智能終端通用軟件平臺設(shè)計

摘 要：隨著智能電網(wǎng)建設(shè)全面推進，對終端嵌入式軟件的安全性、可靠性、穩(wěn)定性、可擴展性越來越高，智能終端嵌入式軟件開發(fā)的平臺化、工具化、測試軟件的自動化是必然的發(fā)展趨勢。本文提出一種終端嵌入式軟件平臺化設(shè)計方法，采用面向?qū)ο蟮?、組件化的設(shè)計方法，實現(xiàn)終端軟件的跨平臺、可定制、可擴展、支持測試自動化。全面提高終端軟件開發(fā)效率和軟件質(zhì)量，更好地支持高可靠性和低成本的硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：終端軟件平臺化；工具化；組件化；可擴展；自動測試

中圖分類號：TP273.5

配用電終端，包括FTU、DTU及各種用電采集終端是智能電網(wǎng)建設(shè)中安裝數(shù)量最大、覆蓋最廣、環(huán)境最惡劣的智能終端設(shè)備。這些特征對終端產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、硬件成本都提出了更高的要求，其中嵌入式軟件研發(fā)成本、質(zhì)量、和性能在相當(dāng)大的程度上決定了終端產(chǎn)品的質(zhì)量和終端產(chǎn)品的成本。

1 需求分析

終端軟件伴隨硬件性能的不升級而變得越來越復(fù)雜和功能強大。通過是否具有MMU功能將處理器分為兩大類，以ARM7為代表不具有MMU功能MCU，程序一般運行在FLASH中，內(nèi)存空間較小，一般使用嵌入式操作系統(tǒng)如UCosII、VxWorks、Neclues或嵌入式Linux（ucLinux），或者不使用操作系統(tǒng)；ARM9為代表具有MMU功能的MCU，程序存儲在外存中，需要調(diào)入內(nèi)存中才能運行，由于具有MMU，實際程序空間遠大于實際內(nèi)存，運行機理與PC機是基本一致的，一般選用Linux操作系統(tǒng)。智能手機也是這種架構(gòu)，這與傳統(tǒng)的嵌入式軟件已有本質(zhì)的區(qū)別。選用何種平臺需從功能要求、成本要求、功耗要求等多種因數(shù)考慮確定。而應(yīng)用軟件具有較好的可復(fù)用性、可移植性是平臺化的目標(biāo)。

1.1 可移植性

智能電網(wǎng)的建設(shè)對不同應(yīng)用的配用電終端提出不同的功能、性能要求，及成本要求，這要求應(yīng)用軟件具有較好的適應(yīng)性，可方便進行移植，從而繼承原有軟件的穩(wěn)定性、可靠性。

這種可移植性性不僅需要適應(yīng)高性能處理器和低性能處理器，具有硬件平臺可移植性性而且可以不同操作系統(tǒng)間移植，甚至在無操作系統(tǒng)環(huán)境下也能高效運行。

1.2 可定制需求

智能電網(wǎng)互動性的需求決定了終端功能和交互盡可能個性化。可定制的典型產(chǎn)品就是組態(tài)軟件，既可以通過圖形化的配置工具配置邏輯功能，也可以配置交互界面，體現(xiàn)個性化需求。

1.3 自動測試

終端功能越來越多，越來越復(fù)雜，測試工作量越來越大，為了提高效率，一種能過自動測試的工具和系統(tǒng)，實現(xiàn)測試用例的自動進行和共享，是一種必然的選擇。

2 設(shè)計思路

實現(xiàn)軟件跨軟硬件平臺、可移植的方法均采用中間層和虛擬機技術(shù)。實現(xiàn)軟件復(fù)用典型做法是采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，組件化技術(shù)，并通過開發(fā)專用開發(fā)工具是來提高效率。工具可以保證系統(tǒng)的完備性，工具體現(xiàn)的嵌入式軟件的內(nèi)在邏輯關(guān)系和規(guī)律。

