馬  昊,賈晉峰,邱小平

　?。▏W(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司,重慶 400015）

　　摘  要： 本應(yīng)用研究結(jié)合電力營銷和檢修過程中實際問題，從硬件和軟件兩個方面論述了基于μCOS-II操作系統(tǒng)的嵌入式配變監(jiān)控終端的設(shè)計和實現(xiàn)方法。能夠很好的兼容電力數(shù)據(jù)采集、多種通信協(xié)議需求，同時預(yù)留接口和存儲空間進(jìn)行后續(xù)智能數(shù)據(jù)處理和預(yù)警實現(xiàn)，具有一定的現(xiàn)實意義。

　　關(guān)鍵詞： μCOS-II；RS-485；負(fù)控規(guī)約；數(shù)據(jù)采集

0 引言

　　隨著“五大”體系建設(shè)改革的實施，供電服務(wù)和配電兩大專業(yè)分屬于客戶服務(wù)部門和檢修部門，在管理上是分開的，由于責(zé)任和工作目標(biāo)的不同，在工作中需要互相協(xié)同與配合。

　　營銷與配電之間的業(yè)務(wù)銜接問題主要有兩個方面：一個是配電信息的傳遞問題。另一個是臺區(qū)考核表的安裝及故障處理問題。配電專業(yè)常常會根據(jù)線路經(jīng)濟(jì)運行和臺區(qū)負(fù)荷合理分配的需要，對配電線路以及低壓臺區(qū)所帶負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這些信息只有在營銷系統(tǒng)中及時變更，才能保證線損統(tǒng)計與分析工作的正常進(jìn)行，也才能保障臺區(qū)承包績效考核工作的有效開展。

　　本文基于μCOS-II操作系統(tǒng)研究一種適應(yīng)于營配協(xié)同技術(shù)的新型智能化配變終端，在營銷的終端設(shè)備上，通過加裝或者新裝這一新的配變終端裝置，就可以達(dá)到將配變的數(shù)據(jù)同時采集到配網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中，以較低成本的方式實現(xiàn)營配協(xié)同的目標(biāo)，從技術(shù)手段上促進(jìn)“大營銷”和“大檢修”之間的協(xié)同工作，從而為 “五大”體系建設(shè)的協(xié)調(diào)運作提供有力保障。

1 硬件部分

　　產(chǎn)品硬件基于ARM嵌入式系統(tǒng)，整體分為系統(tǒng)、接口兩個方面。系統(tǒng)作為核心模塊設(shè)計具有通用性，保證后續(xù)功能改進(jìn)和產(chǎn)品升級過程中在通信方式、協(xié)議擴(kuò)展和模塊添加上的便捷。同時通過接口實現(xiàn)了該項目所需的特定功能，通過對接口進(jìn)行升級實現(xiàn)硬件的升級調(diào)整。

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)部分主要包括CPU、存儲器、RTC、復(fù)位和外圍電路，下面主要對CPU和存儲系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹。

　?。?）CPU

　　產(chǎn)品所采用的CPU基于ARM7 32位內(nèi)核，具有開發(fā)總線結(jié)構(gòu)，同時可以與8位、16位、32位存儲器進(jìn)行接口連接。三級流水線路可以有效提高指令吞吐量，提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率。該CPU同時集成通用輸入/輸出、定時器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、UART、SPI等外設(shè)。

　　電力配變終端通常采用RS-485進(jìn)行電表數(shù)據(jù)抄讀，GPRS模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，同時還可能存在載波通信、未來可能用到的微功率無線通信、230M專網(wǎng)通信等方式，該CPU的UART異步收發(fā)傳輸器，將資料由串行通信與并行通信間作傳輸轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)多種通信方式的數(shù)據(jù)傳輸需求，具體本文中，將詳細(xì)介紹其RS-458通信方式，以及GPRS通信模式。

　?。?）存儲系統(tǒng)

