船舶能量管理系統(tǒng)子站通信接口研究

楊 鵬 卜樂(lè)平 王黎明

海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430033

1 引 言

隨著全電力船舶的發(fā)展，船舶能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息的獲取是船舶能量管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)性問(wèn)題，是制定能量調(diào)度方案的重要依據(jù)。船舶能量管理系統(tǒng)子站（以下簡(jiǎn)稱“子站”）作為底層數(shù)據(jù)采集裝置，是上述信息的主要來(lái)源，為主站提供通用數(shù)據(jù)幀（電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息）和故障錄波數(shù)據(jù)幀（故障信息），同時(shí)還作為主站的“執(zhí)行者”根據(jù)主站發(fā)送的命令幀輸出相應(yīng)的數(shù)字量和模擬量控制信號(hào)。此外，子站還需根據(jù)主站發(fā)送的動(dòng)態(tài)配置幀來(lái)對(duì)自身參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。主站根據(jù)子站上傳的信息對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)電力系統(tǒng)故障進(jìn)行處理。

現(xiàn)有的船舶電力采集系統(tǒng)一般是采用上層以太網(wǎng)，下層CAN網(wǎng)的組網(wǎng)方式。但CAN網(wǎng)在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)速率受限［1-2］，無(wú)法保證大容量數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。此外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中處理方式也帶來(lái)了巨大的數(shù)據(jù)處理壓力問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)獲取方法，如圖1所示。系統(tǒng)的上層主干網(wǎng)為環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，下層為子站與供配電系統(tǒng)的各個(gè)局域網(wǎng)，上下層之間采用交換機(jī)相連接。系統(tǒng)中的各種信息以以太網(wǎng)的方式在上下層之間流通，同時(shí)電力系統(tǒng)狀態(tài)信息將被保存到海量數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供系統(tǒng)分析使用。子站對(duì)電力系統(tǒng)的各種信息進(jìn)行預(yù)處理，再根據(jù)需要采用不同的方式上傳，從而減輕了主站的數(shù)據(jù)處理壓力，提高了系統(tǒng)整體性能。

2 需求分析

以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，具有通信速率高、信息量大、網(wǎng)絡(luò)管理功能完善等顯著優(yōu)點(diǎn)［3］，適用于船舶有限網(wǎng)絡(luò)空間內(nèi)的信息交互。以太網(wǎng)通信建立在TCP／IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，TCP／IP協(xié)議的傳輸層提供了兩種服務(wù)：用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（UDP）和傳輸控制協(xié)議（TCP）。其中UDP是面向無(wú)連接的協(xié)議，其不與對(duì)方建立通信連接，而是直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)去，因此，UDP協(xié)議通信的實(shí)時(shí)性高、費(fèi)用低、效率高［4］。使用UDP協(xié)議可以保證通信的實(shí)時(shí)性并降低網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用，但同時(shí)也降低了通信的可靠性。TCP為面向連接和高可靠性的協(xié)議。TCP協(xié)議通過(guò)三次握手在通信雙方之間建立一個(gè)可靠的鏈接，并在通信過(guò)程中使用序號(hào)和確認(rèn)機(jī)制，利用超時(shí)重傳、擁塞控制與流控制等機(jī)制來(lái)確保所有發(fā)送的數(shù)據(jù)包都能到達(dá)目的地。因此TCP協(xié)議通信可靠性高，但TCP中用于保證可靠性傳輸?shù)母鞣N機(jī)制也降低了通信的實(shí)時(shí)性［5］。

針對(duì)船舶能量管理系統(tǒng)子站對(duì)數(shù)據(jù)幀實(shí)時(shí)性和可靠性的需求，大容量的通用數(shù)據(jù)幀可采用UDP協(xié)議傳輸以滿足其對(duì)實(shí)時(shí)性的需求。故障錄波數(shù)據(jù)幀作為分析電網(wǎng)故障的重要參考信息和動(dòng)態(tài)配置幀、命令幀，一并采用TCP協(xié)議傳輸，以確保這些重要數(shù)據(jù)和命令能夠準(zhǔn)確送達(dá)主站。考慮到船舶空間資源的有限性，子站采用嵌入式實(shí)現(xiàn)。采用ARM處理器作為子站的主控制器。由于ARM處理器存在資源受限的問(wèn)題，并考慮到系統(tǒng)多任務(wù)處理的需求，通過(guò)使用輕量級(jí)TCP／IP協(xié)議棧LwIP和高實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)COS-II，可以有效減少存儲(chǔ)空間的占用并提高代碼的運(yùn)行效率。LwIP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP／IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)ARM的占用，這使得LwIP很適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用［6］。