主站和終端通信就離不開規(guī)約，但規(guī)約不應(yīng)成為終端軟件的開發(fā)重點，功能是重點，規(guī)約需體現(xiàn)功能。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法是目前主流的模式，無論IEC61850還是IEC62056都體現(xiàn)了這種思想，規(guī)約則完成對象的映射，功能就是采用分布式組件的編排（如COM的IMarshal接口），因此，是可以實現(xiàn)規(guī)約自動編解碼。

自動測試是質(zhì)量和效率的保證，自動測試需要采用腳本實現(xiàn)，不僅提高效率而且能過不斷豐富腳本庫實現(xiàn)知識繼承。

3 架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計思想，終端嵌入式軟件總體按照面向?qū)ο蟆⒔M件化程序架構(gòu)設(shè)計，終端軟件的結(jié)構(gòu)如圖1。

終端的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)字典中，以文件或嵌入式數(shù)據(jù)庫的方式保存。而對終端的功能按照對象進行劃分，可分為終端對象、總加組對象、測量點（回路）對象、遙測、遙信、遙控、任務(wù)、事件等對象，主站是通過分布式對象訪問這些接口對象。規(guī)約僅承載了RPC（Remote Procedure Call）的作用，將內(nèi)部對象通過代理（Agent）延伸到主站側(cè)。相對應(yīng)的在終端內(nèi)部對對象的訪問通過LPC（Local Procedure Call）進行。

3.1 平臺設(shè)計

終端軟件的平臺化，首先需要設(shè)計的就是平臺，需要設(shè)計本平臺的基本數(shù)據(jù)類型和平臺接口API。設(shè)計采用POSIX規(guī)范，盡管軟件可能應(yīng)用于一些無操作系統(tǒng)的情況，這時，需按接口規(guī)范編制精簡的調(diào)度功能接口，在具有操作系統(tǒng)的應(yīng)用中，僅需對原操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型重新定義，對API重新封裝。

3.2 存儲設(shè)計

終端的功能就是進行數(shù)據(jù)采集、存儲、統(tǒng)計計算、按照策略執(zhí)行閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)存儲處于核心和樞紐的地位，所有數(shù)據(jù)包括對象本身都需要通過存儲實現(xiàn)持久化。存儲設(shè)計參考數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法，分為數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)定義的數(shù)據(jù)的組織方式，即系統(tǒng)表。同時還需針對智能終端具體應(yīng)用進行擴展，簡化數(shù)據(jù)設(shè)計工作，適應(yīng)不同的硬件平臺。因此表可分為：

內(nèi)存表：內(nèi)存表保存的數(shù)據(jù)實際上既是全局變量，掉電時不保存。

參數(shù)表：內(nèi)存表保存的數(shù)據(jù)實際上也是全局變量，掉電時保存到外存中。

準實時表：準實時表是為了提高效率，將內(nèi)、外部訪問頻繁的數(shù)據(jù)，按照時間規(guī)則緩存在內(nèi)存中。

歷史表：全部數(shù)據(jù)保存在外存中。

系統(tǒng)中的對象也在存儲中持久化，通過二維表描述數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)描述對象，并通過上述參數(shù)配置可靈活定制滿足特定功能需求的存儲支撐環(huán)境。

3.3 對象設(shè)計

平臺的組件化的核心是組件屬性和功能的映射。存儲表的表的ID結(jié)合表內(nèi)字段（列）的ID用作其存儲的對象或?qū)傩缘臉?biāo)識，并采用這種組合對于對象和屬性的映射時。

對于對象的方法的調(diào)用在終端平臺內(nèi)部被調(diào)用IPC和LPC機制，與此相對應(yīng)主站對其調(diào)用就是RPC，系統(tǒng)中采用的各種規(guī)約從本質(zhì)上講是一種簡易的RPC協(xié)議。為了降低模塊間耦合度，組件間的調(diào)用采用LPC調(diào)用，即以不編碼或簡單編碼為基礎(chǔ)，以共享內(nèi)存為交互介質(zhì)實現(xiàn)過程調(diào)用，規(guī)約轉(zhuǎn)換就是LPC到RPC和RPC到LPC的轉(zhuǎn)換過程。