　　產(chǎn)品終端存儲包括外擴(kuò)RAM、外擴(kuò)NOR Flash程序存儲器、外擴(kuò)NAND Flash 數(shù)據(jù)存儲器。由于芯片內(nèi)部存儲的容量有限，同時使用內(nèi)部存儲時，需要考慮軟件移植等問題，所以本系統(tǒng)采用外擴(kuò)256 KB SRAM 芯片作為程序運行空間，同時使用32 MB NAND Flash 數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行采集數(shù)據(jù)存儲。

　　1.2 接口部分

　　設(shè)備接口考慮實際需求包括RS-485通信接口、GPRS通信接口、狀態(tài)監(jiān)測接口以及預(yù)留其他可擴(kuò)展通信及傳感器接口。

　　零延時RS-485接口電路如圖1所示。

　　接收端RO的值隨發(fā)送端數(shù)據(jù)變化，當(dāng)發(fā)送端為O時，DE/RE=1，發(fā)送O電平，接收信息為O。

　　當(dāng)發(fā)送端為1時，接收端在電阻作用下，輸出值為1.

　　將1 kHz的方波用于接口電路測試，TTL方波輸入接口為TXo端口。未接入端電阻時，數(shù)據(jù)延時較大，為30～40μs，同時也有較大的電壓誤差。當(dāng)電阻接入120Ω時，延時減小10倍左右，效果明顯。

2 軟件設(shè)計

　　2.1 μCOS-II在CPU上的移植

　　在同一個終端上，既要滿足營銷的數(shù)據(jù)采集需求，又要滿足配網(wǎng)的數(shù)據(jù)需求，以及多樣化的通信方式。這樣，需要在一個終端上實現(xiàn)如645、101、104、GPRS等多種通信協(xié)議。需要引入操作系統(tǒng)來進(jìn)行多任務(wù)并行軟件設(shè)計。

　　μCOS-II是一種優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，最多可以進(jìn)行64個任務(wù)的管理，并可以進(jìn)行郵箱、信息、內(nèi)存等全實時功能管理。進(jìn)行μCOS-II的移植就是針對該CPU進(jìn)行處理器、編譯環(huán)境的移植，使其可以在該系統(tǒng)上進(jìn)行執(zhí)行。同時對μCOS-II進(jìn)行代碼裁剪，使其占用空間盡量小又滿足產(chǎn)品所需要的功能。

　　移植框架圖如圖2所示。

　　類似于其它的操作系統(tǒng)，μCOS-II系統(tǒng)也是由應(yīng)用和驅(qū)動兩個部分構(gòu)成。系統(tǒng)層將內(nèi)核和硬件驅(qū)動全部封裝為API接口，應(yīng)用層通過接口調(diào)用直接進(jìn)行任務(wù)操作。同時從圖中可以看出，框架將中斷任務(wù)單獨抽離出來，底層封裝于FIQ和相關(guān)API中，與μCOS-II獨立。

　　2.2 應(yīng)用結(jié)構(gòu)

　　基于μCOS-II操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計時，需要結(jié)合實際任務(wù)需求和使用環(huán)境條件進(jìn)行相對獨立的，同時匹配變量、信號、消息機(jī)制等的應(yīng)用設(shè)計。

3 通信軟件

　　串口通信軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　3.1 通信底層API

　　從框架移植的角度來說，對UART的控制只要使用底層硬件API來進(jìn)行實現(xiàn)，F(xiàn)IQ底層與之進(jìn)行配合，開發(fā)者無需關(guān)注硬件結(jié)構(gòu)，只需要進(jìn)行API接口調(diào)用，即可實現(xiàn)。

　　3.2 多功能電表通信

　　電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通過在多功能電表中的規(guī)約設(shè)計實現(xiàn)，通常使用的是645規(guī)約。一般實現(xiàn)方式為終端向系統(tǒng)發(fā)出數(shù)據(jù)采集請求，電能表進(jìn)行相應(yīng)，發(fā)送數(shù)據(jù)，這種方式稱為問答式通信。當(dāng)數(shù)據(jù)響應(yīng)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待后續(xù)讀取和其他操作。

