（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式实时操作系统的电缆温度采集终端的设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 电缆温度采集终端是 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的重要组成部 分，负责电缆接头温度的采集、处理、保存和无线传输。同时，特殊的地下工作环 境对该终端的可靠性、低功耗等性能都有严格的要求。 本课题使用 t i 公司的微处理器芯片ms p 4 3 0 f 1 4 9 作为硬件开发平台， 采用嵌入 式实时操作系统的软件设计方法，完成了电缆温度采集终端的设计。嵌入式实时操 作系统的软件设计方法，能够使ms p 4 3 0 f 1 4 9 的强大功能与我们的应用更加紧密地 结合在一起，使我们获得低功耗微处理器芯片上的多任务内核，这对于提高电缆温 度采集终端的可靠性，实现低功耗的设计要求，以及完成整个 “ 城市地下供电电缆 接头温度监测系统”其它组成部分的后续开发，起到了至关重要的作用。 关键词:电缆温度采集终端，ms p 4 3 0 f 1 4 9 ,嵌入式实时操作系统，低功耗 abs tr act t h e t e m p e r a t u r e d a t a a c q u i s i t i o n t e r m i n a l f o r c a b l e i s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e t e m p e r a t u r e mo n i t o r i n g s y s t e m f o r u n d e r g r o u n d c a b l e j u n c t i o n o f u r b a n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k , w h i c h n e e d s t o p e r f o r m a c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g , s a v i n g a n d w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n o f t h e t e m p e r a t u r e d a t a . f u r t u r e m o r e , i t i s n e c e s s a r y f o r t h e t e r m i n a l t o e n h a n c e i t s r e l i a b i l i t y a n d l o w e r i t s p o w e r c o n s u m p t i o n b e c a u s e o f s p e c i f i c u n d e r g r o u n d w o r k i n g e n v i r o n m e n t . t h i s p r o j e c t u s e ms p 4 3 0 f 1 4 9 p r o d u c e d b y t i c o m p a n y a s h a r d w a r e p l a t f o r m a n d a d o p t e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i o n s y s t e m s o f t w a r e d e s i g n m e t h o d t o a c h i e v e d e s i g n o f t h e t e m p e r a t u r e d a t a a c q u i s i t i o n t e r mi n a l f o r c a b l e . t h e e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i o n s y s t e m s o f t w a r e d e s i g n m e t h o d c a n c o m b i n e b e t t e r p o w e r f u l f u n c t i o n o f ms p 4 3 0 f 1 4 9 w i t h o u r a p p l i c a t i o n , a n d ma k e u s o b t a i n a c o r e o f m u l t i - t a s k o n l o w p o w e r m i c r o p r o c e s s o r c h i p . a n d t h i s s o f t w a r e d e s i g n m e t h o d i s v e r y i m p o r t a n t t o e n h a n c e r e l i a b i l i t y a n d l o w e r p o w e r c o n s u m p t i o n o f t h e t e m p e r a t u r e d a t a a