基于VxWorks的載波通信管理裝置軟件設(shè)計(jì)

姜元建，王 斌

0 引言

近年來(lái)國(guó)家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，配電自動(dòng)化和營(yíng)銷(xiāo)自動(dòng)化是當(dāng)前智能電網(wǎng)發(fā)展的重要組成部分，配用電通信是決定配用電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)成敗的關(guān)鍵。配用電通信網(wǎng)采用多種通信方式相結(jié)合的原則組建，主要有光通信、無(wú)線通信、電力線載波通信[1]。配用電通信網(wǎng)的管理以智能化電網(wǎng)發(fā)展需求為核心，不斷提高對(duì)各級(jí)配用電通信資源的調(diào)配能力、提高對(duì)各類(lèi)通信業(yè)務(wù)的承載能力、提高對(duì)各種自然災(zāi)害和外力破壞的抵御能力，建設(shè)符合堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的配用電通信網(wǎng)一體化智能管理系統(tǒng)。載波通信管理裝置是配用電通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)中的中壓載波設(shè)備通信信息樞紐，本文最終目的是要構(gòu)建一個(gè)在VxWorks 操作系統(tǒng)支持下適用于中壓載波設(shè)備通信狀態(tài)采集、診斷、測(cè)試的控制應(yīng)用軟件，包括載波監(jiān)測(cè)、參數(shù)整定/查詢(xún)、數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)調(diào)度、WEB 服務(wù)、FTP 服務(wù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，智能配用電通信綜合管系統(tǒng)，如圖1所示：

圖1 智能配用電通信綜合網(wǎng)管結(jié)構(gòu)

1 概述

1.1 VxWorks 概述

VxWorks 是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的具有高性能、可裁減的操作系統(tǒng)，提供了高效的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度、中斷管理，實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信等功能支持，并為應(yīng)用于各種CPU 平臺(tái)提供了統(tǒng)一的編程接口和一致的運(yùn)行特性，為程序開(kāi)發(fā)提供了方便[2]。VxWorks 與Linux、Unix 等其他操作系統(tǒng)比較具有高性能的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以其良好的持續(xù)發(fā)展能力，高性能的內(nèi)核，友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，高可靠性和實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域。

載波通信管理裝置采用VxWorks，可以大大提高系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)具有高效的TCP/IP 協(xié)議棧可以實(shí)時(shí)與PLC 專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管軟件通信，并可以遠(yuǎn)方診斷、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)載波設(shè)備的通信情況，進(jìn)行遠(yuǎn)方設(shè)備管理維護(hù)。

1.2 硬件平臺(tái)

載波通信管理裝置采用基于 32 位工業(yè)處理器ARM9(AT91RM9200)的硬件平臺(tái)，16MB Flash、64MB RAM、2 個(gè)16 位定時(shí)器、1 個(gè)看門(mén)狗、12 路帶光電隔離RS-232/485 接口、1 路10M/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)端口和1 個(gè)10M 以太網(wǎng)端口。支持雙以太網(wǎng)技術(shù)、串行口通信等，功耗低，可靠性高，具有完善周密的電路設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的技術(shù)支持。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：MCU 及外圍電路，SDRAM 和FLASH 電路，雙以太網(wǎng)，RS232/RS485 串行口，電源、復(fù)位電路等。

2 通信方案

載波網(wǎng)管信息通信方案，如錯(cuò)誤！未找到引用源。所示：

圖2 載波網(wǎng)管信息通信方案

載波通信管理裝置與主站的PLC 專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信，采用TCP/IP 通信協(xié)議，通信規(guī)約采用《Q/GDW 376.1-2009 電力用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)主站與采集終端通信協(xié)議》的幀格式[3]，針對(duì)載波設(shè)備信息定義了參數(shù)數(shù)據(jù)、控制命令、1 類(lèi)數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)單元格式。PLC 專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管軟件通過(guò)配用電通信北向接口標(biāo)準(zhǔn)接入到配用電通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。

載波通信管理裝置通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)口與主載波設(shè)備的命令口通信，采集中壓載波設(shè)備的通道質(zhì)量、路徑等信息主動(dòng)上報(bào)給網(wǎng)管系統(tǒng)，接收來(lái)自網(wǎng)管系統(tǒng)的控制命令對(duì)中壓載波設(shè)備進(jìn)行載波通道通信狀態(tài)的診斷、測(cè)試等操作。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

載波通信管理裝置軟件包括實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、底層BSP 軟件和上層應(yīng)用軟件3 大部分，總體結(jié)構(gòu)，如圖3所示：

圖3 通信管理裝置軟件總體結(jié)構(gòu)

