基于VxWorks的电气化铁路牵引供电自动化系统应用

　　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WindRiverSystem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。

　　2.3TrueFFS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。

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