c q u i s i t i o n t e r m i n a l f o r c a b l e , a n d a c h i e v e d e v e l o p m e n t o f t h e o t h e r p a r t o f t h e t e m p e r a t u r e mo n i t o r i n g s y s t e m f o r u n d e r g r o u n d c a b l e j u n c t i o n o f u r b a n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k . ma r o n g ( c o m m u n i c a t i o n a n d i n f o r m a t i o n s y s t e m ) d i r e c t e d b y p r o f . l i a n g mi n g ke y wo r d s : t e mp e r a t u r e d a t a a c q u i s i t i o n t e r mi n a l f o r c a b l e , ms p 4 3 0 f 1 4 9 , e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i o n s y s t e m, l o w p o w e r 华北电力大学硕士学位论文 摘要 电缆温度采集终端是 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的重要组成部 分，负责电缆接头温度的采集、处理、保存和无线传输。同时，特殊的地下工作环 境对该终端的可靠性、低功耗等性能都有严格的要求。 本课题使用t i 公司的微处理器芯片ms p 4 3 0 f 1 4 9 作为硬件开发平台， 采用嵌入 式实时操作系统的软件设计方法，完成了电缆温度采集终端的设计。嵌入式实时操 作系统的软件设计方法，能够使ms p 4 3 0 f 1 4 9 的强大功能与我们的应用更加紧密地 结合在一起，使我们获得低功耗微处理器芯片上的多任务内核，这对于提高电缆温 度采集终端的可靠性，实现低功耗的设计要求，以及完成整个 “ 城市地下供电电缆 接头温度监测系统”其它组成部分的后续开发，起到了至关重要的作用。 关键词:电缆温度采集终端，ms p 4 3 0 f 1 4 9 ,嵌入式实时操作系统，低功耗 abs tract t h e t e m p e r a t u r e d a t a a c q u i s i t i o n t e r m i n a l f o r c a b l e i s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e t e m p e r a t u r e mo n i t o r i n g s y s t e m f o r u n d e r g r o u n d c a b l e j u n c t i o n o f u r b a n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k , w h i c h n e e d s t o p e r f o r m a c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g , s a v i n g a n d w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n o f t h e t e m p e r a t u r e d a t a . f u r t u r e m o r e , i t i s n e c e s s a r y f o r t h e t e r m i n a l t o e n h a n c e i t s r e l i a b i l i t y a n d l o w e r i t s p o w e r c o n s u m p t i o n b e c a u s e o f s p e c i f i c u n d e r g r o u n d w o r k in g e n v i r o n m e n t . t h i s p r o j e c t u s e ms p 4 3 0 f 1 4 9 p r o d u c e d b y t i c o m p a n y a s h a r d w a r e p l a t f o r m a n d a d o p t e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i o n s y s t e m s o f t w a r e d e s i g n m e t h o d t o a c h i e v e d e s i g n o f t h e t e m p e r a t u r e d a t a a c q u i s i t i o n t e r m i n a l f o r c a b l e . t h e e m b e d d e d r e a l - t i m e