基于VxWorks的载波通信管理装置软件设计

姜元建，王 斌

0 引言

近年来国家电网公司提出了建设坚强智能电网的发展目标，配电自动化和营销自动化是当前智能电网发展的重要组成部分，配用电通信是决定配用电自动化系统建设成败的关键。配用电通信网采用多种通信方式相结合的原则组建，主要有光通信、无线通信、电力线载波通信[1]。配用电通信网的管理以智能化电网发展需求为核心，不断提高对各级配用电通信资源的调配能力、提高对各类通信业务的承载能力、提高对各种自然灾害和外力破坏的抵御能力，建设符合坚强智能电网的配用电通信网一体化智能管理系统。载波通信管理装置是配用电通信综合网管系统中的中压载波设备通信信息枢纽，本文最终目的是要构建一个在VxWorks 操作系统支持下适用于中压载波设备通信状态采集、诊断、测试的控制应用软件，包括载波监测、参数整定/查询、数据传输、任务调度、WEB 服务、FTP 服务及数据存储等功能，智能配用电通信综合管系统，如图1所示：

图1 智能配用电通信综合网管结构

1 概述

1.1 VxWorks 概述

VxWorks 是专门为实时嵌入式系统而开发的具有高性能、可裁减的操作系统，提供了高效的实时多任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任务间通信等功能支持，并为应用于各种CPU 平台提供了统一的编程接口和一致的运行特性，为程序开发提供了方便[2]。VxWorks 与Linux、Unix 等其他操作系统比较具有高性能的微内核结构，以其良好的持续发展能力，高性能的内核，友好的用户开发环境，高可靠性和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。

载波通信管理装置采用VxWorks，可以大大提高系统通信的稳定性和实时性，系统具有高效的TCP/IP 协议栈可以实时与PLC 专业网管软件通信，并可以远方诊断、测试现场载波设备的通信情况，进行远方设备管理维护。

1.2 硬件平台

载波通信管理装置采用基于 32 位工业处理器ARM9(AT91RM9200)的硬件平台，16MB Flash、64MB RAM、2 个16 位定时器、1 个看门狗、12 路带光电隔离RS-232/485 接口、1 路10M/100M 自适应以太网端口和1 个10M 以太网端口。支持双以太网技术、串行口通信等，功耗低，可靠性高，具有完善周密的电路设计和强大的技术支持。系统硬件结构主要由以下几部分组成：MCU 及外围电路，SDRAM 和FLASH 电路，双以太网，RS232/RS485 串行口，电源、复位电路等。

2 通信方案

载波网管信息通信方案，如错误！未找到引用源。所示：

图2 载波网管信息通信方案

载波通信管理装置与主站的PLC 专业网管软件通过网络通信，采用TCP/IP 通信协议，通信规约采用《Q/GDW 376.1-2009 电力用户用电信息采集系统主站与采集终端通信协议》的帧格式[3]，针对载波设备信息定义了参数数据、控制命令、1 类数据的各数据单元格式。PLC 专业网管软件通过配用电通信北向接口标准接入到配用电通信综合网管系统。

载波通信管理装置通过串口或网络口与主载波设备的命令口通信，采集中压载波设备的通道质量、路径等信息主动上报给网管系统，接收来自网管系统的控制命令对中压载波设备进行载波通道通信状态的诊断、测试等操作。

3 软件实现

3.1 总体设计方案

载波通信管理装置软件包括实时多任务操作系统、底层BSP 软件和上层应用软件3 大部分，总体结构，如图3所示：

图3 通信管理装置软件总体结构

VxWorks 操作系统主要负责任务调度、载波通信管理装置的硬件接口操作及与底层BSP 软件的连接，负责驱动、协调、管理装置的硬件资源。

底层BSP 软件是针对装置的硬件平台所编写的启动代码和部分设备驱动程序的集合，实现初始化和驱动部分设备。BSP 需要支持处理器复位、初始化、驱动串口、网络口以及必要的时钟处理等[4]。

上层应用软件是载波通信管理装置软件的核心，采集各中压载波设备的通道状态，与PLC 专业网管软件通信实现装置参数的远方整定/查询、上送载波通道状态信息等数据、对载波通道进行通信诊断、测试等操作，同时还具有数据传输、WEB 服务等任务。软件功能结构，如图所示：

图4 载波通信管理装置应用软件功能结构图

其中载波监测任务、数据传输任务根据12 路串口的配置参数会启动多个任务。各应用软件模块将在实时多任务操作系统(VxWorks)的调度、管理下，以不同的优先级完成各项任务，采用共享内存、消息队列实现多任务间的同步与通信[5]。

