嵌入式通信网关实时操作系统的选择.pdf

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1、装备制造技术)2 0 0 7 年第8 期嵌入式通信网关实时操作系统的选择卢日昌林小峰(广西大学电气工程学院。广西南宁5 3 0 0 0 4)摘要：钟对电力系统通信的特点和巨晚要求提出嵌八式通信网=毛的实时操作系统的选择原则，并对当前主流音勺几十嵌入式实时操作暮蜕的特点进行了简要分析。关调：电力系洗；通信网关；操作系统；妾时中田分类号：T M 7 2 7文献标识码：A文章编号：1 6 7 2-5 4 5 X(2 0 0 7)0 8-0 1 4 9-0 2随着计算机技术和通信技术在电力系统中的广泛应用，各种各样的通信网络给了用户更多的选择，但同时也带来了如何将这蝗不同网络的设备互联以实现互操作的现

2、实问题。由于历史原因在发电厂、变电站内，不同厂家的自动化设备之间以及厂站系统与不同调度中心之间的通信接口越来越多，设备之间的数据不能共享已经制约了实时信息的集成，严重影响着上级调度指挥系统作用的发挥。传统的方式是用普通的P c 机或工控机作为通信管理机，用W i n d o w s 作为操作系统平台，这种方式的严重缺点是无法保证系统的实时性和可靠性，并且会经常遭受病毒的侵袭，导致通信数据的延误和通信系统的阻塞乃至瘫目P“。近年来，普遍采用嵌入式系统结构的以规约转换_?主要功能的通信网关作为通信管理机，用于将各种非标准通信协议转换为标准通信协议，实现各种智能设备之间、各种设备与上一级调度服务器之

3、间的互连通信。实现数据共享并且在电厂、变电站自动化系统中的作用越来越重要；嵌入式实时操作系统在通信冈关中得到了日趋广泛和深人的应用。1 电力系统通信的特点电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助系统按规定的技术和经济要求组成的将一次能源转换为电能并输送和分配到用户的统一系统口。其硬件能够适应发电厂、变电站恶劣的现场条件；系统软件和应用程序要有纠错、容错机制。在数据安全方面，对于系统维护人员和一般运行人员开放不同的权限并提供密码保护。与公用通信网络及其他专用网络相比，电力系统通信有如下特点：(1)有较高的可靠性和灵活性。电力生产的不容间断性和运行状态变化的突然性，要求通信具有高

4、度可靠性和灵活性。(2)传输信息量少但种类复杂、实时性强。电力系统通信所传输的信息有话音信号、远动信号、继电保护信号、电力负荷监测信息、计算机信息及其他数字信息等，信息置一般较少，但都要求有 艮弓虽的实时性卿。(3)具有很大的耐“冲击”性。当电力系统发生事故时，在事故发生及渡及的发电厂、变电站，通信业务量会骤增通信的网络结构、传输通道的配置应能承受这种冲击。在发生重大自然灾害时，各种应急、备用通信手段应能充分发挥作用。(4)网络结构复杂。电力系统通信网中有着种类繁多的通信手段和各种不同性质的设备、机型，它们通过不同的接口方式和不同的转接方式，如用户线延伸、中继线传输、电力线载波设备与光纤、微波

5、等设备的转接及其他同类、不同类通信设备的转接等，构成了电力系统复杂的通信网络结构(5)通信范隧点多面广。除基层供电局等通信集中的地方外，供电区内所有的变电站、供电所也都是电力通信服务的对象。很多变电站地处偏远，通信设备的维护半径达上百公里。(6)元人值守机房居多。除中心枢纽通信站外，大多数站点都是元人值守，虽然减少了费用开支，但是给设备的维护维修和数据通信带来了诸多不便。由此可见，在一台电力通信网关中，具有多串口、多网络接口、多规约及可扩充性好等特点是银重要的。这样的通信网关能够同时并行完成多种通信规约转换，以保证数据传输的实时性和有效性、系统的可靠性和维护的灵恬性。2 选择嵌入式实时操作系统

