一種新型通訊管理裝置的研究與實現

（南瑞集團公司（國網電力科學研究院），南京 210003）

通信管理裝置也稱網關，在電廠、變電站等分布式監控系統中應用廣泛。其具有多個上下行通訊接口，用于將現場具備通訊接口的智能監控、保護裝置及智能儀表的通訊數據整理匯總后實時上送上級監控裝置，解決計算機監控系統內異網間的通信連接及數據交換問題[1-2]。

目前國內外大部分廠家運行于變電站的通信管理裝置采用的都是傳統的x86或ARM架構。這2種架構的平臺在管理裝置中有其本身的局限性，采用x86架構的硬件平臺一般為搭載Windows操作系統的通信管理裝置，該方式存在結構大小受限、系統復雜度高、可靠性低、成本高等缺陷[3-4]，同時PC機和大部分工控機的一些零部件如風扇、硬盤等的機械壽命也很難滿足電力現場長期連續運行的要求，而采用ARM架構平臺的通信管理裝置雖然在功耗上有一定優勢，但存在浮點運算慢、網絡處理不及時及在多任務處理上性能不足的缺陷。而采用基于PowerPC[5]硬件平臺并搭載嵌入式Linux操作系統的通訊管理裝置，有效地避免了x86與ARM架構的缺點與不足，基于這個前提，我們設計了一種工業級PowerPC嵌入式硬件平臺，同時搭載定制化的嵌入式Linux操作系統的新型通訊管理裝置。

1 總體方案

根據上述分析，該通訊管理裝置采用PowerPC作為主硬件平臺，定制化的Linux作為操作系統[6-7]。整個通訊管理裝置系統分為3大主要部分，整體結構如圖1所示。

圖1 系統總體框圖Fig.1 General block diagram of the system

各部分功能描述如下：

（1）硬件平臺部分。為了功能獨立、結構清晰及更好的復用，硬件部分采用模塊化開發方法。分為電源模塊、主板模塊、擴展板模塊。主芯片采用MPC8309，且主板上配置1個CAN網接口、2個以太網口的基本外設接口；擴展板為具有8路串口的擴展板，且支持最大擴展16路串口；燈板為裝置運行狀況及外設接口狀態指示；電源板提供雙電源供電；

（2）軟件平臺部分。本系統采用具有高穩定性及高安全性的Linux操作系統作為軟件平臺。為了更好地滿足性能需求，對Linux系統進行了必要的裁剪、定制；

（3）應用軟件部分。應用軟件包括運行于管理裝置中的通訊嵌入式軟件及運行于上位機的組態管理軟件。管理裝置軟件負責設備數據采集匯總、處理及各通信規約轉換及診斷顯示；組態軟件進行設備接口狀態檢測及采集數據顯示等。

2 硬件平臺設計

縱觀變電站自動化技術發展歷程，通信管理裝置的硬件平臺也幾經變遷，從8位/16位單片機系統到現在較多使用的工業PC，從現場運行情況看，都存在一定缺陷，而電力工業控制領域，不僅對CPU的計算能力有一定要求，對系統穩定性的要求更高，而嵌入式計算機技術恰恰滿足電力現場對通信管理裝置的需求，其所用無風扇寬溫、低功耗器件[8]，既可以減少故障發生的幾率，也可以適應不同環境要求，極大提升系統穩定性[9]。

在嵌入式處理器方面，PowerPC相比ARM具有整合度高、技術先進、芯片可選范圍大、性能高、升級容易、產品生命周期長等優勢。

基于以上原因，選擇PowerPC作為管理裝置的硬件平臺。同時為更好地與操作系統結合且又能滿足外圍設備，我們選擇了基于PowerPC架構的CPU、Flash存儲芯片，并擴展了多串口及多網絡接口，總體硬件模塊如圖2所示。

圖2 硬件模塊Fig.2 Hardware module diagram

硬件模塊介紹如下：

（1）主板。CPU采用PowerPC8309，帶基本外設接口；

（2）擴展板?？梢詳U展16通道串口和4網口；

（3）電源。為管理裝置提供穩定的電源需求。為滿足特殊場合需求，可以擴展雙電源；

（4）燈板+背板。提供總線接口和管理裝置狀態指示燈顯示。

3 軟件平臺設計

對電力系統而言，系統的實時性和可靠性[10]是要求的關鍵，當前在工業控制領域中應用最廣泛的嵌入式操作系統有 Linux、Window CE、VxWorks等，而Linux特有的穩定性及網絡實時性[11]是其它嵌入式操作系統無法比擬的，其優異特性主要表現為以下幾個方面：

（1）開放性。Linux系統源碼開放，開發人員可根據自己需要進行剪裁；

（2）多用戶特性。系統的資源由不同的用戶共享使用，可進行多權限的設置，保證了系統的安全穩定；

（3）多任務特性。Linux是一個多進程、多線程的操作系統，具有一套安全策略來避免多進程、多線程的死鎖，使系統運行穩定可靠；

（4）設備獨立性。將外圍設備及磁盤上的文件統一為虛擬文件系統，對外圍設備的操作如對文件操作一樣；

（5）可靠的系統安全性。Linux采取了許多安全技術措施，包括對讀、寫進行權限控制、帶保護的子系統、審計跟蹤、核心授權等，這為網絡多用戶環境中的用戶提供了必要的安全保障。

正是基于Linux系統的上述特點，使其作為通信管理裝置的操作系統成為最佳選擇。本機的操作系統是在原始Linux操作系統的基礎上進行適當裁剪，并加載所需的外設驅動[12]構成最終的管理裝置嵌入式操作系統。

4 應用軟件設計

整體應用軟件結構如圖3所示。通信管理裝置完成串行通道、CAN總線、以太網間的通信協議轉換，組織管理各通道數據，可以實現從現地各功能設備到現地智能控制設備或到上位機系統等異種網絡之間的數據聯絡。通信管理裝置軟件采用C語言進行開發，基于共享數據模型，各通信進程之間通過內置的精小數據庫進行數據共享，同時針對現場設備通信規約的多樣性，為客戶提供了通信程序二次開發能力[13]；組態軟件采用JAVA語言進行開發，基于客戶端服務器模型，組態軟件作為客戶端與通訊管理裝置中的服務端進行連接顯示。

圖3 軟件結構Fig.3 Software structure diagram

客戶可以通過組態程序從預定義的行業程序庫中選擇標準的行業驅動程序，自定義通信參數和通信內容；此外，該通信管理裝置的每個通信接口都可以自定義編程，產品庫函數為客戶提供了完善、快捷的二次開發接口模型，可以方便地實現通信程序“客戶化”定制。

5 結語

基于PowerPC的通訊管理裝置具有功能強、運行穩定及性能可靠等優點。自投入運行以來，表現出了其特有的優勢，整體運行穩定可靠，達到了預期的設計目標，能夠很好地滿足電力系統現場的運行要求，為整個變電站自動化系統安全穩定運行提供了技術保證。

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