基于VxWorks的电气化铁路牵引供电自动化系统应用

摘 要 VxWorks操作系统为电气化铁路牵引自动化系统的实现提供了技术基础。根据电气化铁路牵引自动化产品的功能要求，建立软硬件实现方案，深入分析任务划分、消息管理、中断管理、时钟管理等关键技术。通过该技术平台开发出系列化保护及测控产品，对于同类产品的开发具有指导意义。

关键词 VxWorks；任务；中断；消息；调度

中图分类号TP29 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）96-0210-03

0 引言

随着我国电气化铁路尤其是高速客运专线建设的蓬勃发展，牵引供电系统发展非常迅速。牵引供电系统作为给高速铁路提供源动力的关键系统之一，是高速铁路的重要装备。近年来随着高速以太网通信技术、基于IEC61850标准的数字化变电站技术、智能电网技术等在电力系统的广泛应用，上述各项技术在电气化铁路牵引自动化系统中也具有广阔的发展空间和应用前景。

而上述各项技术的实现必须以实时多任务操作系统（RTOS）为实现基础，而vxworks操作系统作为一种成熟、稳定、功能丰富的强实时多任务操作系统，为智能牵引供电自动化系统的实现提供技术手段。

VxWorks操作系统是美国Wind River System公司推出的一套实时多任务操作系统，以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等，也在网络通信、工业控制、消费电子、交通运输等方面得到了广泛应用。VxWorks作为一款功能强大而且比较复杂的操作系统，包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分，对Intel公司的X86、freescal公司的68K、coldfire、PowerPC以及其它多款单片机提供功能支持，极大方便了嵌入式产品的开发和应用。

1系统基本硬件方案

在该系统中两片高速并行A/D，最多可以完成16路模拟信号的同步采集，可以满足保护处理及测量功能的要求。保护定值、配置等重要信息除了在FLASH中以文件方式存储外，还在EEPROM中进行双重备份，以保证系统可靠运行。实时时钟芯片RTC为系统提供必要的时钟信息，当装置停电后通过备用电池为其供电，保证时钟的实时更新。

遥测、遥信、电度、SOE、保护动作信息等频繁变化数据保存在NVRAM中，停电不会丢失，并且确保装置重新运行后在原有基础上刷新数据，保证了上述数据变化的连续性。人机接口HMI包括：液晶、键盘及专用维护串口，可以实现对装置的维护管理。此外系统提供较为丰富的串口、CAN口和以太网口，可以满足与外部通信的需求。

2 系统软件方案

2.1 基本功能及任务划分

在VxWorks操作系统中，采用基于优先级的任务调度策略，对于相同优先级的任务则采用时间片轮转的方式调度。任务级别划分为256级，优先级号越小则优先级别越高。

按照嵌入式操作系统的设计思想，所有的软件功能都必须按照任务进行划分和设计，任务划分采用高内聚低耦合的原则，尽量减少任务间的相互关联和影响，确保软件设计的模块化和层次化。

2.2 基于消息的任务间通信机制

VxWorks操作系统提供多种任务间通信机制，包括：信号量、消息队列、管道等，为了实现软件的跨平台设计，本系统采取了一种类似WINDOWS的消息机制，任务之间以及中断服务程序与任务间都采用统一的消息机制进行通信，方便整个系统软件在不同操作系统平台上的移植工作。每个任务创建时，同时创建自己的消息队列，当其它任务需要通知本任务时，通过事件通知次任务，并将要传递的消息内容放入被通知任务的消息队列中；在系统运行过程中，每个任务都以阻塞方式等待事件资源，一旦获取有效的事件后，则开始处理本任务的消息队列，根据消息类型的不同完成不同的消息响应。这样在尽量少占用CPU资源前提下，实现了任务间的快速通信。

对于每个应用任务，都采用统一的软件编写模式，即：消息响应声明、任务初始化、消息响应函数。应用软件设计人员不需要关心与具体操作系统的接口，保证了软件设计可靠性，并提高了编码效率。

2.3 TrueFFS文件系统及故障录波处理

针对本系统的物理存储设备，底层采用了TrueFFS文件系统完成对FLASH的管理，上层采用与MD-DOS基本兼容的dos-Fs文件系统，这样通过标准的I/O操作接口即可实现方便的文件系统操作。

