系统安全范畴的技术（基于COS-II操作系统的嵌入式配变监控终端研究）

系统安全范畴的技术（基于COS-II操作系统的嵌入式配变监控终端研究）1.1 系统结构产品硬件基于ARM嵌入式系统，整体分为系统、接口两个方面。系统作为核心模块设计具有通用性，保证后续功能改进和产品升级过程中在通信方式、协议扩展和模块添加上的便捷。同时通过接口实现了该项目所需的特定功能，通过对接口进行升级实现硬件的升级调整。营销与配电之间的业务衔接问题主要有两个方面：一个是配电信息的传递问题。另一个是台区考核表的安装及故障处理问题。配电专业常常会根据线路经济运行和台区负荷合理分配的需要，对配电线路以及低压台区所带负荷进行相应的调整，这些信息只有在营销系统中及时变更，才能保证线损统计与分析工作的正常进行，也才能保障台区承包绩效考核工作的有效开展。本文基于μCOS-II操作系统研究一种适应于营配协同技术的新型智能化配变终端，在营销的终端设备上，通过加装或者新装这一新的配变终端装置，就可以达到将配变的数据同时采集到配网系统当中，以较低成本的方式实现营配协同的目标，

马 昊 贾晋峰 邱小平

（国网重庆市电力公司市区供电分公司 重庆 400015）

0 引言

随着“五大”体系建设改革的实施，供电服务和配电两大专业分属于客户服务部门和检修部门，在管理上是分开的，由于责任和工作目标的不同，在工作中需要互相协同与配合。

营销与配电之间的业务衔接问题主要有两个方面：一个是配电信息的传递问题。另一个是台区考核表的安装及故障处理问题。配电专业常常会根据线路经济运行和台区负荷合理分配的需要，对配电线路以及低压台区所带负荷进行相应的调整，这些信息只有在营销系统中及时变更，才能保证线损统计与分析工作的正常进行，也才能保障台区承包绩效考核工作的有效开展。

本文基于μCOS-II操作系统研究一种适应于营配协同技术的新型智能化配变终端，在营销的终端设备上，通过加装或者新装这一新的配变终端装置，就可以达到将配变的数据同时采集到配网系统当中，以较低成本的方式实现营配协同的目标，从技术手段上促进“大营销”和“大检修”之间的协同工作，从而为 “五大”体系建设的协调运作提供有力保障。

1 硬件部分

产品硬件基于ARM嵌入式系统，整体分为系统、接口两个方面。系统作为核心模块设计具有通用性，保证后续功能改进和产品升级过程中在通信方式、协议扩展和模块添加上的便捷。同时通过接口实现了该项目所需的特定功能，通过对接口进行升级实现硬件的升级调整。

1.1 系统结构

系统部分主要包括CPU、存储器、RTC、复位和外围电路，下面主要对CPU和存储系统进行简单介绍。

（1）CPU

产品所采用的CPU基于ARM7 32位内核，具有开发总线结构，同时可以与8位、16位、32位存储器进行接口连接。三级流水线路可以有效提高指令吞吐量，提高系统的执行效率。该CPU同时集成通用输入/输出、定时器、数模转换、UART、SPI等外设。

电力配变终端通常采用RS-485进行电表数据抄读，GPRS模块进行网络数据传输，同时还可能存在载波通信、未来可能用到的微功率无线通信、230M专网通信等方式，该CPU的UART异步收发传输器，将资料由串行通信与并行通信间作传输转换，以实现多种通信方式的数据传输需求，具体本文中，将详细介绍其RS-458通信方式，以及GPRS通信模式。

（2）存储系统

产品终端存储包括外扩RAM、外扩NOR Flash程序存储器、外扩NAND Flash 数据存储器。由于芯片内部存储的容量有限，同时使用内部存储时，需要考虑软件移植等问题，所以本系统采用外扩256 KB SRAM 芯片作为程序运行空间，同时使用32 MB NAND Flash 数据存储器进行采集数据存储。

1.2 接口部分

设备接口考虑实际需求包括RS-485通信接口、GPRS通信接口、状态监测接口以及预留其他可扩展通信及传感器接口。

零延时RS-485接口电路如图1所示。

接收端RO的值随发送端数据变化，当发送端为O时，DE/RE=1，发送O电平，接收信息为O。

当发送端为1时，接收端在电阻作用下，输出值为1.