6、的原则操作系统是电力通信网关硬件上的第一层系统软件，操作系统的性能直接影响到通信网关的性能。为了满足电力系统通信的实时性要求，一般选用嵌入式实时操作系统。由于现在市场已经有几十种不同的嵌入式实时操作系统，它们有各自不同的特点，各自针对不同的硬件系统，有不同的性能和开发模式，有开放源代码的也有完全商业的。在项目设计的初期，正确的嵌入式操作系统选择，可以避免由于操作系统性能的问题造成设计的中后期更换操作系统带来的大量的时问和成本的浪费。一般而言，在选择嵌入式操作系统时，可以遵循以下原则：(1)操作系统的实时性能：实时性是第一要求，需要调度一切可利用的资源完成实时任务。根据响应时间在微秒、毫秒和秒级

7、的不同，可分为强实时、准实时和弱实时三种。强实时系收稿日期：2 0 0 7 0 6-2 2作者简介：卢日昌(1 9 6 5 一)男，广西大学电气工程学院教师，主要从事计算机应用研究与教掌工作。1 4 9 万方数据E q u i p m e n tM a n u f a c t r i n gT e c l m o l o g yN O 8，2 0 0 7统必须是对即时的事件作出反应，绝对不能错过事件处理时限。因而，选择操作系统时，对实时性的仔细考虑至关重要。(2)性能与开发者的实力。选择操作系统要看其性能，保证运行系统的稳定性、可靠性和强壮性；还要考虑该产品开发者的实力，否则可能会影响后续版本

8、的升级和服务的质量。某些操作系统可能是技术人员充裕、现成资源较多，利用这些操作系统做产品比较简单：去掉不要的功能就能很快出产品，但伴随的可能是成本高，核心竞争力差。而某些高效的操作系统可能由于编程人员缺乏，或由于这方面的技术积累不够，影响开发进度。(3)可利用资源。研制通信飚关产品是以快速、低成本、高质量地推出适合用户需求的产品为目的。集中精力研发产品的特色，而其他功能则由操作系统附加或采用第三方产品，因此操作系统的可利用资源对于选型是一个重要参考条件。(4)系统定制能力。嵌入式操作系统是与应用环境密切相关的。通信网关的应用场合多种多样，用户的需求可能是千差万别的，硬件平台也都不一样，所以对操

9、作系统的定制能力提出了要求。(5)开发模式和开发平台的灵活性。大多数嵌入式操作系统采用交叉开发环境的开发模式。所谓交叉开发环境是指编译、链接和调试应用程序代码的环境与应用程序的运行环境不同，它分布在有通信连接的宿主机与目标机环境之中。要有一套简明、直观、高效而自主的开发系统(这套开发系统可以在自身上运行)即自宿主开发平台；还要考虑开发平台是否可以运行于其它常见的操作系统(如W i n d o w s、u n u)之上。(6)成本。成本是所有产品不得不考虑的问题。操作系统的选择会对成本有什么影响呢?首先要考虑的是操作系统本身的费用，有些操作系统本身是免费的，但需要支付许可证使用费。其次是要进行综

10、合权衡的考虑：选择某操作系统可能会对其它一系列的因素产生影响，如对硬件设备的选型、人员投人、以及公司管理和与其它合作伙伴的共同开发之间的沟通等许多方面的影响。3 几种代表性操作系统的比较3 1V x W o r k sV x W o r k s 操作系统是美国W i n d R i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌人式实时操作系统(8 T O S)，是T o r a a d o 嵌人式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。V x W o r k s 具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活

11、的任务间通讯；微秒级的中断处理；支持P O S I X1 0 0 3l b 实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的T C P I P 网络协议等。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，通常需较高的费用才能建起一个可用的开发环境，对每个应用一般还要另外收费；还需要专门的技术人员掌握开发技术和维护工作，所以软件的开发和维护成本都非常高。支持的硬件数量有限。3 2l a C O S 一1 5 0I LC O S 一1 1 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的。可用于8 位、1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器(D S P)。它是在原版本*C O S 基础上做了重大改

12、进与升级的并有了近十年的使用实践，有许多成功应用的实例。C O S 一1 1 的主要特点如下：(1)公开源代码。(2)可移植性，绝大部分源代码是用A N S I C 语言写的，便于移植到其他微处理器上。(3)可固化，可以将斗C t O S-嵌入到产品中成为产品的一部分。(4)可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少所需的存储空间。(5)可剥夺性。完全是可剥夺式的实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务。(6)多任务，可管理“个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮转调度法。(7)可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于应用程序任务的多少。(8)稳定性和可靠性

