基于ARM及嵌入式操作系統(tǒng)的通信管理機(jī)

李博

摘要：由于變電站內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)以及協(xié)議給我們提出了有關(guān)于相互性操作如何實現(xiàn)的問題，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化的自動化系統(tǒng)不能夠在短期之內(nèi)完成。對此，我們提出了一個解決的方案，在整個變電站的系統(tǒng)之中采用通信管理機(jī)。依靠著通信管理機(jī)最終實現(xiàn)低速串行總線、現(xiàn)場的總線以及高速網(wǎng)之間的互通。本文簡述了管理機(jī)在整個自動化運(yùn)營系統(tǒng)中的優(yōu)勢，并且介紹了整個系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式操作系統(tǒng)；通信管理機(jī)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）19-0175-02

IEC61850是為了實現(xiàn)變電站的自動化技術(shù)在其內(nèi)部不同的IED裝置間的操作，本文主要基于ARM的平臺以及技術(shù)嵌入以太網(wǎng)，并且設(shè)計了一種可以給變電站自動化以及系統(tǒng)使用的通信管理機(jī)。通過該機(jī)器的零部件構(gòu)成通信控制層，從而使得自動化的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從低速、專用、集中的程度向著高速、可靠、開放、分散的方向發(fā)展。

1 通信管理的設(shè)計

1.1 主要功能

通信管理機(jī)始終位于監(jiān)控的終端，并且向著調(diào)度中心發(fā)展，其位于每個IED的終端以及設(shè)置之間，是整個變電站的自動化通信系統(tǒng)的較為核心的單元，其主要的功能是：

1） 線路通信：具有非常多個可以配置的RS-485串行的通訊接口，其主要可以用來實現(xiàn)以及變電站測量、保護(hù)、控制等一些智能設(shè)備之間的通信，可以在現(xiàn)場完成數(shù)據(jù)的采集。

2） 上位機(jī)的通信功能：由于其具有RS-232以及以太網(wǎng)接口，并且支持IEC61850的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，其向上位機(jī)提供IEC61850的相應(yīng)數(shù)據(jù)并且進(jìn)行發(fā)布服務(wù)，最終實現(xiàn)了和上位機(jī)數(shù)據(jù)的共享。

3） 規(guī)約轉(zhuǎn)換的功能：該項功能主要指的是不同的廠家對于不同的IED通訊的規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析，從而完成最終所需要的功能。

4） 數(shù)據(jù)的存儲功能：作為一項變電站自動化系統(tǒng)的核心，通信管理技術(shù)需要存儲相應(yīng)數(shù)量的實時、歷史、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，這樣可以供查詢以及調(diào)用。處理器由于自身所具有的存儲空間不足，所以通常需要進(jìn)行外擴(kuò)。

5） 人機(jī)交互的功能：通信管理機(jī)通常需要具有較好的人際交互的界面，并且需要清楚地顯現(xiàn)出來變電站自身自動化系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)情況以及工作的狀態(tài)。這樣才可以通過人機(jī)界面對其進(jìn)行有效的調(diào)整以及配置。

6） 維護(hù)功能：由于通信管理機(jī)自身所具有的本地維護(hù)端口，其主要是用來進(jìn)行通信管理機(jī)的測試、維護(hù)等，其支持相應(yīng)的遠(yuǎn)程更新。

1.2 設(shè)計原理

我們在設(shè)計通信管理機(jī)的時候，往往需要考慮到如下的幾個方面：

1） 可靠性。由于通信管理機(jī)采用了完全冗余的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，并且需要對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通道冗余的配置。當(dāng)某一個網(wǎng)絡(luò)無法正常工作的時候，我們需要通過備用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動切換，從而保證線路的暢通，避免數(shù)據(jù)丟失的情況出現(xiàn)，提升數(shù)據(jù)傳輸方面的可靠性。

2） 實時性。通信管理需要具有多種能力，比如同時完成多種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)的傳遞等，這樣可以滿足其自身綜合自動化的要求。