o p e r a t i o n s y s t e m s o f t w a r e d e s i g n me t h o d c a n c o m b i n e b e t t e r p o w e r f u l f u n c t i o n o f ms p 4 3 0 f 1 4 9 w i t h o u r a p p l i c a t i o n , a n d m a k e u s o b t a i n a c o r e o f m u l t i - t a s k o n l o w p o w e r mi c r o p r o c e s s o r c h i p . a n d t h i s s o f t w a r e d e s i g n m e t h o d i s v e r y i m p o r t a n t t o e n h a n c e r e l i a b i l i t y a n d l o w e r p o w e r c o n s u m p t i o n o f t h e t e m p e r a t u r e d a t a a c q u i s i t i o n t e r m i n a l f o r c a b l e , a n d a c h i e v e d e v e l o p m e n t o f t h e o t h e r p a r t o f t h e t e m p e r a t u r e mo n i t o r i n g s y s t e m f o r u n d e r g r o u n d c a b l e j u n c t i o n o f u r b a n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k . ma r o n g ( c o m m u n i c a t i o n a n d i n f o r m a t i o n s y s t e m ) d i r e c t e d b y p r o f . l i a n g mi n g k e y wo r d s : t e mp e r a t u r e d a t a ac q u i s i t i o n t e r mi n a l f o r c a b l e , ms p 4 3 0 f 1 4 9 , e m b e d d e d r e a l - t i me o p e r a t i o n s y s t e m, l o w p o w e r 二挂. o口 jla h 月 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 电缆温度采集终端的嵌入式实时操作 系统的设计 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。 据本人所知，除了 文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 :里鱼一日期 : 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为 目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同 意学校可以 用不同 方式在不同 媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的 学位论文在解密后遵守此规定) 作 者 签 名 :墨 重导师签名: 娜 日期:1 0 93 娜 石 a r a日期:14f . b . 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 随着我国城市电缆化改造进程的不断发展，地下电缆的安全运行问题受到了越 来越广泛的关注。供电安全不但与我们每个人的生产、生活息息相关，而且关系到 整个国民经济的健康发展。针对这一课题研制开发的 “ 城市配电网地下电缆接头温 度巡测系统” ，采用分布式嵌入式系统的软硬件设计方法，能够及时准确地掌握电 缆接头的温度情况，提前预测火灾事故的发生，对于提高城市地下电缆的安全可靠 j性有着非常重要的意义。 电缆温度采集终端作为 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的重要组成 部分，需要完成电缆接头温度的采集、处理、保存和无线传输等工作。与此同时， 特殊的地下工作环境对该终端的可靠性、性价比、体积和功耗等性能都提出了严格 的要求。 鉴于上述原因，我们在设计电缆温度采集终端时， 选用了t i 公司高性能、 低功 耗的嵌入式微处理器芯片ms p 4 3 0 f 1 4 9 作为开发平台，并在此基础上，采用嵌入式 实时操作系统的软件设计方法，很好地完成了电缆温度采集终端在功能和性能等各 个方面的设计要求，为整个 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的设计成功 迈出了重要的一步。 1 . 1 本课题提出的背景 1 . 1 . 