我國電力系統(tǒng)的微機型保護得到迅速發(fā)展,，已在電力系統(tǒng)得到了廣泛應用,。從早期的8位機，到現在16/32位機,，性能得到了提高,，運算能力也大大加強了。
微機保護的性能及其可靠性取決于軟,、硬件,，因此軟件的編寫和硬件的選擇是一項關鍵性的工作。我們在編寫軟件時,，通常先畫好流程圖,，然后按著流程圖來編程,，一般是一個無限循環(huán),，循環(huán)中調用相應的函數(子程序)完成相應的操作(稱為后臺行為或任務級);用中斷來處理隨機事件(稱為前臺行為或中斷級)。程序流程如圖1所示,。任務的響應時間取決于后臺循環(huán)執(zhí)行的時間(在不同的狀態(tài)或運行方式下,，執(zhí)行時間不同)，程序經過某一點的時間不能確定，程序修改了,，循環(huán)時序就受到影響,。這種編程方法，使得程序開發(fā)周期長,，修改困難,，任何一處受到破壞，就會死機,。在8位機時代,，還不算明顯，隨著16/32位機的使用及系統(tǒng)復雜性的增加,，表現的越來越明顯了。這種傳統(tǒng)的前臺/后臺程序開發(fā)機制已不能滿足日益復雜和多樣化的微機保護的應用需求,，采用RTOS來開發(fā)微機保護應用程序,，現已成為開發(fā)人員的發(fā)展方向。
目前運行的微機保護裝置大多數為16位單片機,，對于常規(guī)的保護其性能基本能滿足,。但16位單片機往往受到運算速度等因素的影響,，不易實現更復雜的算法和更高采樣速率,。隨著微電子和半導體技術的發(fā)展，DSPs已運用在了眾多領域,。由于DSPs的強大數字信號處理能力,，越來越受到開發(fā)人員的青睞。
2 關于RTOS(Real Time Operating System)實時操作系統(tǒng)
實時操作系統(tǒng)是一段在系統(tǒng)啟動后,，首先執(zhí)行的背景程序,。用戶的應用程序是運行于RTOS之上的各個任務，RTOS根據各個任務的要求,，進行資源管理,、消息管理,、任務調度,，異常處理等工作,。實時多任務內核是RTOS的關鍵部分,，基本功能包括任務管理、定時器管理、存儲管理,、資源管理,、事件管理、系統(tǒng)管理,、消息管理等,。RTOS與其它OS相比主要特征是規(guī)模小、可裁剪,、微內核。
在RTOS機制下開發(fā)多任務程序,，CPU的運行時間被劃分為許多小的時間片，RTOS按照某種調度算法分別分配給不同的任務,，多個任務分別在自己的時間片內訪問CPU,，達到微觀上輪流運行，宏觀上并發(fā)運行的多任務效果,。程序流程如圖2所示,。
任務是單線程序列指令形成的一個無限循環(huán)，它有五種狀態(tài)：休眠,、就緒,、運行、等待和中斷,。實時內核是通過任務控制塊(TCB)來管理任務的,。程序調用內核服務創(chuàng)建任務，并在任務中分配一個任務控制塊,，進行初始化,，使任務進入就緒狀態(tài)。實時內核以事件為基礎,，根據任務執(zhí)行的狀態(tài),，對任務進行切換，狀態(tài)也隨之變化,。在實時任務中,，內存中存在多個任務控制模塊，以及各個任務獨立的私有堆棧,。
任務進行切換,，首先要保存CPU寄存器內容到當前任務的任務控制塊中，然后從新任務的任務控制塊裝載堆棧指針,，并將新任務的上下文裝載到CPU寄存器中,，這樣就從一個任務切換到另一個任務運行,。
我們將要開發(fā)的系統(tǒng)功能進行分解，構造成幾個不同的任務,，每個任務負責完成系統(tǒng)應用要求的一部分功能,，并根據其重要性，決定它的優(yōu)先級,，它們彼此獨立運行,。
