馬 昊,賈晉峰,邱小平
（國網重慶市電力公司市區供電分公司,重慶 400015）
摘 要： 本應用研究結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操作系統的嵌入式配變監控終端的設計和實現方法。能夠很好的兼容電力數據采集、多種通信協議需求，同時預留接口和存儲空間進行后續智能數據處理和預警實現，具有一定的現實意義。
0 引言
隨著“五大”體系建設改革的實施，供電服務和配電兩大專業分屬于客戶服務部門和檢修部門，在管理上是分開的，由于責任和工作目標的不同，在工作中需要互相協同與配合。
營銷與配電之間的業務銜接問題主要有兩個方面：一個是配電信息的傳遞問題。另一個是臺區考核表的安裝及故障處理問題。配電專業常常會根據線路經濟運行和臺區負荷合理分配的需要，對配電線路以及低壓臺區所帶負荷進行相應的調整，這些信息只有在營銷系統中及時變更，才能保證線損統計與分析工作的正常進行，也才能保障臺區承包績效考核工作的有效開展。
本文基于μCOS-II操作系統研究一種適應于營配協同技術的新型智能化配變終端，在營銷的終端設備上，通過加裝或者新裝這一新的配變終端裝置，就可以達到將配變的數據同時采集到配網系統當中，以較低成本的方式實現營配協同的目標，從技術手段上促進“大營銷”和“大檢修”之間的協同工作，從而為 “五大”體系建設的協調運作提供有力保障。
1 硬件部分
產品硬件基于ARM嵌入式系統，整體分為系統、接口兩個方面。系統作為核心模塊設計具有通用性，保證后續功能改進和產品升級過程中在通信方式、協議擴展和模塊添加上的便捷。同時通過接口實現了該項目所需的特定功能，通過對接口進行升級實現硬件的升級調整。
1.1 系統結構
系統部分主要包括CPU、存儲器、RTC、復位和外圍電路，下面主要對CPU和存儲系統進行簡單介紹。
（1）CPU
產品所采用的CPU基于ARM7 32位內核，具有開發總線結構，同時可以與8位、16位、32位存儲器進行接口連接。三級流水線路可以有效提高指令吞吐量，提高系統的執行效率。該CPU同時集成通用輸入/輸出、定時器、數模轉換、UART、SPI等外設。
電力配變終端通常采用RS-485進行電表數據抄讀，GPRS模塊進行網絡數據傳輸，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專網通信等方式，該CPU的UART異步收發傳輸器，將資料由串行通信與并行通信間作傳輸轉換，以實現多種通信方式的數據傳輸需求，具體本文中，將詳細介紹其RS-458通信方式，以及GPRS通信模式。
（2）存儲系統
產品終端存儲包括外擴RAM、外擴NOR Flash程序存儲器、外擴NAND Flash 數據存儲器。由于芯片內部存儲的容量有限，同時使用內部存儲時，需要考慮軟件移植等問題，所以本系統采用外擴256 KB SRAM 芯片作為程序運行空間，同時使用32 MB NAND Flash 數據存儲器進行采集數據存儲。
1.2 接口部分
設備接口考慮實際需求包括RS-485通信接口、GPRS通信接口、狀態監測接口以及預留其他可擴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的值隨發送端數據變化，當發送端為O時，DE/RE=1，發送O電平，接收信息為O。
當發送端為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，數據延時較大，為30～40μs，同時也有較大的電壓誤差。當電阻接入120Ω時，延時減小10倍左右，效果明顯。
2 軟件設計
2.1 μCOS-II在CPU上的移植
在同一個終端上，既要滿足營銷的數據采集需求，又要滿足配網的數據需求，以及多樣化的通信方式。這樣，需要在一個終端上實現如645、101、104、GPRS等多種通信協議。需要引入操作系統來進行多任務并行軟件設計。
μCOS-II是一種優先級的搶占式多任務調度系統，最多可以進行64個任務的管理，并可以進行郵箱、信息、內存等全實時功能管理。進行μCOS-II的移植就是針對該CPU進行處理器、編譯環境的移植，使其可以在該系統上進行執行。同時對μCOS-II進行代碼裁剪，使其占用空間盡量小又滿足產品所需要的功能。
移植框架圖如圖2所示。
類似于其它的操作系統，μCOS-II系統也是由應用和驅動兩個部分構成。系統層將內核和硬件驅動全部封裝為API接口，應用層通過接口調用直接進行任務操作。同時從圖中可以看出，框架將中斷任務單獨抽離出來，底層封裝于FIQ和相關API中，與μCOS-II獨立。
2.2 應用結構
基于μCOS-II操作系統進行應用設計時，需要結合實際任務需求和使用環境條件進行相對獨立的，同時匹配變量、信號、消息機制等的應用設計。
3 通信軟件
串口通信軟件結構如圖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來進行實現，FIQ底層與之進行配合，開發者無需關注硬件結構，只需要進行API接口調用，即可實現。
3.2 多功能電表通信
電力系統的數據采集通過在多功能電表中的規約設計實現，通常使用的是645規約。一般實現方式為終端向系統發出數據采集請求，電能表進行相應，發送數據，這種方式稱為問答式通信。當數據響應后，對數據進行解析，然后放入數據緩沖區，等待后續讀取和其他操作。
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，可以設計組數據進行數據讀抄，提高一次數據傳輸量。在總線衰減問題上面，設置合理的網絡數據參數，優化抄表時間間隔，保證信號衰減不對下次抄表形成干擾。數據準確性通過進行校驗來規避，645規約采用的是累加和校驗。
3.3 負控規約解析
負控規約解析封裝在μCOS-II任務中，是該配變終端產品模塊中最復雜的一個部分，重點需要理解的是其解析接口和執行方式。
3.3.1 接口
接口模塊中，解析任務通過與全局數據進行接口聯系，得到構建規約幀所需的數據。
規約中的歷史數據需要與Flash系統接口，查詢實時數據時，要求任務與數據暫存接口相聯系，對于同步問題的考慮中，我們規定數據采集任務只有一個接口可進行臨時數據訪問。對于心跳包的處理，我們設計不進行直接發送，而是作為緩沖數據傳輸給通信調度器進行處理。
3.3.2 執行方式
執行規約解析任務時，通常設計兩組輸入/輸出,通信調度信息需要作為控制信息進行輸入/輸出，同時數據訪問信息作為另一組進行輸入/輸出。
任務中的I/O操作都采用緩沖區方式，通過查詢進行操作觸發，用任務操作來輪詢接口，接收到需要處理的數據，則馬上進行相應的數據處理操作，處理完之后繼續進行輪詢。任務不斷的將其發現構造的規約幀進行保存和上報。
4 結語
本應用研究結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操作系統的嵌入式配變監控終端的設計和實現方法。能夠很好的兼容電力數據采集、多種通信協議需求，同時預留接口和存儲空間進行后續智能數據處理和預警實現，具有一定的現實意義。
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