基于ARM及嵌入式操作系统的通信管理机

李博

摘要：由于变电站内部的通信网络以及协议给我们提出了有关于相互性操作如何实现的问题，基于IEC61850标准化的自动化系统不能够在短期之内完成。对此，我们提出了一个解决的方案，在整个变电站的系统之中采用通信管理机。依靠着通信管理机最终实现低速串行总线、现场的总线以及高速网之间的互通。本文简述了管理机在整个自动化运营系统中的优势，并且介绍了整个系统软、硬件设计的实现。

关键词：ARM；嵌入式操作系统；通信管理机

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）19-0175-02

IEC61850是为了实现变电站的自动化技术在其内部不同的IED装置间的操作，本文主要基于ARM的平台以及技术嵌入以太网，并且设计了一种可以给变电站自动化以及系统使用的通信管理机。通过该机器的零部件构成通信控制层，从而使得自动化的系统网络从低速、专用、集中的程度向着高速、可靠、开放、分散的方向发展。

1 通信管理的设计

1.1 主要功能

通信管理机始终位于监控的终端，并且向着调度中心发展，其位于每个IED的终端以及设置之间，是整个变电站的自动化通信系统的较为核心的单元，其主要的功能是：

1） 线路通信：具有非常多个可以配置的RS-485串行的通讯接口，其主要可以用来实现以及变电站测量、保护、控制等一些智能设备之间的通信，可以在现场完成数据的采集。

2） 上位机的通信功能：由于其具有RS-232以及以太网接口，并且支持IEC61850的相应标准，其向上位机提供IEC61850的相应数据并且进行发布服务，最终实现了和上位机数据的共享。

3） 规约转换的功能：该项功能主要指的是不同的厂家对于不同的IED通讯的规则进行转换、分析，从而完成最终所需要的功能。

4） 数据的存储功能：作为一项变电站自动化系统的核心，通信管理技术需要存储相应数量的实时、历史、统计数据等，这样可以供查询以及调用。处理器由于自身所具有的存储空间不足，所以通常需要进行外扩。

5） 人机交互的功能：通信管理机通常需要具有较好的人际交互的界面，并且需要清楚地显现出来变电站自身自动化系统运行的参数情况以及工作的状态。这样才可以通过人机界面对其进行有效的调整以及配置。

6） 维护功能：由于通信管理机自身所具有的本地维护端口，其主要是用来进行通信管理机的测试、维护等，其支持相应的远程更新。

1.2 设计原理

我们在设计通信管理机的时候，往往需要考虑到如下的几个方面：

1） 可靠性。由于通信管理机采用了完全冗余的网络状结构，并且需要对其进行网络通道冗余的配置。当某一个网络无法正常工作的时候，我们需要通过备用网络进行自动切换，从而保证线路的畅通，避免数据丢失的情况出现，提升数据传输方面的可靠性。

2） 实时性。通信管理需要具有多种能力，比如同时完成多种通信协议的转换，保证数据的传递等，这样可以满足其自身综合自动化的要求。

3） 可拓展性。除了在硬件上面设置相应的接口，其在软件上面更加需要具备较强的可以拓展的性质，从而使得其可以根据现场的需求来追加新的通信规约，从而进行设置。

4） 相互操作以及开放性。通信管理机在一方面可以实现不同产商之间IED的网络集成，实现互操作性，而且其在另一个方面需要采用国家规定的标准以及规约来满足开放性质的要求。

1.3 通信管理机系统的组成

通信管理机往往是由硬件系统、嵌入式的操作系统、软件系统等组成，主要结构如图1 所表示的：

2 通信管理机的相应功能以及优势特点

由于技术的发展，自动化功能以及系统的增强，通信管理工作面临的要求也是越来越高。所以，我们在通信管理机的设计方面，需要进行的方案选择主要有：方案一，采用通用型的工业控制计算机，安装好相应的软件来实现最终功能；方案二，采用微处理器来对软件进行开发，最终实现嵌入式功能。