3） 可拓展性。除了在硬件上面設(shè)置相應(yīng)的接口，其在軟件上面更加需要具備較強(qiáng)的可以拓展的性質(zhì)，從而使得其可以根據(jù)現(xiàn)場的需求來追加新的通信規(guī)約，從而進(jìn)行設(shè)置。

4） 相互操作以及開放性。通信管理機(jī)在一方面可以實現(xiàn)不同產(chǎn)商之間IED的網(wǎng)絡(luò)集成，實現(xiàn)互操作性，而且其在另一個方面需要采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)約來滿足開放性質(zhì)的要求。

1.3 通信管理機(jī)系統(tǒng)的組成

通信管理機(jī)往往是由硬件系統(tǒng)、嵌入式的操作系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成，主要結(jié)構(gòu)如圖1 所表示的：

2 通信管理機(jī)的相應(yīng)功能以及優(yōu)勢特點

由于技術(shù)的發(fā)展，自動化功能以及系統(tǒng)的增強(qiáng)，通信管理工作面臨的要求也是越來越高。所以，我們在通信管理機(jī)的設(shè)計方面，需要進(jìn)行的方案選擇主要有：方案一，采用通用型的工業(yè)控制計算機(jī)，安裝好相應(yīng)的軟件來實現(xiàn)最終功能；方案二，采用微處理器來對軟件進(jìn)行開發(fā)，最終實現(xiàn)嵌入式功能。

我們來對上述的兩個方案進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)方案一在日后維護(hù)起來比較方便，并且次開發(fā)也相對容易。但是，該方案在價格上面比較昂貴，并且可靠性不高。這主要是因為通信管理機(jī)需要管理的現(xiàn)場其智能裝置較多，并且通用型的計算機(jī)接口比較少，通過這種方式來購買額外的通信拓展卡則變成了一種必需的工作。這樣看來，通信拓展卡、工程機(jī)、軟件等的總體費(fèi)用是巨大的。這個裝置主要放置在現(xiàn)場，但是現(xiàn)場的干擾性比較強(qiáng)，在進(jìn)入現(xiàn)場的時候所需要的電力系統(tǒng)的實驗很難通過，這也是該方案所欠缺的地方。在軟件方面，這種方案雖然相對較容易維護(hù)，但是在接口的地方則不是這樣的，基本上是每增加一種接口的方式都需要增加相應(yīng)的接口卡。

與此相比，嵌入式系統(tǒng)的最終實現(xiàn)則應(yīng)該具備相應(yīng)的優(yōu)點：成本低、可靠性高，因為專用方案的最終實現(xiàn)，在接口的選擇上面需要盡量實現(xiàn)多樣化。如果我們采用比較合適的開發(fā)工具來進(jìn)行開發(fā)，那么這種方案的軟件可維護(hù)性也是容易實現(xiàn)的，盡管效果不是很理想。所以，該設(shè)計采取了該種方案。

3 通信管理機(jī)軟件的設(shè)置

3.1 平臺的選擇

首先，在設(shè)計中我們需要盡量使用COS-II的操作系統(tǒng)，其具有如下的特點：

1） 源代碼公開、結(jié)構(gòu)清晰，注釋相對較詳盡，可移植性能校對較好。

2） 占據(jù)公式的內(nèi)核，其主要是嵌入式的應(yīng)用以及設(shè)計，具有可剪裁性，模式固定。

3） 主要是基于優(yōu)先級來對任務(wù)進(jìn)行管理，其主要可以管理64個任務(wù)，并且每一個任務(wù)都具有自身的優(yōu)先級別。

4） 任務(wù)具有可調(diào)度性，并且任務(wù)之間更換的速度較快，實時性有保證。

基于此，COS-II可以在最大限度上滿足系統(tǒng)實時的要求，并且其內(nèi)核的使用，可以把任務(wù)分解成為若干個單元，從而簡化了程序的設(shè)計，提升了拓展性，從而更加方便新功能的增加。