1 设计 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的必要性 为配合现代化城市的建设， 减少电力设施对城市景观的影响， 为市民提供优美、 自然、和谐的生活环境，越来越多的城市供电部门，己经开始致力于城市架空输电 线路的电缆化改造， 以地下电缆取代架空高压线。 电缆化改造不但美化了城市景观， 还为我国许多人口稠密、寸土寸金的大中城市节省了宝贵的土地资源。据调查，广 东省佛山市至2 0 0 3 年 6 月底，禅城区1 0 千伏及以上电缆已超过9 0 0 公里，城市中 心区 1 0千伏线路电缆化率已经达到 9 0 ，根据该市的电缆改造经验，以 1 1 0千伏 架空输电线路走廊与地下电缆通道相比较，前者每公里占地2 7 0 0 0 平方米，后者每 公里仅占地 2 3 0 0 平方米。 电缆化改造在美化市容，节约土地的同时，地下电缆的安全运行问题，也己引 起各城市供电部门的重视。城市地下电缆分布广、距离长，在线路上必然出现电缆 接头，多年的运行经验显示，9 0 %以上的电缆运行故障是由 接头故障引发的 l 1 。具 体来说，引起地下电缆火灾发生的主要原因是电缆中间接头制作质量不良、压接不 紧、接触电阻过大，经过长期运行，容易造成电缆接头过热烧穿，导致线路绝缘， 1 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 随着我国城市电缆化改造进程的不断发展，地下电缆的安全运行问题受到了越 来越广泛的关注。供电安全不但与我们每个人的生产、生活息息相关，而且关系到 整个国民经济的健康发展。针对这一课题研制开发的 “ 城市配电网地下电缆接头温 度巡测系统” ，采用分布式嵌入式系统的软硬件设计方法，能够及时准确地掌握电 缆接头的温度情况，提前预测火灾事故的发生，对于提高城市地下电缆的安全可靠 j性有着非常重要的意义。 电缆温度采集终端作为 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的重要组成 部分，需要完成电缆接头温度的采集、处理、保存和无线传输等工作。与此同时， 特殊的地下工作环境对该终端的可靠性、性价比、体积和功耗等性能都提出了严格 的要求。 鉴于上述原因，我们在设计电缆温度采集终端时， 选用了t i 公司高性能、 低功 耗的嵌入式微处理器芯片ms p 4 3 0 f 1 4 9 作为开发平台，并在此基础上，采用嵌入式 实时操作系统的软件设计方法，很好地完成了电缆温度采集终端在功能和性能等各 个方面的设计要求，为整个 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的设计成功 迈出了重要的一步。 1 . 1 本课题提出的背景 1 . 1 . 1 设计 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的必要性 为配合现代化城市的建设， 减少电力设施对城市景观的影响， 为市民提供优美、 自然、和谐的生活环境，越来越多的城市供电部门，己经开始致力于城市架空输电 线路的电缆化改造， 以地下电缆取代架空高压线。 电缆化改造不但美化了城市景观， 还为我国许多人口稠密、寸土寸金的大中城市节省了宝贵的土地资源。据调查，广 东省佛山市至2 0 0 3 年 6 月底，禅城区1 0 千伏及以上电缆已超过9 0 0 公里，城市中 心区 1 0千伏线路电缆化率已经达到 9 0 ，根据该市的电缆改造经验，以 1 1 0千伏 架空输电线路走廊与地下电缆通道相比较，前者每公里占地2 7 0 0 0 平方米，后者每 公里仅占地 2 3 0 0 平方米。 电缆化改造在美化市容，节约土地的同时，地下电缆的安全运行问题，也己引 起各城市供电部门的重视。城市地下电缆分布广、距离长，在线路上必然出现电缆 接头，多年的运行经验显示，9 0 %以上的电缆运行故障是由 接头故障引发的 l 1 。具 体来说，引起地下电缆火灾发生的主要原因是电缆中间接头制作质量不良、压接不 紧、接触电阻过大，经过长期运行，容易造成电缆接头过热烧穿，导致线路绝缘， 1 华北电力大学硕士学位论文 最 终引 起电 缆 火灾的 发 生 2 3 1 经过对多次事故的分析，人们发现，从地下电缆接头过热到事故的发生，其发 展速度缓慢、变化时间较长4 1 。因此，完全可以设计一套地下电缆温度监测系统， 定时监测电缆接头的温度情况，再根据温度的变化，用系统分析软件提前确定电缆 的早期故障，使系统能够在电缆真正发生事故之前报警，防止、杜绝各类事故的发 生，这对于提高城市地下电缆的安全可靠性，避免火灾事故的发生，有着非常重要 的意义。 1 . 1 . 2“ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的特点 城市地下配电网络规模庞大，包含的线路和接头数目 众多，因此，在设计针对 城市配电网地下电缆的温度监测系统时，必须考虑到该系统是否能够覆盖整个城市 电网，并且具备良好的性价比。 我们所设计的 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”可以很好地解决上述 问题，该系统由电缆接头温度采集与传输终端装置 ( 电缆温度采集终端) 、便携式 电缆接头温度巡检与故障分析仪 ( 巡检与故障分析仪)以及电缆接头温度数据管理 与智能数据分析软件三个部分组成。系统采用独特的巡检工作方式，通过巡检与故 障分析仪和单个电缆温度采集终端分别建立短距离无线通信链路，完成温度数据的 传输，大大降低了整套系统的成本。