嵌入式RTOS在智能电能表中的研究与应用

欧习洋，王新华，侯兴哲，刘金涛，张进，陈坚

（1.国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123；2.深圳市中电电力技术股份有限公司，广东 深圳518040）

0 引 言

作为智能电网最基础、最关键的设备之一，电能表逐步从传统意义上的单一功能的电能计量器具，发展成为集电能计量、用电信息上传、费控、事件监测与记录、负荷记录、防窃电、互动用电等多种功能于一体的智能终端设备。运行经验表明，软件复杂度越高，其故障率也越高。据统计，多功能电表、负控终端的所有故障中，软件方面的缺陷占到七成以上［1］，给现场的运行管理带来极大的困难。而且，未来随着科技的发展及电网能源结构调整的变化，电能表的智能化要求将会越来越高，导致软件功能更为复杂、应用更为灵活［2］。

电能表软件可划分为计量模块与计量管理模块，前者完成核心的计量及基本电量测量功能，后者完成数据储存管理、费控、显示、通信等功能。其中，计量模块的功能相对稳定，计量管理模块则朝着智能化的方向发展，功能变得越来越复杂与灵活。现有电能表计量模块基本上采用简单的单片机系统架构，由一个主循环加若干中断组成，所有程序编译成一个可执行文件烧录到单片机中执行［3－4］。这种软件架构缺乏对各个功能模块的有序管理，当软件功能较多时，无法保证主循环各个任务的实时响应、优先级管理，任务间数据配合处理出错的概率也高；而且各个任务模块高度耦合，任一模块的变更或扩展对其它模块影响很大，灵活性差。这些缺陷使其在应对电能表智能化情况下功能越来越复杂、灵活性越来越高等要求方面愈加吃力。

为解决上述问题，本文利用嵌入式实时操作系统（RTOS）在任务调度管理等方面的优势，研究设计了一种新型的、基于嵌入式RTOS的电能表。

1 软件总体设计

本文所设计的基于嵌入式RTOS的电能表，产品定位为高精度、带电能质量监测功能的多功能智能电能表（以下简称电能表），硬件架构采用ARM＋DSP的双CPU架构，其中DSP完成模拟通道采样及计量、电能质量的计算分析，ARM完成数据计算、数据存储、显示、通信等功能，软件总体架构如图1所示。

图1 软件总体架构图Fig.1 Overall structure diagram of software

计量模块全部在DSP中运行，软件上采用简单的单片机系统；其它内核模块、主应用模块、扩展应用模块在ARM中运行，采用嵌入式实时操作系统。电能表上电后，内核模块率先启动运行，完成硬件初始化后，发送启动命令给DSP中的计量模块使其先行运行起来，之后启动ARM的主应用模块及扩展应用模块。鉴于本文主要探讨的是嵌入式RTOS的研究与应用，故以下对计量模块的内容不进行细述。

在进行具体软件设计之前，需要先选择合适的嵌入式RTOS。目前业内广泛使用的嵌入式RTOS有很多，典型如 VxWorks、uClinux、QNX、uC／OS－II、eCOS等［5-6］，需要结合硬件平台、电能表的功能及性能要求等方面来综合考虑与选择，主要考虑如下指标：

（1）任务实时调度管理。要求具备优良的任务调度能力，能够精确分配任务执行时间，并根据优先级要求合理调配不同任务的执行顺序；

（2）同步与通信机制。要求具备丰富的进程间通信机制，在保证各任务独立执行的同时，能够精确控制任务间的同步与数据交互；

（3）内存管理。选择具备支持MMU（存储管理单元）的操作系统，提供内存保护，将有效保证程序的可靠性和系统的稳定性。

综合上述要求，本设计选用的嵌入式RTOS为VxWorks，该操作系统是业内公认的实时性最好的嵌入式RTOS，以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，在电力设备监测、电力设备通信等场合也得到了广泛的应用［7－8］。