3.2 設(shè)計的內(nèi)容

軟件主要是采用了事件驅(qū)動的模型，并且其各個程序的進(jìn)程之間都是可以通過消息來進(jìn)行信息的傳遞以及數(shù)據(jù)的傳輸。單單從結(jié)構(gòu)上面看，其主要可以分成三層，引導(dǎo)型程序、系統(tǒng)程序、用戶進(jìn)程。

在系統(tǒng)上電或者是復(fù)位的時候，其最先運(yùn)行引導(dǎo)程序，然后再將其對CPU的接口處的部件進(jìn)行初始化，執(zhí)行好系統(tǒng)的自動化診斷，對系統(tǒng)的程序以及用戶的有效性進(jìn)行診斷。在引導(dǎo)成功了以后將控制的權(quán)限轉(zhuǎn)交給系統(tǒng)程序，并且進(jìn)行運(yùn)行。

在自我診斷出現(xiàn)了錯誤的時候，其引導(dǎo)程序?qū)⒉粫龠\(yùn)行系統(tǒng)的程序以及用戶的進(jìn)程。

2） 引導(dǎo)程序

該程序主要可以用來進(jìn)行初始化運(yùn)行，進(jìn)行系統(tǒng)的自我診斷，其加載的基本輸入法可以輸入輸出程序，并且這一個部分的程序在系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)以后可以被調(diào)用，其處理的邏輯主要可以用圖2來表示：

2）系統(tǒng)程序

監(jiān)控系統(tǒng)的程序主要位于軟件層次圖的中間位置，其主要負(fù)責(zé)通信網(wǎng)絡(luò)的管理以及消息的處理、轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)庫的維護(hù)，用戶進(jìn)程的調(diào)度等等。通常情況下，用戶的進(jìn)程以及相互之間的通信需要經(jīng)過系統(tǒng)化的監(jiān)控程序，并且由其進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)程序是按照級別進(jìn)行分類的，任務(wù)最優(yōu)的級別可以打斷其他的任務(wù)，而率先執(zhí)行其自身的操作。那些對于時間敏感的程序都放置在這個部位，比如通信的端口、物理層驅(qū)動的程序、校時子程序、軟件延時計數(shù)器等。

這中間的一部分程序所存放的時候?qū)r間的要求非常高，比如通信的端口地方以及鏈路層面上的程序、服務(wù)主程序、時間處理程序等。相對來說，主程序的優(yōu)先級別最低，中間存放著對時間的要求不高的程序，比如數(shù)據(jù)的刷新、通信端口處出錯處理、系統(tǒng)化的三級調(diào)度等。運(yùn)行該程序的時候，其有可能被最高級別的任務(wù)所打斷。

3）用戶的進(jìn)程

用戶的進(jìn)程是一種在系統(tǒng)程序以及引導(dǎo)程序上完成接口任務(wù)的程序，在這個部分中實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的接入以及調(diào)度規(guī)約。其級別按照等級分成了三個部分，盡管進(jìn)程不能夠直接運(yùn)行，但是其在系統(tǒng)調(diào)度并且分配了合理的資源之后才被調(diào)度以及執(zhí)行。該進(jìn)程主要面向?qū)ο蟮臋C(jī)制來生成，并且支持復(fù)制，在同一時間內(nèi)可以進(jìn)行多項拷貝工作，并且在系統(tǒng)化的支撐下相互發(fā)送信息。

4 總結(jié)

在變電站以及其自動化系統(tǒng)中，我們主要采用通信管理機(jī)來實現(xiàn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化的變電站自動裝置，其主要是一種必不可少的過渡性質(zhì)的措施。我們針對該項技術(shù)以及系統(tǒng)內(nèi)部的要求和開放性的系統(tǒng)來對通信管理軟件、硬件進(jìn)行研究，從而提出了基于ARM平臺的嵌入式操作系統(tǒng)。這可以使得通信管理機(jī)具有非常好的實時性、可操作性、可拓展性以及可推廣性。我們根據(jù)這個解決方案來對原來設(shè)計的通信管理機(jī)進(jìn)行軟件、硬件的升級，從而大大提升了該裝置的效能。

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