基于VxWorks的載波通信管理裝置軟件設計

姜元建，王 斌

0 引言

近年來國家電網公司提出了建設堅強智能電網的發展目標，配電自動化和營銷自動化是當前智能電網發展的重要組成部分，配用電通信是決定配用電自動化系統建設成敗的關鍵。配用電通信網采用多種通信方式相結合的原則組建，主要有光通信、無線通信、電力線載波通信[1]。配用電通信網的管理以智能化電網發展需求為核心，不斷提高對各級配用電通信資源的調配能力、提高對各類通信業務的承載能力、提高對各種自然災害和外力破壞的抵御能力，建設符合堅強智能電網的配用電通信網一體化智能管理系統。載波通信管理裝置是配用電通信綜合網管系統中的中壓載波設備通信信息樞紐，本文最終目的是要構建一個在VxWorks 操作系統支持下適用于中壓載波設備通信狀態采集、診斷、測試的控制應用軟件，包括載波監測、參數整定/查詢、數據傳輸、任務調度、WEB 服務、FTP 服務及數據存儲等功能，智能配用電通信綜合管系統，如圖1所示：

圖1 智能配用電通信綜合網管結構

1 概述

1.1 VxWorks 概述

VxWorks 是專門為實時嵌入式系統而開發的具有高性能、可裁減的操作系統，提供了高效的實時多任務調度、中斷管理，實時的系統資源以及實時的任務間通信等功能支持，并為應用于各種CPU 平臺提供了統一的編程接口和一致的運行特性，為程序開發提供了方便[2]。VxWorks 與Linux、Unix 等其他操作系統比較具有高性能的微內核結構，以其良好的持續發展能力，高性能的內核，友好的用戶開發環境，高可靠性和實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域。

載波通信管理裝置采用VxWorks，可以大大提高系統通信的穩定性和實時性，系統具有高效的TCP/IP 協議棧可以實時與PLC 專業網管軟件通信，并可以遠方診斷、測試現場載波設備的通信情況，進行遠方設備管理維護。

1.2 硬件平臺

載波通信管理裝置采用基于 32 位工業處理器ARM9(AT91RM9200)的硬件平臺，16MB Flash、64MB RAM、2 個16 位定時器、1 個看門狗、12 路帶光電隔離RS-232/485 接口、1 路10M/100M 自適應以太網端口和1 個10M 以太網端口。支持雙以太網技術、串行口通信等，功耗低，可靠性高，具有完善周密的電路設計和強大的技術支持。系統硬件結構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，RS232/RS485 串行口，電源、復位電路等。

2 通信方案

載波網管信息通信方案，如錯誤！未找到引用源。所示：

圖2 載波網管信息通信方案

載波通信管理裝置與主站的PLC 專業網管軟件通過網絡通信，采用TCP/IP 通信協議，通信規約采用《Q/GDW 376.1-2009 電力用戶用電信息采集系統主站與采集終端通信協議》的幀格式[3]，針對載波設備信息定義了參數數據、控制命令、1 類數據的各數據單元格式。PLC 專業網管軟件通過配用電通信北向接口標準接入到配用電通信綜合網管系統。

載波通信管理裝置通過串口或網絡口與主載波設備的命令口通信，采集中壓載波設備的通道質量、路徑等信息主動上報給網管系統，接收來自網管系統的控制命令對中壓載波設備進行載波通道通信狀態的診斷、測試等操作。

3 軟件實現

3.1 總體設計方案

載波通信管理裝置軟件包括實時多任務操作系統、底層BSP 軟件和上層應用軟件3 大部分，總體結構，如圖3所示：

圖3 通信管理裝置軟件總體結構

VxWorks 操作系統主要負責任務調度、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，負責驅動、協調、管理裝置的硬件資源。

底層BSP 軟件是針對裝置的硬件平臺所編寫的啟動代碼和部分設備驅動程序的集合，實現初始化和驅動部分設備。BSP 需要支持處理器復位、初始化、驅動串口、網絡口以及必要的時鐘處理等[4]。

上層應用軟件是載波通信管理裝置軟件的核心，采集各中壓載波設備的通道狀態，與PLC 專業網管軟件通信實現裝置參數的遠方整定/查詢、上送載波通道狀態信息等數據、對載波通道進行通信診斷、測試等操作，同時還具有數據傳輸、WEB 服務等任務。軟件功能結構，如圖所示：

圖4 載波通信管理裝置應用軟件功能結構圖

其中載波監測任務、數據傳輸任務根據12 路串口的配置參數會啟動多個任務。各應用軟件模塊將在實時多任務操作系統(VxWorks)的調度、管理下，以不同的優先級完成各項任務，采用共享內存、消息隊列實現多任務間的同步與通信[5]。

3.2 監聽任務的實現

通信監聽任務負責維護通信管理裝置的所有通信任務：監聽串口配置參數、與主站通信參數的變更情況，根據當前各通信任務的運行狀態調用taskSpawn、taskDelete 實現各任務的啟動、停止；根據各通信任務的軟件心跳判斷任務是否正常運行，停止異常的任務并重新啟動該任務，統計各通信任務的啟動次數。以通信任務的啟動、停止為例：