很显然，如果采用其它电缆测温系统通常使用 的长距离数据传输方式 1 3 5 ， 无论是有线还是无线， 要想在诸如整个城市这样一个 很大的范围内得以实现，就必须为架设通信线路和中继设备花费高昂的代价。除此 以外， 系统在及时准确的掌握电缆的温度情况， 分析和预防火灾事故发生的基础上， 还具备便于安装，易于操作，维护量低，使用时间长等特点。 1 . 1 . 3电缆温度采集终端的特点 电缆温度采集终端是整个 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的重要组 成部分，它安装在城市地下电缆的各个接头处，用于定时采集地下电缆接头的温度 信息，并将这些信息转换为数字信号储存起来。当巡线人员到来时，通过短距离双 向无线通信链路， 响应巡检与故障分析仪发出的命令， 将温度数据传送到分析仪中。 具体来说，电缆温度采集终端具备以下特点: 高性能、低功耗、便于安装维护 得益于模拟、数字、射频和微机电的系统集成技术，使电缆温度采集终端的体 积小、重量轻、安装方便。高性能、低功耗的系统软硬件设计，延长了装置的电池 使用寿命，减少了装置的维护次数。 .操作使用方便 华北电力大学硕士学位论文 最 终引 起电 缆 火灾的 发 生 2 3 1 经过对多次事故的分析，人们发现，从地下电缆接头过热到事故的发生，其发 展速度缓慢、变化时间较长4 1 。因此，完全可以设计一套地下电缆温度监测系统， 定时监测电缆接头的温度情况，再根据温度的变化，用系统分析软件提前确定电缆 的早期故障，使系统能够在电缆真正发生事故之前报警，防止、杜绝各类事故的发 生，这对于提高城市地下电缆的安全可靠性，避免火灾事故的发生，有着非常重要 的意义。 1 . 1 . 2“ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的特点 城市地下配电网络规模庞大，包含的线路和接头数目 众多，因此，在设计针对 城市配电网地下电缆的温度监测系统时，必须考虑到该系统是否能够覆盖整个城市 电网，并且具备良好的性价比。 我们所设计的 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”可以很好地解决上述 问题，该系统由电缆接头温度采集与传输终端装置 ( 电缆温度采集终端) 、便携式 电缆接头温度巡检与故障分析仪 ( 巡检与故障分析仪)以及电缆接头温度数据管理 与智能数据分析软件三个部分组成。系统采用独特的巡检工作方式，通过巡检与故 障分析仪和单个电缆温度采集终端分别建立短距离无线通信链路，完成温度数据的 传输，大大降低了整套系统的成本。很显然，如果采用其它电缆测温系统通常使用 的长距离数据传输方式 1 3 5 ， 无论是有线还是无线， 要想在诸如整个城市这样一个 很大的范围内得以实现，就必须为架设通信线路和中继设备花费高昂的代价。除此 以外， 系统在及时准确的掌握电缆的温度情况， 分析和预防火灾事故发生的基础上， 还具备便于安装，易于操作，维护量低，使用时间长等特点。 1 . 1 . 3电缆温度采集终端的特点 电缆温度采集终端是整个 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的重要组 成部分，它安装在城市地下电缆的各个接头处，用于定时采集地下电缆接头的温度 信息，并将这些信息转换为数字信号储存起来。当巡线人员到来时，通过短距离双 向无线通信链路， 响应巡检与故障分析仪发出的命令， 将温度数据传送到分析仪中。 具体来说，电缆温度采集终端具备以下特点: 高性能、低功耗、便于安装维护 得益于模拟、数字、射频和微机电的系统集成技术，使电缆温度采集终端的体 积小、重量轻、安装方便。高性能、低功耗的系统软硬件设计，延长了装置的电池 使用寿命，减少了装置的维护次数。 .操作使用方便 华北电力大学硕士学位论文 最 终引 起电 缆 火灾的 发 生 2 3 1 经过对多次事故的分析，人们发现，从地下电缆接头过热到事故的发生，其发 展速度缓慢、变化时间较长4 1 。因此，完全可以设计一套地下电缆温度监测系统， 定时监测电缆接头的温度情况，再根据温度的变化，用系统分析软件提前确定电缆 的早期故障，使系统能够在电缆真正发生事故之前报警，防止、杜绝各类事故的发 生，这对于提高城市地下电缆的安全可靠性，避免火灾事故的发生，有着非常重要 的意义。 1 . 1 . 2“ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的特点 城市地下配电网络规模庞大，包含的线路和接头数目 众多，因此，在设计针对 城市配电网地下电缆的温度监测系统时，必须考虑到该系统是否能够覆盖整个城市 电网，并且具备良好的性价比。 我们所设计的 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”可以很好地解决上述 问题，该系统由电缆接头温度采集与传输终端装置 ( 电缆温度采集终端) 、便携式 电缆接头温度巡检与故障分析仪 ( 巡检与故障分析仪)以及电缆接头温度数据管理 与智能数据分析软件三个部分组成。系统采用独特的巡检工作方式，通过巡检与故 障分析仪和单个电缆温度采集终端分别建立短距离无线通信链路，完成温度数据的 传输，大大降低了整套系统的成本。很显然，如果采用其它电缆测温系统通常使用 的长距离数据传输方式 1 3 5 ， 无论是有线还是无线， 要想在诸如整个城市这样一个 很大的范围内得以实现，就必须为架设通信线路和中继设备花费高昂的代价。