　　在抄表過程中，通常會遇到抄表速度緩慢、總線信號衰減、抄表誤差等問題。針對速度緩慢，可以設(shè)計組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀抄，提高一次數(shù)據(jù)傳輸量。在總線衰減問題上面，設(shè)置合理的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)參數(shù)，優(yōu)化抄表時間間隔，保證信號衰減不對下次抄表形成干擾。數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性通過進(jìn)行校驗來規(guī)避，645規(guī)約采用的是累加和校驗。

　　3.3 負(fù)控規(guī)約解析

　　負(fù)控規(guī)約解析封裝在μCOS-II任務(wù)中，是該配變終端產(chǎn)品模塊中最復(fù)雜的一個部分，重點需要理解的是其解析接口和執(zhí)行方式。

　　3.3.1 接口

　　接口模塊中，解析任務(wù)通過與全局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行接口聯(lián)系，得到構(gòu)建規(guī)約幀所需的數(shù)據(jù)。

　　規(guī)約中的歷史數(shù)據(jù)需要與Flash系統(tǒng)接口，查詢實時數(shù)據(jù)時，要求任務(wù)與數(shù)據(jù)暫存接口相聯(lián)系，對于同步問題的考慮中，我們規(guī)定數(shù)據(jù)采集任務(wù)只有一個接口可進(jìn)行臨時數(shù)據(jù)訪問。對于心跳包的處理，我們設(shè)計不進(jìn)行直接發(fā)送，而是作為緩沖數(shù)據(jù)傳輸給通信調(diào)度器進(jìn)行處理。

　　3.3.2 執(zhí)行方式

　　執(zhí)行規(guī)約解析任務(wù)時，通常設(shè)計兩組輸入/輸出,通信調(diào)度信息需要作為控制信息進(jìn)行輸入/輸出，同時數(shù)據(jù)訪問信息作為另一組進(jìn)行輸入/輸出。

　　任務(wù)中的I/O操作都采用緩沖區(qū)方式，通過查詢進(jìn)行操作觸發(fā)，用任務(wù)操作來輪詢接口，接收到需要處理的數(shù)據(jù)，則馬上進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理操作，處理完之后繼續(xù)進(jìn)行輪詢。任務(wù)不斷的將其發(fā)現(xiàn)構(gòu)造的規(guī)約幀進(jìn)行保存和上報。

4 結(jié)語

　　本應(yīng)用研究結(jié)合電力營銷和檢修過程中實際問題，從硬件和軟件兩個方面論述了基于μCOS-II操作系統(tǒng)的嵌入式配變監(jiān)控終端的設(shè)計和實現(xiàn)方法。能夠很好的兼容電力數(shù)據(jù)采集、多種通信協(xié)議需求，同時預(yù)留接口和存儲空間進(jìn)行后續(xù)智能數(shù)據(jù)處理和預(yù)警實現(xiàn)，具有一定的現(xiàn)實意義。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 鄧健. 智能配變監(jiān)控終端的設(shè)計[D]. 武漢：華中師范大學(xué), 2009.

　　[2]呂鵬,王俊仁,許昆等.IEC104規(guī)約與DL/T 645規(guī)約轉(zhuǎn)換的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,(18):4-6,10.

　　[3]趙會英.配網(wǎng)自動化與配變終端裝置設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué),2004.

　　[4]李玉凌,徐斌,孫軍平等.基于雙核嵌入式微處理器的智能配變終端研制[J].電力建設(shè),2011,32(12):9-12.

　　[5]易宇航,龍建坡,崔文超等.基于ARM的多串口擴(kuò)展及高速485通信設(shè)計[J].中國儀器儀表,2013,(5):63-66.

　　[6]黃濤,徐宏喆,陳寧等.嵌入式實時操作系統(tǒng)移植技術(shù)的分析與應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用,2003,23(9):88-89,98.

　　[7]周國平,富會春.基于ARM與μCOS-II的試驗機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[J].工程與試驗,2014,(1):66-69.

　　[8]Zhenghua Xin,Yongliang Guo,Liangyi Hu等.Research on the Implementation of Porting uCOS-II on the STM32F103 chip[J].TELKOMNIKA : Indonesian Journal of Electrical Engineering,2013,11(7).