RTOS的使用，可以提高系統(tǒng)的可靠性,。傳統(tǒng)的線性程序,，在遇到強烈的干擾時，程序任何一處產生死循環(huán)或破壞,，都會引起死機,，只有靠硬件(看門狗)，進行復位,、重新啟動系統(tǒng),。在這種情況下，對于RTOS管理的系統(tǒng),，只會引起若干個進程中的一個破壞，并可用另外的進程對其進行修復,。還可以提高產品的開發(fā)效率,，縮短開發(fā)周期。一個復雜的應用程序,，可以分解成若干個任務,，每個任務的調試、修改幾乎不影響其它模塊,。
使用RTOS,，使得應用程序的設計、擴展變得容易,，不需要大的改動,，就可以增加新的功能;且能使系統(tǒng)資源能得到更好的管理。但需增加額外的ROM/RAM的開銷,，增加2～5個百分點的CPU額外負荷,，以及開發(fā)成本的增加(RTOS的價格)。
當今市場上有許多RTOS商家生產面向8位,、16位,、32位，甚至64位的CPU的RTOS產品,。如：VRTX,、QNX,、VxWorks、Nucleus PLUS,、OS—9,、PSOSys-tem、LynxOS,、WindowsCE及國內的Hopen等,。RTOS除包含實時多任務內核外，還包括輸入輸出管理,、視窗系統(tǒng),、文件系統(tǒng)、網絡語言接口庫,、調試軟件,，以及交叉編譯平臺等。RTOS已在各行各業(yè)應用,，如：航空,、軍事、電力,、通信及工業(yè)控制等領域,。
3 關于DSPs(DiginalSignalProcessors)數字信號處理芯片
傳統(tǒng)上，微控制器MCU和微處理器MPU是微機發(fā)展的兩大分支,，而DSPs是MCU的一種特殊變形,。它是一種具有哈佛結構，精簡指令(RISC)的CPU,。
DSPs片內有多條地址,、數據和控制總線，可進行流水線操作,，提高了CPU的處理能力;有硬件乘法器,，乘法計算可由一條指令來完成;有專門的指令，進行數據處理;有DMA傳輸通道,。其外部硬件部分和MCU相同,，由地址、數據和控制三總線組成,。在軟件開發(fā)上,，能更好地支持模塊化編程。
市場上有多種DSPs可供我們選擇,。如：TI公司的TMS320系列,、ADI公司的ADS系列、MOTOROLA公司的DSP系列等,。
DSPs的使用,，可極大地縮短數據處理的計算時間,，不但可以完成數據采集、信號處理功能,，還可完成運算,、控制等功能。
4 RTOS與DSPs在微機保護裝置中的應用
我們采用美國ATI公司的Nucleus Plus實時操作系統(tǒng),，DSPs選用美國TI公司的TMS320C32,，開發(fā)了一系列的中低壓保護裝置。
Nucleus Plus是實時,、搶先,、多任務的內核。大約95%的Nucleus Plus程序是用ANSIC編寫的,，容易移值,。我們以Nucleus Plus為開發(fā)平臺，采用C語言和匯編語言混合編程,，進行軟件開發(fā),。
我們針對保護裝置的實際情況，把整個系統(tǒng)分成保護,、自檢,、顯示、通信等幾個任務,，并把保護任務設置成最高優(yōu)先級,。各任務間彼此獨立運行，任務間的通信通過全局數據或發(fā)送消息來實現,，任何一個任務出現運行異常，其它任務正常運行,。任務程序的結構如下代碼所示：
TMS320C32是32位的芯片,，可進行浮點數運算。圖3是以TMS320C32為核心構成的微機保護裝置硬件系統(tǒng)原理圖,，在這個系統(tǒng)中,，TMS320C32完成采樣、計算,、保護邏輯判斷及控制等功能,。
在保護裝置開發(fā)中，通過使用RTOS,，可進行并行開發(fā),，縮短了開發(fā)周期;任務間彼此獨立，系統(tǒng)的可靠性得到了提高,。DSPs的使用,，提高了運算精度和速度,。總之,，保護裝置的整體性能上了一個臺階,。
5 結束語
計算機化，保護,、控制,、測量、數據通信一體化和人工智能化是繼電保護技術發(fā)展的趨勢,。RTOS和DSPs應用在繼電保護裝置中,，會使保護性能更加完善、可靠,，更有效地擔當起確保電網安全的重任,。