基于以上软件总体架构以及所选择的嵌入式RTOS，以下详细说明各模块的内部软件实现细节，重点是阐述嵌入式RTOS在解决电能表复杂功能情况下如何去保证可靠性与灵活性的问题。

2 内核模块设计

2.1 内核模块划分

内核模块是整个软件系统运行的中枢，本设计方案中内核模块实际整合了多个基础模块，包括引导模块、操作系统内核、应用程序管理模块、驱动支持模块，这些基础模块均与硬件平台相关，在产品的生命周期中，不论应用功能如何升级或扩展，这部分都是可以基本上维持不变的。各模块说明如下：

（1）引导模块。采用uboot实现，完成上电初始化，并引导启动操作系统；

（2）操作系统内核。提供软件系统运行基础的内存管理、任务调度、中断处理等功能，通过对Vx-Works内核裁剪得到；

（3）驱动支持模块。提供对硬件资源的访问接口，也就是俗称的板级支持包（BSP），供其他模块访问底层硬件资源的接口；

（4）应用程序管理模块。启动计量模块、主应用模块、扩展应用模块，并监视这三个模块的运行情况，当发现异常后重启对应模块。

内核模块的上述设计方法，将软件系统最底层的内容彻底独立出来，其带来的好处是，一方面，通过软件分层，将底层的任务调度、硬件驱动等封装起来，避免上层应用程序误操作带来的风险；另一方面，内核模块作为一个整体与硬件平台绑定，在单独升级应用程序时该模块并不需要更新，极大降低了程序维护的复杂度。

鉴于篇幅，以下仅对操作系统内核组件裁剪、驱动支持模块的设计细节进行详细说明。

2.2 内核组件裁剪

VxWorks内部自带丰富的软件资源，除包含任务调度管理、任务间通信、内存管理、IO系统等操作系统基础组件外，还包含网络通信、文件系统、常见硬件驱动等高级组件，可以根据实际情况进行裁剪［9］。对于电能表而言，受上电启动时间的限制，裁剪后的目标执行文件应尽可能小，所需裁剪内容应尽可能更多，但裁剪太多又可能导致系统不稳定。根据本设计的要求，裁剪内容及裁剪后的大小见表1所示。

表1 VxWorks组件裁剪表Tab.1 Exclusions of VxWorks components

经实测，裁剪后的VxWorks目标执行文件，在300 MHz主频ARM芯片上加载启动时间为1 s，满足设计要求。且经长时间运行实测，系统运行稳定。

上述内容还可以根据实际需要进行进一步裁剪，例如一般电能表并不需要网络通信，此时可以裁剪掉网络组件，以及硬件类组件中的PHY、MII等，使整个内核容量更小。

2.3 驱动接口设计

驱动支持模块包含了本设计电能表所需的各种硬件接口，为应用程序访问硬件设备起到桥梁作用。每个硬件接口分配一个设备描述符，具备open、read、write、ioctl几个控制接口，分别用于打开、读取、写入、配置操作［10］。本设计所包含的设备及其说明见表2所示。

表2 驱动设备表Tab.2 List of driver devices

3 主应用模块设计

3.1 主应用模块划分

主应用模块完成电能表所有基本功能，包括各种电能的计算、需量计算、冻结、事件记录、数据存储、负荷记录等。根据VxWorks的特点，将本模块分为数据计算、参数管理、数据存储、通信、显示等几个子模块，每个子模块通过一个独立的实时任务进程（real time process，简称RTP）来实现，每个进程的程序运行是相对独立的，相互之间通过进程间通信的方式来交换数据［11］。