将1 kHz的方波用于接口电路测试，TTL方波输入接口为TXo端口。未接入端电阻时，数据延时较大，为30～40μs，同时也有较大的电压误差。当电阻接入120Ω时，延时减小10倍左右，效果明显。

2 软件设计

2.1 μCOS-II在CPU上的移植

在同一个终端上，既要满足营销的数据采集需求，又要满足配网的数据需求，以及多样化的通信方式。这样，需要在一个终端上实现如645、101、104、GPRS等多种通信协议。需要引入操作系统来进行多任务并行软件设计。

μCOS-II是一种优先级的抢占式多任务调度系统，最多可以进行64个任务的管理，并可以进行邮箱、信息、内存等全实时功能管理。进行μCOS-II的移植就是针对该CPU进行处理器、编译环境的移植，使其可以在该系统上进行执行。同时对μCOS-II进行代码裁剪，使其占用空间尽量小又满足产品所需要的功能。

移植框架图如图2所示。

类似于其它的操作系统，μCOS-II系统也是由应用和驱动两个部分构成。系统层将内核和硬件驱动全部封装为API接口，应用层通过接口调用直接进行任务操作。同时从图中可以看出，框架将中断任务单独抽离出来，底层封装于FIQ和相关API中，与μCOS-II独立。

2.2 应用结构

基于μCOS-II操作系统进行应用设计时，需要结合实际任务需求和使用环境条件进行相对独立的，同时匹配变量、信号、消息机制等的应用设计。

3 通信软件

串口通信软件结构如图3所示。

3.1 通信底层API

从框架移植的角度来说，对UART的控制只要使用底层硬件API来进行实现，FIQ底层与之进行配合，开发者无需关注硬件结构，只需要进行API接口调用，即可实现。

3.2 多功能电表通信

电力系统的数据采集通过在多功能电表中的规约设计实现，通常使用的是645规约。一般实现方式为终端向系统发出数据采集请求，电能表进行相应，发送数据，这种方式称为问答式通信。当数据响应后，对数据进行解析，然后放入数据缓冲区，等待后续读取和其他操作。

在抄表过程中，通常会遇到抄表速度缓慢、总线信号衰减、抄表误差等问题。针对速度缓慢，可以设计组数据进行数据读抄，提高一次数据传输量。在总线衰减问题上面，设置合理的网络数据参数，优化抄表时间间隔，保证信号衰减不对下次抄表形成干扰。数据准确性通过进行校验来规避，645规约采用的是累加和校验。

3.3 负控规约解析

负控规约解析封装在μCOS-II任务中，是该配变终端产品模块中最复杂的一个部分，重点需要理解的是其解析接口和执行方式。

3.3.1 接口

接口模块中，解析任务通过与全局数据进行接口联系，得到构建规约帧所需的数据。

规约中的历史数据需要与Flash系统接口，查询实时数据时，要求任务与数据暂存接口相联系，对于同步问题的考虑中，我们规定数据采集任务只有一个接口可进行临时数据访问。对于心跳包的处理，我们设计不进行直接发送，而是作为缓冲数据传输给通信调度器进行处理。

3.3.2 执行方式

执行规约解析任务时，通常设计两组输入/输出 通信调度信息需要作为控制信息进行输入/输出，同时数据访问信息作为另一组进行输入/输出。

任务中的I/O操作都采用缓冲区方式，通过查询进行操作触发，用任务操作来轮询接口，接收到需要处理的数据，则马上进行相应的数据处理操作，处理完之后继续进行轮询。任务不断的将其发现构造的规约帧进行保存和上报。

4 结语

本应用研究结合电力营销和检修过程中实际问题，从硬件和软件两个方面论述了基于μCOS-II操作系统的嵌入式配变监控终端的设计和实现方法。能够很好的兼容电力数据采集、多种通信协议需求，同时预留接口和存储空间进行后续智能数据处理和预警实现，具有一定的现实意义。

参考文献

[1] 邓健. 智能配变监控终端的设计[D]. 武汉：华中师范大学 2009.

[2]吕鹏 王俊仁 许昆等.IEC104规约与DL/T 645规约转换的设计与实现[J].微型机与应用 2014 (18):4-6 10.

[3]赵会英.配网自动化与配变终端装置设计[D].南京：南京理工大学 2004.

[4]李玉凌 徐斌 孙军平等.基于双核嵌入式微处理器的智能配变终端研制[J].电力建设 2011 32(12):9-12.

[5]易宇航 龙建坡 崔文超等.基于ARM的多串口扩展及高速485通信设计[J].中国仪器仪表 2013 (5):63-66.

[6]黄涛 徐宏喆 陈宁等.嵌入式实时操作系统移植技术的分析与应用[J].计算机应用 2003 23(9):88-89 98.

[7]周国平 富会春.基于ARM与μCOS-II的试验机控制系统设计与研究[J].工程与试验 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).