3 通信接口的硬件設(shè)計(jì)

子站的通信接口硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)采用Cortex-M3內(nèi)核ARM處理器LM3S8962作為硬件平臺(tái)，LM3S8962的以太網(wǎng)控制器由一個(gè)完全集成的媒體訪問(wèn)控制器 （MAC）和網(wǎng)絡(luò)物理（PHY）接口器件組成。無(wú)需增加外部的MAC芯片或PHY芯片，這使得本系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，只需添加簡(jiǎn)單的外圍設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。

4 通信接口的軟件設(shè)計(jì)

通信軟件總體設(shè)計(jì)采用客戶端／服務(wù)器模式，通過(guò)該模式可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，將任務(wù)合理分配到客戶端和服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，一方面能降低系統(tǒng)的通信開(kāi)銷，另一方面可減輕服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)負(fù)荷，而且該模式還使系統(tǒng)易于擴(kuò)展［7-8］，滿足船舶能量管理系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的需求。服務(wù)器和客戶端是一個(gè)相對(duì)的概念。在船舶能量管理系統(tǒng)中，子站在發(fā)送通用數(shù)據(jù)幀和故障錄波數(shù)據(jù)幀時(shí)是作為客戶端，而在接收配置幀和命令幀時(shí)是作為服務(wù)器。在μCOS-II平臺(tái)下完成上述功能只需分別建立任務(wù)作為客戶端和服務(wù)器完成相應(yīng)的功能即可。

子站以太網(wǎng)通信接口整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在LM3S8962上移植μCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，針對(duì)片內(nèi)的以太網(wǎng)控制器編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，并移植TCP／IP協(xié)議棧。完成μCOS-II和協(xié)議棧的移植后，由操作系統(tǒng)管理各任務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)通信程序和其它應(yīng)用程序。子站的通信軟件設(shè)計(jì)主要包括協(xié)議棧的移植、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的定義和嵌入式以太網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì)。

4.1 協(xié)議棧的移植

協(xié)議棧的移植主要是操作系統(tǒng)模擬層的移植，包含以下兩個(gè)方面：與CPU或編譯器有關(guān)的文件移植和與底層操作系統(tǒng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)體和函數(shù)［9］。參照LwIP官方文檔sys_arch.txt可知，LwIP在設(shè)計(jì)時(shí)為了簡(jiǎn)化協(xié)議棧移植，把所有與硬件、操作系統(tǒng)、編譯器等有關(guān)的部分全部獨(dú)立出來(lái)放在了／src／arch 目錄下。因此，LwIP 在 uC／OS-Ⅱ下的移植主要是根據(jù)不同硬件平臺(tái)修改這個(gè)目錄下的相關(guān)文件。

4.1.1 與CPU或編譯器有關(guān)的文件

在／src／arch／目錄下的文件中有一些與 CPU或編譯器相關(guān)的定義，如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、字的高低位順序等。這些與移植μCOS-II時(shí)的定義應(yīng)一致。

4.1.2 與底層操作系統(tǒng)相關(guān)的結(jié)構(gòu)體和函數(shù)

主要包括信號(hào)量及相關(guān)函數(shù)、消息隊(duì)列及相關(guān)函數(shù)、超時(shí)處理函數(shù)以及創(chuàng)建新線程函數(shù)等。這些結(jié)構(gòu)體和函數(shù)在文件 sys_arch.c和 sys_arch.h中實(shí)現(xiàn)。

1）線程間通信。LwIP需要使用信號(hào)量、消息隊(duì)列進(jìn)行線程間同步和通信等操作。在移植COSII時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的操作，故只需適當(dāng)?shù)姆庋b和處理μCOS-II中的相關(guān)函數(shù)即可。