为了便于管理和故障分析，系统采用基于Comtrade标准的故障录波功能，最大可以记录30个通道的有效数据（包括16个原始模拟采样通道、8个合成模拟通道和96个点的数字通道）。

每次记录故障前1秒和故障后1秒的数据，每组录波包含配置文件和数据文件两个，最大占用空间不超过200K字节。整个文件系统，最多可以保存16组录波记录。

针对实际需求不同，可以通过配置工具调整录波通道个数和录波时间，从而保证故障录波的优化设计。

2.4 中断管理及保护任务实现

在嵌入式实时操作系统，任务的基本调度单位为tick，根据系统配置每个tick对应一定的时间单位，一般为1ms～20ms。

如果tick设置的时间单位较大，则每次任务调度间隔较长，整个系统的实时性会大大降低，产品的部分性能会受到影响；如果tick设置的时间单位较小，任务调度过于频繁，任务上下文切换所导致的CPU系统开销较大，整个系统的效率会大大降低。

因此需要对系统综合权衡，设置合理的tick值，任务与中断功能合理分配，从而保证产品的实时、高效。

在电气化铁路牵引自动化产品中，对保护功能的实时性有很高的，即实时、可靠、可度量。

如电铁变压器差动保护的差动速断保护功能需要在30ms内完成动作出口，其它电铁馈线保护、电铁并补保护装置的基本保护功能也要求在40ms内完成动作出口。

扣除硬件设备动作延时，保护任务需要在3ms～5ms内完成异常快速响应及判断处理，才能保证上述功能的准确性、可靠性。

根据系统软件设计特点，tick时间设置为10ms，为保证保护任务实时性，保护任务采用消息驱动机制进行任务调度，而不是定时调度。

2.5 时钟管理

保护功能动作的时间准确程度，在很大程度上取决于系统的时钟信息。本系统采用软硬件结合的方式，完成时间正确采集与管理。

外部IRIG-B信号送给MCF52XX的eTPU模块，该模块为增强型时序处理单元，作为一个半独立的协处理器，在不需要CPU参与的情况下，可以完成高速复杂的时序操作。

通过软件配合，eTPU模块可以准确的解析出IRIG-B信号中的相关时间信息，并可以准确获取整秒钟的时刻。

时间信息的毫秒值则由毫秒定时器产生，并通过eTPU模块检测到整秒的准确时刻进行及时修正。

3 系统实现特点及优越性

3.1VxWorks操作系统提供了强大技术支撑和保证

VxWorks操作系统作为一款功能强大的实时嵌入式系统产品，提供了丰富多样、稳定可靠的软件功能模块及方便快捷的集成调试环境。

以此为基础，用户可以方便的开发各种软件应用，如设备驱动、文件系统、以太网通信、HMI模块，为IEC61850标准及智能电网技术在电气化铁路牵引自动化领域的快速推广应用提供了技术支撑。

3.2层次化、模块化、跨平台设计

本系统采用层次化、模块化的设计思想，根据系统配置进行软硬件层次划分，并细化各层次上的功能模块。

软件功能以任务为基本功能单位，结合以有效的任务间同步及互斥管理手段，保证了产品的各项功能及性能。

层次化跨平台设计思想，减少了具体硬件环境、不同操作系统对上层应用软件的影响与耦合，方便了应用软件在不同软硬件平台的移植与转换，更便于产品的系列化开发与应用。

3.3改变保护设计思想，提高了产品开发效率

嵌入式操作系统的应用改变了传统基于装置的保护产品设计开发思想，而是采用模块化设计。根据保护功能进行数据库、保护算法、采样处理、硬件驱动、设备链路管理、端口管理、通信规约等软件模块划分，通过对上述模块尤其保护算法的灵活组织搭配即可形成不同的保护产品。从而大大降低了保护产品开发难度，提高了产品开发效率，方便产品的维护和升级。

4 结论

采用本技术方案开发出了电铁变压器差动保护、电铁馈线保护、电铁并补保护、电铁故障测距等一系列保护测控，并通过了严格的相关外部测试，各项功能与性能指标均达到了预期设计目标。

参考文献

[1]MCF5235 Reference Manual. Freescale.2006.

[2]VxWorks Application Programmer’s Guide， 6.8. 2010.

[3]The Essentials of Enhanced Time Processing Unit.Freescale， 2006.