除此 以外， 系统在及时准确的掌握电缆的温度情况， 分析和预防火灾事故发生的基础上， 还具备便于安装，易于操作，维护量低，使用时间长等特点。 1 . 1 . 3电缆温度采集终端的特点 电缆温度采集终端是整个 “ 城市配电网地下电缆接头温度巡测系统”的重要组 成部分，它安装在城市地下电缆的各个接头处，用于定时采集地下电缆接头的温度 信息，并将这些信息转换为数字信号储存起来。当巡线人员到来时，通过短距离双 向无线通信链路， 响应巡检与故障分析仪发出的命令， 将温度数据传送到分析仪中。 具体来说，电缆温度采集终端具备以下特点: 高性能、低功耗、便于安装维护 得益于模拟、数字、射频和微机电的系统集成技术，使电缆温度采集终端的体 积小、重量轻、安装方便。高性能、低功耗的系统软硬件设计，延长了装置的电池 使用寿命，减少了装置的维护次数。 .操作使用方便 华北电力大学硕士学位论文 采用短距离无线通信的数据传输方式，使线路巡检人员只要手持巡检故障分析 仪，进入终端装置的信号覆盖范围之内，即可以方便地在地上仪器与地下装置之间 建立通信链路，完成各种命令和数据的传输工作。 测温范围广、精度高 电缆温度采集终端采用表面接触式热敏电阻的测温方式，温度测量范围为一 5 0 0c + 1 2 5 0c , 测温精度达到0 .2 5 c， 完全能够覆盖电缆运行时的温度变化范围，以 及出现故障时的异常温度点。 数据传输的实时性与可靠性高 单个终端装置之间相互独立，分别与巡检故障分析仪建立通信链路，这种通信 方式保证了每个终端装置都能够及时响应巡检故障分析仪的命令，并保证了传输数 据的可靠性。 .成本低 在设计电缆温度采集终端的过程中，从硬件到软件，处处考虑到了降低成本的 问题。如上面所讲的集成度高、功耗低、电池使用寿命长、便于安装维护等特点， 都是降低成本的关键因素。 1 . 2本课题的研究目的和意义 本课题结合嵌入式系统的设计思想，以低功耗微处理器芯片ms p 4 3 0 f 1 4 9 为硬 件平台，采用可扩充、高可靠性的嵌入式实时操作系统的软件设计方法，完成了电 缆温度采集终端的设计。 t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机具有超低功耗的突出特点1 1 6 1 ， 符合电缆温度采集 终端的一项重要设计要求。以前在使用 ms p 4 3 0 系列单片机时，多采用前后台的软 件设计方法，嵌入式开发在处理器上直接进行，前台也叫中断级，由中断服务程序 处理异步事件;后台又称任务级，以一个无限循环作为主控程序，调用相应的函数 完成各种操作。这种软件设计方法存在三个主要的缺陷:一是中断不能得到及时响 应，处理时间长，无法保证系统的实时要求;二是当系统需要完成的任务很多时， 要考虑的各种可能性太多，增加了软件编写的难度，同时降低了软件的可靠性;三 是各任务之间交换信息困难，如果调用不当就会发生锁死。可见，前后台的软件设 计方法只适合在单片机所控制的外设和执行的任务不多，且实时性要求不高时使 用。如果需要对整个系统进行较复杂的任务调度和管理，就需要考虑使用嵌入式实 时操作系统的软件设计方法囚 。 嵌入式实时操作系统是嵌入式系统软件设计的必然发展趋势 2 2 ) 3 0 ， 它是应用软 件的基础和开发平台， 可以看作是一个功能强大的主控程序， 它嵌入到目标代码中， 系统复位后首先执行，负责在硬件基础上，为应用软件建立一个可靠的运行环境。 华北电力大学硕士学位论文 采用短距离无线通信的数据传输方式，使线路巡检人员只要手持巡检故障分析 仪，进入终端装置的信号覆盖范围之内，即可以方便地在地上仪器与地下装置之间 建立通信链路，完成各种命令和数据的传输工作。 测温范围广、精度高 电缆温度采集终端采用表面接触式热敏电阻的测温方式，温度测量范围为一 5 0 0c + 1 2 5 0c , 测温精度达到0 .2 5 c， 完全能够覆盖电缆运行时的温度变化范围，以 及出现故障时的异常温度点。 数据传输的实时性与可靠性高 单个终端装置之间相互独立，分别与巡检故障分析仪建立通信链路，这种通信 方式保证了每个终端装置都能够及时响应巡检故障分析仪的命令，并保证了传输数 据的可靠性。 .成本低 在设计电缆温度采集终端的过程中，从硬件到软件，处处考虑到了降低成本的 问题。如上面所讲的集成度高、功耗低、电池使用寿命长、便于安装维护等特点， 都是降低成本的关键因素。 1 . 2本课题的研究目的和意义 本课题结合嵌入式系统的设计思想，以低功耗微处理器芯片ms p 4 3 0 f 1 4 9 为硬 件平台，采用可扩充、高可靠性的嵌入式实时操作系统的软件设计方法，完成了电 缆温度采集终端的设计。 t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机具有超低功耗的突出特点1 1 6 1 ， 符合电缆温度采集 终端的一项重要设计要求。以前在使用 ms p 4 3 0 系列单片机时，多采用前后台的软 件设计方法，嵌入式开发在处理器上直接进行，前台也叫中断级，由中断服务程序 处理异步事件;后台又称任务级，以一个无限循环作为主控程序，调用相应的函数 完成各种操作。这种软件设计方法存在三个主要的缺陷:一是中断不能得到及时响 应，处理时间长，无法保证系统的实时要求;二是当系统需要完成的任务很多时， 要考虑的各种可能性太多，增加了软件编写的难度，同时降低了软件的可靠性;三 是各任务之间交换信息困难，如果调用不当就会发生锁死。