3.2 监听任务的实现

通信监听任务负责维护通信管理装置的所有通信任务：监听串口配置参数、与主站通信参数的变更情况，根据当前各通信任务的运行状态调用taskSpawn、taskDelete 实现各任务的启动、停止；根据各通信任务的软件心跳判断任务是否正常运行，停止异常的任务并重新启动该任务，统计各通信任务的启动次数。以通信任务的启动、停止为例：

3.3 网络通信和Q/GDW 376.1-2009 规约的实现

通信管理装置与PLC 专业网管软件采用TCP/IP 通信协议，《Q/GDW 376.1-2009 规约》的帧格式，网络通信由通信任务和规约服务任务实现：通信任务负责TCP 连接的建立、维护及数据收发；规约服务任务负责下行报文的解析处理、上行报文的组装，实现装置参数的远方整定/查询、响应远方设备诊断、测试等控制命令、响应参数复位、硬件复位等操作，采集到的载波设备通信状态信息主动发送给网管软件。数据流程，如图4所示：

图4 网络通信任务数据流程

通信管理装置通过参数配置为客户端或服务端，默认为客户端方式。作为客户端时：在建立TCP 连接前应定时不断地向PLC 专业网管软件发出连接请求；作为服务端时：在建立TCP 连接前应一直处于侦听状态并等待PLC 专业网管软件的连接请求。连接建立后按心跳周期发送心跳报文监测TCP 连接的状态，当连接关闭后重新发出连接请求或重新进入侦听状态。

3.4 载波监测的实现

通信管理装置通过串口或网络口与主载波设备的命令口通信实现载波设备工作状况的监测，采集主载波设备主动上送的数据，分析统计通道质量、路径等信息获得载波设备的工作状况，作为1 类数据存储。采用共享内存、消息队列与通信任务之间实现数据通信，由通信任务将采集的1 类数据主动上送给网管系统，载波监测任务响应网管系统对载波设备的故障诊断、通信测试操作，并由通信任务将执行结果应答网管系统。

3.5 数据传输的实现

数据传输任务可实现在上位机(配电主站)和主载波设备数据口之间进行数据传输，支持TCPServer、TCPClient、UDP 通信方式与上位机实现网络连接，通过串口连接主载波设备的数据口。监听任务根据串口工作方式配置为数据传输参数启动两个任务：数据传输网络任务接收上位机的数据处理后转发给主载波设备，数据传输串口通信任务则接收主载波设备的数据处理后转发给上位机。

3.6 WEB 服务的实现

通信管理装置内嵌WebServer，WEB 服务任务响应用户通过浏览器对装置的远程访问、控制和维护，实现远程WEB 方式的参数整定/查询，载波设备工作状况、统计数据的查询浏览。

4 测试和实验

4.1 系统测试平台

系统测试平台按照配网载波工程的实际案例搭建，由网管软件、载波通信管理装置、主载波机、从载波机四部分组成。网管软件管理两台载波通信管理装置、每台通信管理装置各自监测两个载波网络，供给4 台主载波机、14 台从载波机。网管软件及载波设备采用南瑞集团公司的DSS100 载波通信专业网管软件、PLC-075B 主载波机和PLC-075F 从载波机。主从载波机之间采用载波通信、主载波机与通信管理装置之间采用串口通信、通信管理装置与网管软件之间采用以太网通信，测试系统各项功能的完备性、准确性与稳定性。

4.2 测试与实验结果

经过严格的测试和苛刻的实验，基于嵌入式硬件平台的载波通信管理装置能够按照要求完成与载波专业网管软件之间的通信，网管软件能够正确、快速地显示各台载波机的工作状态，故障诊断、设备测试快速、稳定可靠。采用以太网通过《Q/GDW 376.1-2009 用电信息传输规约》与载波网管软件通信，系统可靠性高，通信速度快，完全符合配用电自动化系统通信要求。

5 结论

多个实际工程的应用结果表明基于VxWorks的嵌入式载波通信管理装置支持双以太网技术、串行口通信，支持多种通信规约，装置参数动态整定。能够快速准确可靠地采集所监测的载波网络中各节点工作状态、进行统计分析，并快速地将采集的信息传递给网管系统。支持远程故障诊断、设备测试来确定是载波设备故障还是终端故障，缩小了故障范围，为现场检修节约了成本。载波通信管理装置具有安装方便、成本低廉、易于维护等优点，将得到广泛地应用。

[1]Q/GDW 382-2009 配电自动化技术导则[S].2009.

[2]Wind River.VxWorks 开发人员指南丛书[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]Q/GDW 376.1-2009 电力用户用电信息采集系统通信协议，第一部分：主站与采集终端通信协议[S].2009.

[4]康静，郑建勇，袁涛，等.VxWorks 在AT91RM9200上的BSP 设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（10）：78-82.

[5]张扬,于银涛.VxWorks 内核、设备驱动与BSP 开发详解[M].北京:人民邮电出版社,2009.