（1）数据计算模块是所有数据来源的基础，通过控制表2所述“／meas”设备来读取计量模块数据，获取总及分相的正向有功、反向有功、正向无功、反向无功等基础电能数据，以及当前电压、电流、功率、相角、频率等基础实时数据；然后，利用这些数据进行更深层次的计算处理，利用基础电能数据计算得到组合有功电能、组合无功电能、四象限无功电能以及各费率电能，利用基础实时数据进行需量计算、事件记录、负荷记录的分析处理，并通过操作系统的时钟来控制结算、冻结数据的数据归集汇总。数据计算模块所生成的数据，一方面直接提供给通信、显示模块进行对外呈现，另一方面提供给数据存储模块进行固化保存；

（2）参数管理模块提供对配置参数的集中管理，包括上电初始阶段从数据存储模块获取原始值，以及运行期间接受通信模块的参数修改命令，将修改后的参数传递给数据存储模块固化保存；

（3）数据存储模块集中管理所有针对非易失性存储器的读写操作，响应数据计算模块、参数管理模块的存储要求，操作表2中的“／spifram”与“／spiflash”设备，完成电能、需量、事件记录、冻结、负荷记录等的存储管理；

（4）通信、显示模块与常规非操作系统的软件设计差异不大，只不过通信的收发操作需要使用表2中的“／comm”设备来完成，按键监测、液晶显示分别使用“／keyboard”、“／lcd”设备来完成。

上述模块划分方法带来的好处是：其一，将复杂功能分解为简单模块，降低软件难度；其二，每个模块可以独立开发维护，在完全不影响其它模块的前提下可以单独升级局部模块的程序；最后，在扩展新功能时，旧有模块无需做任何更改。这些优势从设计源头降低了软件出错的风险，提高了软件的健壮性、可靠性。

3.2 模块执行流程

基于操作系统的应用程序设计与常规单片机系统不同，其各个模块的任务是独立运行的，通过操作系统的任务调度机制来实现任务的切换。

图2 数据计算模块流程图Fig.2 Flowchart of data calculation module

模块的流程设计包括两种典型的方式，定时轮询与中断触发。以数据计算模块为例，采用定时轮询方式，流程见图2所示，该模块完成数据初始化、注册看门狗后，即进入定时等待状态，每1 s定时时间到后依次进行各项数据计算处理，处理完后再等待新的1 s定时，如此循环反复。

中断触发方式以数据存储模块为例，流程图见图3所示。常规情况下模块处于等待状态，当收到外部存储命令后才去执行存储操作。

图3 数据存储模块流程图Fig.3 Flowchart of data storage module

上述两种典型流程设计方式，可以根据实际功能要求进行选择。对于周期性、实时性要求低的任务，可选择定时轮询方式；对于突发性、实时性要求高的任务，可选择中断触发方式。

3.3 模块间数据交互

从上一节执行流程可知，采用嵌入式RTOS后，各模块任务的运行相互独立，要交互数据，就需要使用进程间同步与通信来完成。VxWorks支持的通信方式有共享内存、消息队列、信号量、互斥锁、管道等［11］，根据本项目模块之间数据交换的特点，本文的设计采用了共享内存＋消息队列的方式来实现，见图4所示。图中，“／sd＿meas”、“／sd＿params”为共享内存，前者存放数据计算模块生成的电能、瞬时测量数据，后者存放参数管理模块处理后的参数数据；“／msg＿meas”、“／msg＿params”为消息队列，分别用作“／sd＿meas”与“／sd＿params”数据的通知处理。具体程序实现时，采用先写入共享内存，再通过消息队列通知的方式，以实现数据的异步处理。消息队列内带参数，用于对消息的内部细节进行补充说明，例如图3中的“收到数据存储命令”，其命令即采用消息队列的方式，其参数中包含了要存储的数据类型。

图4 进程间数据通信示意图Fig.4 Schematic diagram of inter-process data communication

4 扩展应用模块设计

上述主应用模块涵盖了标准所要求的智能电能表的基本功能，而且由于采用模块化的设计方法，也方便维护升级，但还需要解决如下问题：

（1）扩展通信模块的软件实现。电能表可扩展无线、蓝牙、光纤等多种通信模块，每一种通信模块对应的程序不一样，目前一般采用将各种通信方式程序糅合在一起，通过参数选择对应通信程序的方式，使整个软件系统非常复杂；