可见，前后台的软件设 计方法只适合在单片机所控制的外设和执行的任务不多，且实时性要求不高时使 用。如果需要对整个系统进行较复杂的任务调度和管理，就需要考虑使用嵌入式实 时操作系统的软件设计方法囚 。 嵌入式实时操作系统是嵌入式系统软件设计的必然发展趋势 2 2 ) 3 0 ， 它是应用软 件的基础和开发平台， 可以看作是一个功能强大的主控程序， 它嵌入到目标代码中， 系统复位后首先执行，负责在硬件基础上，为应用软件建立一个可靠的运行环境。 华北电力大学硕士学位论文 此外，嵌入式实时操作系统还是一个标准的内核，基本功能包括任务管理、时间管 理、信号量管理等，这些管理功能以内核服务函数的形式交给用户调用，并根据各 个任务的轻重缓急， 合理地在它们之间分配c p u时间和系统资源， 利用信号量实现 任务之间的同步与通信17 1 。由于嵌入式实时操作系统能够将应用软件划分为多个任 务，简化了应用系统的软件设计，良 好的多任务调度与管理，有助于提高系统的稳 定性和可靠性。 1 . 3 本课题的研究内容 本课题主要完成以下几个方面的工作: 根据电缆温度采集终端的功能要求和特殊的性能要求，完成该终端的整体 设计方案。 完成基于低功耗微处理器 ms p 4 3 0 f 1 4 9的嵌入式实时操作系统的设计，该 操作系统具有以下特点: 能同时调度的最大任务数为 1 6个。每个任务占据一个优先级，不支持多个 任务有相同的优先级; .采用优先级可抢占式内核设计，保证系统的实时响应速度，使任务调度延迟 和中断延迟达到最小; .支持信号量功能，用以实现任务间的同步和通信。 .合理安排操作系统对 ms p 4 3 0 f 1 4 9 存储器空间的占用，对 r o m的占用控制 在 2 0 k b以内，对 r a m的占用控制在2 k b以内。 在嵌入式实时操作系统的基础上，完成电缆温度采集终端的应用系统设计。 1 . 4 嵌入式实时操作系统的特点 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统18 1 。这种 专用计算机系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和特定的 应用程序组成。具有专用性强、代码精简、软硬件相互依赖、实时性高等特点 操作系统是连接计算机硬件和应用程序的系统程序。它有两个基本功能:使计 算机硬件便于使用;高效地组织和正确地使用计算机资源。嵌入式操作系统是指面 向应用的，具有多任务处理能力的微处理器系统程序，用户的其它应用程序都建立 在嵌入式操作系统之上，另一方面，嵌入式操作系统又是与应用程序紧密结合在一 起的，它们之间的界限很模糊，通常是为特定的应用而一体化设计的。 嵌入式操作系统又可以分为实时操作系统 ( r t o s ) 和分时操作系统两类。 实时 操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。它的主要任务是 华北电力大学硕士学位论文 此外，嵌入式实时操作系统还是一个标准的内核，基本功能包括任务管理、时间管 理、信号量管理等，这些管理功能以内核服务函数的形式交给用户调用，并根据各 个任务的轻重缓急， 合理地在它们之间分配c p u时间和系统资源， 利用信号量实现 任务之间的同步与通信17 1 。由于嵌入式实时操作系统能够将应用软件划分为多个任 务，简化了应用系统的软件设计，良 好的多任务调度与管理，有助于提高系统的稳 定性和可靠性。 1 . 3 本课题的研究内容 本课题主要完成以下几个方面的工作: 根据电缆温度采集终端的功能要求和特殊的性能要求，完成该终端的整体 设计方案。 完成基于低功耗微处理器 ms p 4 3 0 f 1 4 9的嵌入式实时操作系统的设计，该 操作系统具有以下特点: 能同时调度的最大任务数为 1 6个。每个任务占据一个优先级，不支持多个 任务有相同的优先级; .采用优先级可抢占式内核设计，保证系统的实时响应速度，使任务调度延迟 和中断延迟达到最小; .支持信号量功能，用以实现任务间的同步和通信。 .合理安排操作系统对 ms p 4 3 0 f 1 4 9 存储器空间的占用，对 r o m的占用控制 在 2 0 k b以内，对 r a m的占用控制在2 k b以内。 在嵌入式实时操作系统的基础上，完成电缆温度采集终端的应用系统设计。 1 . 4 嵌入式实时操作系统的特点 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统18 1 。这种 专用计算机系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和特定的 应用程序组成。具有专用性强、代码精简、软硬件相互依赖、实时性高等特点 操作系统是连接计算机硬件和应用程序的系统程序。它有两个基本功能:使计 算机硬件便于使用;高效地组织和正确地使用计算机资源。嵌入式操作系统是指面 向应用的，具有多任务处理能力的微处理器系统程序，用户的其它应用程序都建立 在嵌入式操作系统之上，另一方面，嵌入式操作系统又是与应用程序紧密结合在一 起的，它们之间的界限很模糊，通常是为特定的应用而一体化设计的。 嵌入式操作系统又可以分为实时操作系统 ( r t o s ) 和分时操作系统两类。 实时 操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。