13、，“C O S 一1 I 的每一种功能、每一个函数及每一行代码都经过了考验与测试，成功应用该实时内核的实饲是其稳定性和可靠性的最好证据。3 3W i n d o w sC EW i n d o w sC E 与W i n d o w s 系列有较好的兼容性，无疑是W i n d o w sC E 推广的一大优势。其中W i n C E 3 0 是一种针对小容量、移动式、智能化、3 2位、了解设备的模块化实时嵌入式操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。它是从整

14、体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 K B 的R O M。从技术角度上讲，W i n d o w sC E 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和W i n d o w s 一样占用过多的系统内存，应用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。3 4O N XQ N X 是一个分布式、嵌人式、可规模扩展的实时操作系统。最早开发于1 9 8 0 年到现在已相当成熟。Q N

15、X 是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供四种服务：进程调度、进程问通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它O s 服务，都实现为协作的用户进程因此Q N X 核心非常小巧而且运行速度极快。建立在微内核和完全地址空间保护基础之上的Q N X 实时操作系统，实时、稳定、可靠、强壮作为实时性的两个主要指标的上下文切换和中断延时。其时间指标都在微秒一级。具有模块化程度高、剪裁自如、易于扩展的特点。用户可以随时按照应用程序的方式编写系统程序，从而对系统进行个性f 下转第1 6 0 页】万方数据E q u i p n m n tM a n u f a c t r l n gT

16、e e h n o ,yN O 8，2 0 0 7外径、壁厚、钢级、操作员工号等信息，当检测到网络正常，能够S I N U M E R I C8 0 2 D 数控系统对其进行改造，此改造容易进行且将以上信息上传到公司企业信息化管理网。有利于公司E R P成本较低。的实施。工控机存储信息一年、到期以后归档备份。参考文献：【1 l 牡江华西门子8 0 2 D 在机床改造中的成功应用 A】【第二届】西门3 结论运用S I N U M E R I C8 0 2 D 数控系统的新型倒棱机，较传统的倒棱设备，自动化水平，产品质量和加工制造能力均有大幅的提高，可以加工大直径厚壁管，直径到士3 4 0 m m

17、，壁厚到4 0 m m。可以设想，在已有的传统倒棱机的改造中，也可以运用子d 眦眦血数控应用与改造有奖征文论文集。2 0 0 6：4 5-4 7【2】S I N U M E I U C8 0 2 D 简明调试指南【K】【3】聂蕾擞控实用技术与实例嗍北京：机械工业出版社2 0 0 6【4】张志义数控应用技术叫l 北京：化学工业出版社,2 0 0 5【5】卢胜利，王睿鹏+祝玲现代数控系统一原理、结构与实例【M 北京：机械工业出版社2 0 0 6A p p l i c a t i o no fS I N U M E R I C8 0 2 Dn u m e r i c a lc o n t r o l

18、s y s t e mi nc h a m f e r i n gm a c h i n eS UH o n g-x i a l,Z h e n g N a-n E，F uY u a n _ j i e 聃u A N GJ l n 州o n 矿(1 C d e g eo f M e c h a n i c a l E n e r g yE n g l n e e r i n g，Z h e j i a n gU n i v e r s i t y H a r 婚h o u3 1 0 0 2 7 C h i n a；2 Q i n g d a oH y g 血C h e m i c a lG r

19、 o u pc 0，L i d，Q i n g d S h a h g o o n g2 6 6 0 4 2，C h i n a；3 Z h e j i a n gP r o v i n c i a lS p e c i a lE q u i p m e n tI n s p e c t i o nC e n t e rH a r 啦h 3 1 0 0 2 0，C h i n a；4 Q i n g o a oE n p a C h 日m i c,a lE n g i n e e r i n gc o，l a d，Q i n g o S h a n g d o n g2 6 6 0 6 1，C

20、 h i n a)A b s t r a c t：C h a m f e r i n g m a c h i n e f o rs t e e l p i p e i sa n i m p o r t a n t p a r t o f a n ys t e e l p i p e m a c h i m n g l i n e S I N U M E R I C8 0 2 Dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e r ni sa p p L e dt oc o n t r o lt h ef e e d i n ga n dr o t a t i o

21、na n do t h e ra c t i o n so ft h ec h i e fa x i s I ti sc o m b i n e dw i t hS I E M E N SP L Ct oc o n t r o lt h en e w s 竹l ea u t o m a t i cc h a m f e r i n gm a c h i n ef o rs t e e lp i p eb yt h eP R O F I B U Sb u s I th a sb e e np r o v e dt h a tt h em a c h i n eg e t sah i g hc u