2）超時(shí)處理。LwIP中每一個(gè)有網(wǎng)絡(luò)連接作用的線程都具有超時(shí)屬性，即維護(hù)一個(gè)sys_timeouts鏈表。移植時(shí)需要編寫(xiě)sys_arch_timeouts（void）函數(shù)，該函數(shù)返回線程當(dāng)前的sys_timeouts結(jié)構(gòu)體指針。

3）創(chuàng)建線程。LwIP創(chuàng)建線程實(shí)際上就是利用μCOS-II的系統(tǒng)函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)任務(wù)，因此sys_thread_new函數(shù)實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。

4.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

LwIP的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)有一定的模型，該模型位于目錄 ／src／neti／ethernetif.c 文件中，主要包括網(wǎng)卡初始化、數(shù)據(jù)包接收和數(shù)據(jù)包發(fā)送等函數(shù)。LM3S8962的以太網(wǎng)控制芯片完全集成在片內(nèi)，因此編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序只需在此框架中完成與底層硬件相關(guān)的部分即可。

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序流程如圖4所示。首先由以太網(wǎng)初始化函數(shù)（InitNic）調(diào)用LwIP協(xié)議棧初始化函數(shù)（LwIPInit），同時(shí)建立接收線程并添加數(shù)據(jù)包接收函數(shù)（stellarisif_input），接收函數(shù)調(diào)用ethernet_input（）函數(shù)來(lái)處理接收數(shù)據(jù)包。在LwIPInit中，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)接口初始化函數(shù)（stellarisif_init）來(lái)初始化與此網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，同時(shí)向LwIP注冊(cè)發(fā)送函數(shù)（etharp_output）和鏈路層發(fā)送函數(shù)（low_level_output），并調(diào)用 low_level_init函數(shù)來(lái)完成以太網(wǎng)底層硬件驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接口接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，通過(guò)接收中斷向接收線程發(fā)送信號(hào)量，啟動(dòng)接收線程處理接收數(shù)據(jù)包，若為ARP數(shù)據(jù)包，則調(diào)用ARP接收函數(shù)處理；若為IP數(shù)據(jù)包，則更新ARP緩沖表，將數(shù)據(jù)傳送到傳輸層，判斷是TCP還是UDP方式，再由應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。

若從網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，便調(diào)用etharp＿output函數(shù)從 ARP緩沖表中查找目標(biāo)MAC地址，并添加以太網(wǎng)幀頭部，調(diào)用鏈路層發(fā)送函數(shù)通過(guò)底層發(fā)送函數(shù) （low＿level＿transmit）來(lái)完成實(shí)際的發(fā)送。若無(wú)法找到與IP匹配的MAC地址，則發(fā)送ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包來(lái)獲取MAC地址。

4.3 子站通信程序的設(shè)計(jì)

4.3.1 多任務(wù)模式下的通信程序設(shè)計(jì)

LwIP協(xié)議棧提供3種形式的API函數(shù)：BSD API、RAW API和 LwIP API［10］。BSD API要求在協(xié)議棧中將要發(fā)送的數(shù)據(jù)從應(yīng)用程序拷貝到內(nèi)部緩存，效率低且消耗資源多；RAW API要求應(yīng)用程序駐留在TCP／IP進(jìn)程中，這導(dǎo)致通信與應(yīng)用程序不能同時(shí)進(jìn)行，降低了通信性能；LwIP API將負(fù)責(zé)通信的部分駐留在TCP／IP進(jìn)程中，負(fù)責(zé)大量運(yùn)算的部分作為一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程，通過(guò)進(jìn)程間通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)應(yīng)用進(jìn)程與協(xié)議棧進(jìn)程之間的通信［11］。由于子站既要對(duì)AD采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，又要立即響應(yīng)接收數(shù)據(jù)，故采用LwIP API作為應(yīng)用程序接口，將應(yīng)用程序分成了兩部分，一部分處理通信，一部分處理數(shù)據(jù)。負(fù)責(zé)通信的部分被劃分為3個(gè)任務(wù)，即一個(gè)TCP服務(wù)器任務(wù)，負(fù)責(zé)接收主站的控制指令；一個(gè)TCP客戶端任務(wù)，負(fù)責(zé)故障錄播幀的發(fā)送；一個(gè)UDP客戶端任務(wù)，負(fù)責(zé)通用數(shù)據(jù)幀的傳遞。負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的部分被劃分為兩個(gè)任務(wù)，以分別對(duì)主站指令和AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4.3.2 子站通信程序工作流程