3.3 網絡通信和Q/GDW 376.1-2009 規約的實現

通信管理裝置與PLC 專業網管軟件采用TCP/IP 通信協議，《Q/GDW 376.1-2009 規約》的幀格式，網絡通信由通信任務和規約服務任務實現：通信任務負責TCP 連接的建立、維護及數據收發；規約服務任務負責下行報文的解析處理、上行報文的組裝，實現裝置參數的遠方整定/查詢、響應遠方設備診斷、測試等控制命令、響應參數復位、硬件復位等操作，采集到的載波設備通信狀態信息主動發送給網管軟件。數據流程，如圖4所示：

圖4 網絡通信任務數據流程

通信管理裝置通過參數配置為客戶端或服務端，默認為客戶端方式。作為客戶端時：在建立TCP 連接前應定時不斷地向PLC 專業網管軟件發出連接請求；作為服務端時：在建立TCP 連接前應一直處于偵聽狀態并等待PLC 專業網管軟件的連接請求。連接建立后按心跳周期發送心跳報文監測TCP 連接的狀態，當連接關閉后重新發出連接請求或重新進入偵聽狀態。

3.4 載波監測的實現

通信管理裝置通過串口或網絡口與主載波設備的命令口通信實現載波設備工作狀況的監測，采集主載波設備主動上送的數據，分析統計通道質量、路徑等信息獲得載波設備的工作狀況，作為1 類數據存儲。采用共享內存、消息隊列與通信任務之間實現數據通信，由通信任務將采集的1 類數據主動上送給網管系統，載波監測任務響應網管系統對載波設備的故障診斷、通信測試操作，并由通信任務將執行結果應答網管系統。

3.5 數據傳輸的實現

數據傳輸任務可實現在上位機(配電主站)和主載波設備數據口之間進行數據傳輸，支持TCPServer、TCPClient、UDP 通信方式與上位機實現網絡連接，通過串口連接主載波設備的數據口。監聽任務根據串口工作方式配置為數據傳輸參數啟動兩個任務：數據傳輸網絡任務接收上位機的數據處理后轉發給主載波設備，數據傳輸串口通信任務則接收主載波設備的數據處理后轉發給上位機。

3.6 WEB 服務的實現

通信管理裝置內嵌WebServer，WEB 服務任務響應用戶通過瀏覽器對裝置的遠程訪問、控制和維護，實現遠程WEB 方式的參數整定/查詢，載波設備工作狀況、統計數據的查詢瀏覽。

4 測試和實驗

4.1 系統測試平臺

系統測試平臺按照配網載波工程的實際案例搭建，由網管軟件、載波通信管理裝置、主載波機、從載波機四部分組成。網管軟件管理兩臺載波通信管理裝置、每臺通信管理裝置各自監測兩個載波網絡，供給4 臺主載波機、14 臺從載波機。網管軟件及載波設備采用南瑞集團公司的DSS100 載波通信專業網管軟件、PLC-075B 主載波機和PLC-075F 從載波機。主從載波機之間采用載波通信、主載波機與通信管理裝置之間采用串口通信、通信管理裝置與網管軟件之間采用以太網通信，測試系統各項功能的完備性、準確性與穩定性。

4.2 測試與實驗結果

經過嚴格的測試和苛刻的實驗，基于嵌入式硬件平臺的載波通信管理裝置能夠按照要求完成與載波專業網管軟件之間的通信，網管軟件能夠正確、快速地顯示各臺載波機的工作狀態，故障診斷、設備測試快速、穩定可靠。采用以太網通過《Q/GDW 376.1-2009 用電信息傳輸規約》與載波網管軟件通信，系統可靠性高，通信速度快，完全符合配用電自動化系統通信要求。

5 結論

多個實際工程的應用結果表明基于VxWorks的嵌入式載波通信管理裝置支持雙以太網技術、串行口通信，支持多種通信規約，裝置參數動態整定。能夠快速準確可靠地采集所監測的載波網絡中各節點工作狀態、進行統計分析，并快速地將采集的信息傳遞給網管系統。支持遠程故障診斷、設備測試來確定是載波設備故障還是終端故障，縮小了故障范圍，為現場檢修節約了成本。載波通信管理裝置具有安裝方便、成本低廉、易于維護等優點，將得到廣泛地應用。

[1]Q/GDW 382-2009 配電自動化技術導則[S].2009.

[2]Wind River.VxWorks 開發人員指南叢書[M].北京:清華大學出版社,2004.

[3]Q/GDW 376.1-2009 電力用戶用電信息采集系統通信協議，第一部分：主站與采集終端通信協議[S].2009.

[4]康靜，鄭建勇，袁濤，等.VxWorks 在AT91RM9200上的BSP 設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2006（10）：78-82.

[5]張揚,于銀濤.VxWorks 內核、設備驅動與BSP 開發詳解[M].北京:人民郵電出版社,2009.