（2）定制化的软件功能。随着互动用电要求的提高，用户需要选择定制的数据服务，或由于地区上的差异，需要软件上实现特殊的功能。如果针对每一种定制化需求开发一版程序，将导致大量人力物力浪费，且软件本身因要兼容太多的情况，使得软件质量不可控。

为了解决上述灵活性问题，本文的研究利用了嵌入式RTOS多任务机制、以及可以单独加载模块程序的特点，设计了扩展应用模块。见图1所示，扩展应用模块与主应用模块、内核模块相连，一方面，该模块是对主应用模块的补充，可以利用其提供的数据，进行新的运算处理，得到新的用户所需要的数据，或反向将外部数据更新到主应用模块中；另一方面，该模块可以操作底层内核模块的资源，控制硬件实现对外接口功能。

上述软件模块上的隔离仍然不够彻底，为了充分保证扩展应用模块的独立性，需要实现物理介质层次上的隔离。具体做法是，该模块采用单独编译、单独下载、单独存储的方式。见图5所示，扩展应用程序固化在0x500000～0x600000的1 MB的空间内，与内核模块、计量模块、主应用模块完全隔离。

图5 程序存储空间分配Fig.5 Storage space allocation of software parts

当不需要扩展通信模块、或不需要定制化软件功能时，扩展应用模块部分为空；针对每一种扩展通信方式，开发单独的扩展应用模块，根据实际硬件配置自由选择下载；当需要定制化软件功能时，可以根据实际需求开发单独的扩展应用程序。采用这种实现方式，既保持了传统意义软件功能的可靠性，又兼顾到了新技术、新需求应用的灵活性。

5 对比与测试

将本文设计的基于嵌入式RTOS的智能电能表与基于单片机系统的进行优势对比，列举几个典型项目见表3所述。对比可知，采用嵌入式RTOS在设计源头上提升了软件可靠性与应用灵活性。

表3 嵌入式RTOS的设计优势Tab.3 Design superiorities of embedded RTOS

以下通过几个典型测试用例进一步说明嵌入式RTOS的优势：

（1）通过在局部软件模块中注入故障，测试其自动恢复的能力。软件运行受环境条件的影响很大，测试时很难全部覆盖，当特定条件发生时可能存在程序“跑飞”现象。通过在其中一个模块（以通信模块为例）强行注入软件故障来测试。对比测试可知，采用本文设计的电能表，当故障发生时，其它模块功能仍运行正常，例如显示仍可正常查看，计量、测量数据正常，一段时间之后通信模块被单独重启（通过软件看门狗），此时如软件故障的条件消失，则通信模块恢复正常运行，否则继续重启，在此期间其它任务均不受影响；采用单片机系统实现的电能表，故障发生时，程序卡死，显示无法操作，一段时间后整机重启（通过硬件看门狗），在此期间计量、测量功能均失效；

（2）验证测试新任务单独加载与更新时，其它现有任务不受影响。具体测试方法是，编写程序在初始化时先不加载某程序模块，程序运行后通过rtpS-pawn命令在控制台再启动该模块，测试加载期间其它任务功能均不受影响。这一点在单片机系统中是无法实现的。

6 结束语

本文提出了一种基于嵌入式RTOS的电能表软件设计方案，将整个电能表软件划分为内核模块、计量模块、主应用模块、扩展应用模块几个独立的模块，结合电能表的特点，将内核模块进行精简化设计，并采用模块化、层次化的设计思路，使电能表内部软件实现更加合理、有效。采用这种设计方式，既保证了电能表核心功能的稳定、可靠性，同时也兼顾了软件功能易于扩展的灵活性。这些设计方法对于提升电能表在功能复杂情况下的软件可靠性、解决特殊应用场合的灵活性等方面提供了新的思路，并具有一定的参考价值。