子站通信程序工作流程如圖5所示。AD數(shù)據(jù)采集模塊在定時(shí)器的控制下周期性地對(duì)被測(cè)電力設(shè)備的電壓、電流值進(jìn)行采樣，然后通過(guò)郵箱將采樣數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊1，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的解析，判斷電力設(shè)備是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障，則立即啟動(dòng)故障錄播模式，詳細(xì)記錄故障點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)并打包成故障錄播幀。由于這些數(shù)據(jù)是分析和解決故障的重要判據(jù)，必須保證準(zhǔn)確無(wú)誤地傳遞給主站，因此通過(guò)TCP方式傳輸。若是正常數(shù)據(jù)，便將數(shù)據(jù)封裝成通用數(shù)據(jù)幀，通過(guò)UDP方式傳遞給主站。子站采用TCP方式接收來(lái)自主站的控制指令和動(dòng)態(tài)配置幀。TCP一直監(jiān)聽(tīng)設(shè)定的端口，有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)有效，便通過(guò)郵箱發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊2，經(jīng)解析后執(zhí)行主站的指令。

5 以太網(wǎng)通信測(cè)試

5.1 基本通信測(cè)試

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性與正確性，首先在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建簡(jiǎn)單的嵌入式以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，用來(lái)測(cè)試在多任務(wù)模式下TCP和UDP通信信道的運(yùn)行狀況。將子站設(shè)置成回環(huán)通信調(diào)試模式，即回發(fā)接收到的主站命令，在調(diào)試助手中建立TCP客戶端以向子站發(fā)送命令，可以看到，在接收窗口中可以看到同樣的命令，這說(shuō)明子站收到了命令，并將此命令回發(fā)給主站。同時(shí)，讓子站通過(guò)TCP和UDP兩種方式向主站發(fā)送模擬數(shù)據(jù)，在調(diào)試助手中分別建立TCP、UDP服務(wù)器以接收子站發(fā)送的數(shù)據(jù)。如圖6所示，兩種方式數(shù)據(jù)上傳正常。

5.2 全系統(tǒng)測(cè)試

主站的監(jiān)控軟件由Qt編寫(xiě)，能以圖形和文字兩種方式實(shí)時(shí)顯示電力系統(tǒng)被測(cè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，單擊開(kāi)關(guān)按鈕可以改變子站開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并將開(kāi)關(guān)變化后的狀態(tài)上傳至主控界面，監(jiān)控軟件界面如圖7所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在子站中采用TCP和UDP方式通信取得了預(yù)想的結(jié)果，點(diǎn)擊界面上的不同菜單，可分別將各被測(cè)節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、功率和開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示到界面上，并且可以查看各數(shù)據(jù)的歷史曲線。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)船舶能量管理系統(tǒng)中高實(shí)時(shí)性與低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷的大容量通用數(shù)據(jù)幀傳輸和高可靠性與完整性的故障錄播幀、配置幀以及命令幀的傳輸，本文采用基于LwIP協(xié)議棧和μCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相結(jié)合的嵌入式以太網(wǎng)通信接口設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了分別用TCP和UDP對(duì)不同性質(zhì)數(shù)據(jù)幀的傳輸，并可通過(guò)主站監(jiān)控界面對(duì)子站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)采用模塊化思想優(yōu)化軟件體系，利用多任務(wù)方式處理各個(gè)模塊，增加了模塊內(nèi)部的內(nèi)聚性，降低了模塊之間的耦合性，提高了系統(tǒng)的靈活性。實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)方案滿足船舶能量管理系統(tǒng)中對(duì)通信可靠性和實(shí)時(shí)性的需求，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)狀態(tài)信息獲取與數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化。

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