務(wù)向它發(fā)送代表該被監(jiān)視任務(wù)正常運(yùn)行的消息。每個(gè)被監(jiān)視的任務(wù)在運(yùn)行狀態(tài)下向系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)發(fā)送這一消息，用以說(shuō)明本任務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)等待這一消息的時(shí)間范圍按每個(gè)任務(wù)執(zhí)行所需時(shí)間的最大值設(shè)定。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)在等待時(shí)間范圍內(nèi)收到消息，說(shuō)明被監(jiān)視任務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，否則，系統(tǒng)內(nèi)核自動(dòng)將系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)由掛起態(tài)轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。由于系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)優(yōu)先權(quán)最高，所它將取得CPU使用權(quán)，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)將出錯(cuò)任務(wù)的運(yùn)行任務(wù)堆棧改為該任務(wù)的起始地址，并將其置為就緒態(tài)，掛起自身。如此，剛才出錯(cuò)的任務(wù)以重新開(kāi)始執(zhí)行，避免看門(mén)狗復(fù)位。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別堆棧空間，然后建立任務(wù)間通信的信號(hào)量或者消息隊(duì)列，進(jìn)行任務(wù)建立，并且分配任務(wù)優(yōu)先權(quán)。所有新建任務(wù)被置為就緒態(tài)，系統(tǒng)程序從優(yōu)先權(quán)最高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。

該配電監(jiān)測(cè)終端軟件中，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)優(yōu)先權(quán)最高，最先進(jìn)入運(yùn)行態(tài)。該任務(wù)分別查詢(xún)每一個(gè)被監(jiān)視的任務(wù)是否向其發(fā)送消息。如果沒(méi)有，則該任務(wù)進(jìn)入掛起態(tài)。按優(yōu)先權(quán)級(jí)別順序，鍵盤(pán)掃描和液晶顯示任務(wù)將由就緒態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)。在該任務(wù)將要執(zhí)行完畢時(shí)，向系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)發(fā)送消息，然后執(zhí)行延時(shí)函數(shù)將自身轉(zhuǎn)為掛起態(tài)，交出CPU使用權(quán)讓其它任務(wù)得以執(zhí)行。此時(shí)系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)得到消息轉(zhuǎn)為運(yùn)行態(tài)，繼續(xù)查詢(xún)其它被監(jiān)視任務(wù)的運(yùn)行消息。如果沒(méi)有，則進(jìn)入掛起態(tài)，再次等待其它被監(jiān)視任務(wù)的運(yùn)行消息，系統(tǒng)按任務(wù)優(yōu)先級(jí)繼續(xù)執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的就緒態(tài)任務(wù)等等，依此類(lèi)推。當(dāng)鍵盤(pán)掃描和液晶顯示任務(wù)延時(shí)時(shí)間到時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)核自動(dòng)將它再次轉(zhuǎn)為就緒態(tài)。一般鍵盤(pán)掃描和液晶顯示任務(wù)延時(shí)時(shí)間按人手觸摸按鍵反應(yīng)時(shí)間而定，大約在100ms。在正常情況下，由于系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)只是查詢(xún)消息量，程序執(zhí)行時(shí)間很短，甚至可以忽略，同時(shí)鍵盤(pán)掃描和液晶顯示任務(wù)優(yōu)先權(quán)排在第二。所以，只要鍵盤(pán)掃描和液晶顯示任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)就可以得到及時(shí)響應(yīng)，能夠很好地滿(mǎn)足鍵盤(pán)掃描和液晶顯示的實(shí)時(shí)性，解決在單任務(wù)環(huán)境下很難解決的鍵盤(pán)查詢(xún)處理的實(shí)時(shí)性問(wèn)題；同時(shí)，數(shù)據(jù)分析處理任務(wù)和通信任務(wù)可以在鍵盤(pán)掃描和液晶顯示任務(wù)延時(shí)時(shí)間間隔內(nèi)執(zhí)行。由于TMS320F206處理器速度足夠快，所有任務(wù)得以在滿(mǎn)足時(shí)序的前提下順利執(zhí)行。

當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)定時(shí)中斷時(shí)，中斷程序?qū)⒄紦?jù)CPU的使用權(quán)進(jìn)行電流和電壓采樣，設(shè)置下一次中斷時(shí)間。在退出中斷時(shí)，內(nèi)核將重新進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

結(jié)語(yǔ)

μC/OS-II是一套優(yōu)秀的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。將該操作系統(tǒng)應(yīng)用于配電監(jiān)測(cè)終端中，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了產(chǎn)品性能，成功地解決了一系列在單任務(wù)環(huán)境下不可避免的問(wèn)題。