它的主要任务是 华北电力大学硕士学位论文 此外，嵌入式实时操作系统还是一个标准的内核，基本功能包括任务管理、时间管 理、信号量管理等，这些管理功能以内核服务函数的形式交给用户调用，并根据各 个任务的轻重缓急， 合理地在它们之间分配c p u时间和系统资源， 利用信号量实现 任务之间的同步与通信17 1 。由于嵌入式实时操作系统能够将应用软件划分为多个任 务，简化了应用系统的软件设计，良 好的多任务调度与管理，有助于提高系统的稳 定性和可靠性。 1 . 3 本课题的研究内容 本课题主要完成以下几个方面的工作: 根据电缆温度采集终端的功能要求和特殊的性能要求，完成该终端的整体 设计方案。 完成基于低功耗微处理器 ms p 4 3 0 f 1 4 9的嵌入式实时操作系统的设计，该 操作系统具有以下特点: 能同时调度的最大任务数为 1 6个。每个任务占据一个优先级，不支持多个 任务有相同的优先级; .采用优先级可抢占式内核设计，保证系统的实时响应速度，使任务调度延迟 和中断延迟达到最小; .支持信号量功能，用以实现任务间的同步和通信。 .合理安排操作系统对 ms p 4 3 0 f 1 4 9 存储器空间的占用，对 r o m的占用控制 在 2 0 k b以内，对 r a m的占用控制在2 k b以内。 在嵌入式实时操作系统的基础上，完成电缆温度采集终端的应用系统设计。 1 . 4 嵌入式实时操作系统的特点 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统18 1 。这种 专用计算机系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和特定的 应用程序组成。具有专用性强、代码精简、软硬件相互依赖、实时性高等特点 操作系统是连接计算机硬件和应用程序的系统程序。它有两个基本功能:使计 算机硬件便于使用;高效地组织和正确地使用计算机资源。嵌入式操作系统是指面 向应用的，具有多任务处理能力的微处理器系统程序，用户的其它应用程序都建立 在嵌入式操作系统之上，另一方面，嵌入式操作系统又是与应用程序紧密结合在一 起的，它们之间的界限很模糊，通常是为特定的应用而一体化设计的。 嵌入式操作系统又可以分为实时操作系统 ( r t o s ) 和分时操作系统两类。 实时 操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。它的主要任务是 华北电力大学硕士学位论文 调度一切可以利用的资源，对事件进行实时处理，虽然事件可能在无法预知的时刻 到来，但软件必须在事件随机发生时，在严格的时间限制内做出响应。对于分时操 作系统来说，注重的是计算机资源在所有任务之间的平均分配，软件的执行在时间 上的要求并不严格 任务必须优先执行 。而实时操作系统关心的是一个任务在系统中的重要程度，重要 嵌入式实时操作系统的实时性主要取决于它的任务调度机制。从调度方式上来 说， 分为不可 抢占 式内 核和可 抢占 式内 核2 6 2 7 1 。 不可抢占 式内 核要求每个 任务主动 放弃c p u的使用权， 异步事件还是由中断服务来处理。 中断服务可能使一个高优先 级的任务进入就绪态，但中断服务结束后，使用权还是回到原来被中断了的那个任 务， 直到该任务主动放弃c p u使用权， 新的高优先级任务才能获得 c p u的使用权。 当系统响应时间很重要时，须使用可抢占式内核，实际上，采用这种调度方式才能 称得上是真正的实时操作系统2 8 1 。 在可抢占式内 核中， 一个正在运行的任务使一个 比它优先级高的任务进入就绪态时， 当前任务的c p u使用权就被剥夺了， 或者说被 挂起了， 更高优先级的任务可以立即得到c p u的使用权。 如果是中断服务子程序使 一个高优先级的任务进入就绪态，中断完成后，中断了的任务会被挂起，高优先级 的 任务开始运行。 可抢占 式内 核使任务级响应时间 得以 最优化2 9 1 。 我们设计的嵌入 式实时操作系统具备优先级可抢占式内核。 5 嵌入式实时操作系统的发展 5 . 1 嵌入式实时操作系统的发展历史 r t o s的研究是从 2 0世纪 6 0年代开始的，几乎随嵌入式系统同时出现。1 9 8 1 年， r e a d y s y s t e m发展了 世界上第一个商业嵌入式实时内 核v r t x 3 2 1 9 1 。 从系统结 构上看，r t o s 曾经历了三个发展阶段7 1 , 令 早期的实时操作系统 早期的实时操作系统还不能称为真正的 r t o s ，它们只是小而简单的、带有一 定专用性的软件，功能较弱，可以认为是一种实时监控程序。一般提供系统的初始 化管理和简单的实时时钟管理，有时也引入任务调度和简单的任务间协调等功能。 应用程序、实时监控程序和硬件运行平台往往是紧密联系在一起的。 令 专用实时操作系统 随着应用的发展，有些实时系统的开发者为了满足实时应用的需要， 与特定硬件相匹配的实时操作系统 适用于特定的硬件环境。 今 通用实时操作系统 在各种专用实时操作系统中， 。它们中的许多是用汇编语言实现的， 自己研制 并且只能 一些多任务的机制， 5 如基于优先级的调度、实时 华北电力大学硕士学位论文 调度一切可以利用的资源，对事件进行实时处理，虽然事件可能在无法预知的时刻 到来，但软件必须在事件随机发生时，在严格的时间限制内做出响应。对于分时操 作系统来说，注重的是