3.4 功能實現(xiàn)設(shè)計

終端中的功能主要是對數(shù)據(jù)的加工和條件觸發(fā)執(zhí)行一個處理過程。以任務(wù)的形式存在。這項工作可以采用數(shù)據(jù)庫中的存儲過程的技術(shù)實現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫中存儲過程分為內(nèi)部存儲過程和外部存儲過程，任務(wù)與之對應(yīng)也分為庫存任務(wù)（外部存儲過程）和配置任務(wù)（內(nèi)部存儲過程），庫存任務(wù)需要代碼實現(xiàn)，配置任務(wù)通過配置定制。

配置任務(wù)：是將終端的各種處理進行抽象，通過配置即可實現(xiàn)響應(yīng)的功能。如平均值計算，極值統(tǒng)計、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、條件統(tǒng)計、條件控制等策略。

庫存任務(wù)：就是定制一些特殊的邏輯，用配置任務(wù)難以實現(xiàn)，需要編程進而升級軟件來實現(xiàn)，也可通過支持腳本來實現(xiàn)，腳本可采用在自動測試中描述技術(shù)實現(xiàn)。

3.5 HMI設(shè)計

終端的人機交互面完全可以采用類似組態(tài)軟件的技術(shù)來實現(xiàn)，通過配置文件來實現(xiàn)個性化交互，通過對頁面、頁面中的圖元與數(shù)據(jù)標(biāo)識的對應(yīng)關(guān)系，圖元與頁面的對應(yīng)關(guān)系定義，實現(xiàn)頁面的調(diào)用，信息的顯示和參數(shù)數(shù)據(jù)輸入功能，不僅可以提供個性化交互頁面，而且可以提高效率，降低開發(fā)難度，減少失誤。低資源方案和高資源方案，高資源方案可通過支持HTML5和SVG進行定制

4 模擬開發(fā)環(huán)境

Iphone上的應(yīng)用開發(fā)可以在筆記本上仿真調(diào)試、測試。嵌入式軟件的開發(fā)和調(diào)試也可以應(yīng)用類似技術(shù)，要做就是在windows平臺上開發(fā)統(tǒng)一平臺接口，通過圖形界面仿真終端的輸入輸出和HMI交互。Windows平臺的C語言開發(fā)工具，如VC這樣的集成開發(fā)工具，均有很好的開發(fā)調(diào)試功能，可進行單步跟蹤調(diào)試，這是很多的開發(fā)環(huán)境不支持的。在進行開發(fā)時可以先在仿真仿真環(huán)境下進行，測試合格后再配置到實際的終端硬件上運行。

5 測試自動化

自動測試離不開測試腳本，VB SCRIPT和JAVA SCRIPT是兩種流行的腳本語言。在windows平臺上有較好腳本容器支持。與組件化對應(yīng)，需要將對象映射為COM對象，供腳本調(diào)用。通過讀取對象配置數(shù)據(jù)，可以通過IDispach動態(tài)生成需要的COM對象。腳本通過測試用例庫管理。

6 結(jié)束語

隨著技術(shù)發(fā)展，微處理器功能越來越強大，使原本在桌面系統(tǒng)中使用的技術(shù)完全可以移植到終端嵌入式軟件的設(shè)計中，如面向?qū)ο蠹夹g(shù)、組件化的設(shè)計方法，這也與IEC 61850和IEC 62056規(guī)范相一致。平臺化、組件化，為工具開發(fā)提供了可能，開發(fā)專用的智能終端軟件開發(fā)管理工具，結(jié)合虛擬機技術(shù)、腳本技術(shù)可以大幅提供終端軟件開發(fā)效率。智能終端軟件的開發(fā)的平臺化、工具化將成為未來終端軟件的發(fā)展方向。

參考文獻：

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作者簡介：姚肖禹（1969.08-），男，吉林遼源人，工程技術(shù)中心副總監(jiān)，本科，工程師，研究方向：主要從事用電信息采集系統(tǒng)研發(fā)方面工作。

作者單位：南京新聯(lián)電子股份有限公司，南京 211100