我们来对上述的两个方案进行分析，发现方案一在日后维护起来比较方便，并且次开发也相对容易。但是，该方案在价格上面比较昂贵，并且可靠性不高。这主要是因为通信管理机需要管理的现场其智能装置较多，并且通用型的计算机接口比较少，通过这种方式来购买额外的通信拓展卡则变成了一种必需的工作。这样看来，通信拓展卡、工程机、软件等的总体费用是巨大的。这个装置主要放置在现场，但是现场的干扰性比较强，在进入现场的时候所需要的电力系统的实验很难通过，这也是该方案所欠缺的地方。在软件方面，这种方案虽然相对较容易维护，但是在接口的地方则不是这样的，基本上是每增加一种接口的方式都需要增加相应的接口卡。

与此相比，嵌入式系统的最终实现则应该具备相应的优点：成本低、可靠性高，因为专用方案的最终实现，在接口的选择上面需要尽量实现多样化。如果我们采用比较合适的开发工具来进行开发，那么这种方案的软件可维护性也是容易实现的，尽管效果不是很理想。所以，该设计采取了该种方案。

3 通信管理机软件的设置

3.1 平台的选择

首先，在设计中我们需要尽量使用COS-II的操作系统，其具有如下的特点：

1） 源代码公开、结构清晰，注释相对较详尽，可移植性能校对较好。

2） 占据公式的内核，其主要是嵌入式的应用以及设计，具有可剪裁性，模式固定。

3） 主要是基于优先级来对任务进行管理，其主要可以管理64个任务，并且每一个任务都具有自身的优先级别。

4） 任务具有可调度性，并且任务之间更换的速度较快，实时性有保证。

基于此，COS-II可以在最大限度上满足系统实时的要求，并且其内核的使用，可以把任务分解成为若干个单元，从而简化了程序的设计，提升了拓展性，从而更加方便新功能的增加。

3.2 设计的内容

软件主要是采用了事件驱动的模型，并且其各个程序的进程之间都是可以通过消息来进行信息的传递以及数据的传输。单单从结构上面看，其主要可以分成三层，引导型程序、系统程序、用户进程。

在系统上电或者是复位的时候，其最先运行引导程序，然后再将其对CPU的接口处的部件进行初始化，执行好系统的自动化诊断，对系统的程序以及用户的有效性进行诊断。在引导成功了以后将控制的权限转交给系统程序，并且进行运行。

在自我诊断出现了错误的时候，其引导程序将不会再运行系统的程序以及用户的进程。

2） 引导程序

该程序主要可以用来进行初始化运行，进行系统的自我诊断，其加载的基本输入法可以输入输出程序，并且这一个部分的程序在系统进行引导以后可以被调用，其处理的逻辑主要可以用图2来表示：

2）系统程序

监控系统的程序主要位于软件层次图的中间位置，其主要负责通信网络的管理以及消息的处理、转发，数据库的维护，用户进程的调度等等。通常情况下，用户的进程以及相互之间的通信需要经过系统化的监控程序，并且由其进行消息的转发。

系统程序是按照级别进行分类的，任务最优的级别可以打断其他的任务，而率先执行其自身的操作。那些对于时间敏感的程序都放置在这个部位，比如通信的端口、物理层驱动的程序、校时子程序、软件延时计数器等。

这中间的一部分程序所存放的时候对时间的要求非常高，比如通信的端口地方以及链路层面上的程序、服务主程序、时间处理程序等。相对来说，主程序的优先级别最低，中间存放着对时间的要求不高的程序，比如数据的刷新、通信端口处出错处理、系统化的三级调度等。运行该程序的时候，其有可能被最高级别的任务所打断。

3）用户的进程

用户的进程是一种在系统程序以及引导程序上完成接口任务的程序，在这个部分中实现了现场设备的接入以及调度规约。其级别按照等级分成了三个部分，尽管进程不能够直接运行，但是其在系统调度并且分配了合理的资源之后才被调度以及执行。该进程主要面向对象的机制来生成，并且支持复制，在同一时间内可以进行多项拷贝工作，并且在系统化的支撑下相互发送信息。

4 总结

在变电站以及其自动化系统中，我们主要采用通信管理机来实现IEC61850标准化的变电站自动装置，其主要是一种必不可少的过渡性质的措施。我们针对该项技术以及系统内部的要求和开放性的系统来对通信管理软件、硬件进行研究，从而提出了基于ARM平台的嵌入式操作系统。这可以使得通信管理机具有非常好的实时性、可操作性、可拓展性以及可推广性。我们根据这个解决方案来对原来设计的通信管理机进行软件、硬件的升级，从而大大提升了该装置的效能。

参考文献：

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