VxWorks 操作系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、載波通信管理裝置的硬件接口操作及與底層BSP 軟件的連接，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)、協(xié)調(diào)、管理裝置的硬件資源。

底層BSP 軟件是針對(duì)裝置的硬件平臺(tái)所編寫(xiě)的啟動(dòng)代碼和部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的集合，實(shí)現(xiàn)初始化和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)備。BSP 需要支持處理器復(fù)位、初始化、驅(qū)動(dòng)串口、網(wǎng)絡(luò)口以及必要的時(shí)鐘處理等[4]。

上層應(yīng)用軟件是載波通信管理裝置軟件的核心，采集各中壓載波設(shè)備的通道狀態(tài)，與PLC 專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管軟件通信實(shí)現(xiàn)裝置參數(shù)的遠(yuǎn)方整定/查詢(xún)、上送載波通道狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)、對(duì)載波通道進(jìn)行通信診斷、測(cè)試等操作，同時(shí)還具有數(shù)據(jù)傳輸、WEB 服務(wù)等任務(wù)。軟件功能結(jié)構(gòu)，如圖所示：

圖4 載波通信管理裝置應(yīng)用軟件功能結(jié)構(gòu)圖

其中載波監(jiān)測(cè)任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)根據(jù)12 路串口的配置參數(shù)會(huì)啟動(dòng)多個(gè)任務(wù)。各應(yīng)用軟件模塊將在實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(VxWorks)的調(diào)度、管理下，以不同的優(yōu)先級(jí)完成各項(xiàng)任務(wù)，采用共享內(nèi)存、消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)多任務(wù)間的同步與通信[5]。

3.2 監(jiān)聽(tīng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

通信監(jiān)聽(tīng)任務(wù)負(fù)責(zé)維護(hù)通信管理裝置的所有通信任務(wù)：監(jiān)聽(tīng)串口配置參數(shù)、與主站通信參數(shù)的變更情況，根據(jù)當(dāng)前各通信任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)用taskSpawn、taskDelete 實(shí)現(xiàn)各任務(wù)的啟動(dòng)、停止；根據(jù)各通信任務(wù)的軟件心跳判斷任務(wù)是否正常運(yùn)行，停止異常的任務(wù)并重新啟動(dòng)該任務(wù)，統(tǒng)計(jì)各通信任務(wù)的啟動(dòng)次數(shù)。以通信任務(wù)的啟動(dòng)、停止為例：

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信和Q/GDW 376.1-2009 規(guī)約的實(shí)現(xiàn)

通信管理裝置與PLC 專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管軟件采用TCP/IP 通信協(xié)議，《Q/GDW 376.1-2009 規(guī)約》的幀格式，網(wǎng)絡(luò)通信由通信任務(wù)和規(guī)約服務(wù)任務(wù)實(shí)現(xiàn)：通信任務(wù)負(fù)責(zé)TCP 連接的建立、維護(hù)及數(shù)據(jù)收發(fā)；規(guī)約服務(wù)任務(wù)負(fù)責(zé)下行報(bào)文的解析處理、上行報(bào)文的組裝，實(shí)現(xiàn)裝置參數(shù)的遠(yuǎn)方整定/查詢(xún)、響應(yīng)遠(yuǎn)方設(shè)備診斷、測(cè)試等控制命令、響應(yīng)參數(shù)復(fù)位、硬件復(fù)位等操作，采集到的載波設(shè)備通信狀態(tài)信息主動(dòng)發(fā)送給網(wǎng)管軟件。數(shù)據(jù)流程，如圖4所示：

圖4 網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)數(shù)據(jù)流程

通信管理裝置通過(guò)參數(shù)配置為客戶(hù)端或服務(wù)端，默認(rèn)為客戶(hù)端方式。作為客戶(hù)端時(shí)：在建立TCP 連接前應(yīng)定時(shí)不斷地向PLC 專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管軟件發(fā)出連接請(qǐng)求；作為服務(wù)端時(shí)：在建立TCP 連接前應(yīng)一直處于偵聽(tīng)狀態(tài)并等待PLC 專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管軟件的連接請(qǐng)求。連接建立后按心跳周期發(fā)送心跳報(bào)文監(jiān)測(cè)TCP 連接的狀態(tài)，當(dāng)連接關(guān)閉后重新發(fā)出連接請(qǐng)求或重新進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)。

3.4 載波監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

通信管理裝置通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)口與主載波設(shè)備的命令口通信實(shí)現(xiàn)載波設(shè)備工作狀況的監(jiān)測(cè)，采集主載波設(shè)備主動(dòng)上送的數(shù)據(jù)，分析統(tǒng)計(jì)通道質(zhì)量、路徑等信息獲得載波設(shè)備的工作狀況，作為1 類(lèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采用共享內(nèi)存、消息隊(duì)列與通信任務(wù)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，由通信任務(wù)將采集的1 類(lèi)數(shù)據(jù)主動(dòng)上送給網(wǎng)管系統(tǒng)，載波監(jiān)測(cè)任務(wù)響應(yīng)網(wǎng)管系統(tǒng)對(duì)載波設(shè)備的故障診斷、通信測(cè)試操作，并由通信任務(wù)將執(zhí)行結(jié)果應(yīng)答網(wǎng)管系統(tǒng)。

3.5 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)可實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)(配電主站)和主載波設(shè)備數(shù)據(jù)口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，支持TCPServer、TCPClient、UDP 通信方式與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)串口連接主載波設(shè)備的數(shù)據(jù)口。監(jiān)聽(tīng)任務(wù)根據(jù)串口工作方式配置為數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)啟動(dòng)兩個(gè)任務(wù)：數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)任務(wù)接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給主載波設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸串口通信任務(wù)則接收主載波設(shè)備的數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。

3.6 WEB 服務(wù)的實(shí)現(xiàn)

通信管理裝置內(nèi)嵌WebServer，WEB 服務(wù)任務(wù)響應(yīng)用戶(hù)通過(guò)瀏覽器對(duì)裝置的遠(yuǎn)程訪問(wèn)、控制和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程WEB 方式的參數(shù)整定/查詢(xún)，載波設(shè)備工作狀況、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的查詢(xún)?yōu)g覽。

4 測(cè)試和實(shí)驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)按照配網(wǎng)載波工程的實(shí)際案例搭建，由網(wǎng)管軟件、載波通信管理裝置、主載波機(jī)、從載波機(jī)四部分組成。網(wǎng)管軟件管理兩臺(tái)載波通信管理裝置、每臺(tái)通信管理裝置各自監(jiān)測(cè)兩個(gè)載波網(wǎng)絡(luò)，供給4 臺(tái)主載波機(jī)、14 臺(tái)從載波機(jī)。網(wǎng)管軟件及載波設(shè)備采用南瑞集團(tuán)公司的DSS100 載波通信專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管軟件、PLC-075B 主載波機(jī)和PLC-075F 從載波機(jī)。主從載波機(jī)之間采用載波通信、主載波機(jī)與通信管理裝置之間采用串口通信、通信管理裝置與網(wǎng)管軟件之間采用以太網(wǎng)通信，測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)功能的完備性、準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

4.2 測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和苛刻的實(shí)驗(yàn)，基于嵌入式硬件平臺(tái)的載波通信管理裝置能夠按照要求完成與載波專(zhuān)業(yè)網(wǎng)管軟件之間的通信，網(wǎng)管軟件能夠正確、快速地顯示各臺(tái)載波機(jī)的工作狀態(tài)，故障診斷、設(shè)備測(cè)試快速、穩(wěn)定可靠。采用以太網(wǎng)通過(guò)《Q/GDW 376.1-2009 用電信息傳輸規(guī)約》與載波網(wǎng)管軟件通信，系統(tǒng)可靠性高，通信速度快，完全符合配用電自動(dòng)化系統(tǒng)通信要求。

5 結(jié)論

多個(gè)實(shí)際工程的應(yīng)用結(jié)果表明基于VxWorks的嵌入式載波通信管理裝置支持雙以太網(wǎng)技術(shù)、串行口通信，支持多種通信規(guī)約，裝置參數(shù)動(dòng)態(tài)整定。能夠快速準(zhǔn)確可靠地采集所監(jiān)測(cè)的載波網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)、進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并快速地將采集的信息傳遞給網(wǎng)管系統(tǒng)。支持遠(yuǎn)程故障診斷、設(shè)備測(cè)試來(lái)確定是載波設(shè)備故障還是終端故障，縮小了故障范圍，為現(xiàn)場(chǎng)檢修節(jié)約了成本。載波通信管理裝置具有安裝方便、成本低廉、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，將得到廣泛地應(yīng)用。

[1]Q/GDW 382-2009 配電自動(dòng)化技術(shù)導(dǎo)則[S].2009.

[2]Wind River.VxWorks 開(kāi)發(fā)人員指南叢書(shū)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[3]Q/GDW 376.1-2009 電力用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)通信協(xié)議，第一部分：主站與采集終端通信協(xié)議[S].2009.

[4]康靜，鄭建勇，袁濤，等.VxWorks 在AT91RM9200上的BSP 設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（10）：78-82.

[5]張揚(yáng),于銀濤.VxWorks 內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)與BSP 開(kāi)發(fā)詳解[M].北京:人民郵電出版社,2009.