22、 t t i n gp r e c i s ea n dt h ew o r ke f f i c i e n c y S oS I N U M E R I C8 0 2 Di sa p p l i e di nt h ec h a m f e r i n gm a c h i n es u c c e s s f u l l ya n dn e c e s s a r i l y K e yw o r d s：S I N U M E K I C8 0 2 DP L C；C h a m f e r i n gL 上接第1 5 0 页1化的扩展。通过系统剪裁，Q N X 可以运行在3 2 k 到

23、4 G 以上的存储空间上。Q N x 实时操作系统还是一个开放的系统，其应用程序接口完全符合P O S I X 标准。使L i n u x U N I X 程序能够方便地移植到Q N x 系统上来，极大地扩展了Q N X 系统的可用资源。Q N X开放性还表现在网络联结性上。Q N X 不仅有Q N X 机器之间专用网络，还支持与异型机器之间网络通信的协议，如T C P I P 族的各种协议。Q N X 机器自身之间通信使用的协议，可以将多台Q W X 物理机联成一体，在各物理机之间共享各种资源使各物理机联结成为一台逻辑机。对于需要分布式并行计算的应用系统而言，Q N X 系统的这种特点无疑提

24、供了极大的方便。对于处理量很大而分布式系统不能满足需求的应用系统而言，Q N X 还提供了对称多处理器方式的系统给用户选择。4 结论在一套发电厂或变电站自动化系统中，往往使用多台甚至几十台通信网关 6 1，嵌入式操作系统的选择是项目在方案初步设计阶段中重要的一项工作，需要综合考虑经济效率和市场前景。从以上分析可以看出：选择嵌人式操作系统时。既要注意操作系统的实时性、安全可靠性等性能指标，又要注意资源、人才和成本等属性；既要考虑实际应用场合的特殊需求，又要考虑长期应用的要求。这样，才能使所选的嵌入式操作系统更好地发挥作用，获得最佳的性能价格比，满足短期应用的要求，也符合中长期发展的需要。参考文献

25、：【1 J 1 牛林，梁军自树忠基于实时多任务操作系统的通信管理机的总体方案设计及实施U L 继电器,2 0 0 4 3 2(2 2)：3 5 3 8【2】刘青山，姜孝华基于V x W o r k s 网络通信代理实现的分布式变电站自动化监控系统棚计算机应用，2 0 0 5 2 5(2)：4 3 4-4 3 9【3 梁蓉武汉电力通信的发展概况咖华中电力2 0 0 6，1 9(I)：4 1-4 4【4】宋延昭嵌人式操作系统介绍及选型原则叨工业控制计算机，2 6 0 5，1 8(7)：4 1-4 2 5】武强选择嵌人式实时操作系统应注意的几个同题U 航空计算技术2 1 3 0 2 3 2(3)：9

26、 0-9 2【6】胡明，周有庆，王永辉一种新型电力系统通信两关的研制叨继电器,2 0 0 4 3 2 1 0)：6 3 6 5S e l e c t i o no fR e a l-t i m eO p e r a t i n gS y s t e m sf o rt h ee m b e d d e dC o m m u n i c a t i o nG a t e w a yL UR J-d m n g L I NX J a o-f e n g(C o l l e g eo f E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g，G u a n 鲥U n i

27、v e r s i t yG u a n 商5 3 0 0 0 4，C h i n a)A b s t r a c t：I nt h i sp a p e r，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s0 fp e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c si nc o m m u n i c a t i o no fp o w e rs y s t e m t h es e l e c t i o np r i n c i p l eo fr e a l-t i m eo p e

28、 r a t i n gs y s t e mkt h ee m b e d d e dc o m m u n i c a t i o ng a t e w a yi sp r e s e n t e d a n dc a r r i e do nt h eb r i e fa n a l y s i st os e v e r a lp o p u l a r e m b e d d e dr e a l-t i m eo p e r a t i n gs y s t e m s K e y w o r d s：P o w e rs y s t e m；C o m m u n i c a t

29、 i o ng a t e w a y；O p e r a t i n gs y s t e m s；R e a l-t i m e1 6 0 万方数据嵌入式通信网关实时操作系统的选择嵌入式通信网关实时操作系统的选择作者：卢日昌，林小峰，LU Ri-chang，LIN Xiao-feng作者单位：广西大学电气工程学院,广西,南宁,530004刊名：装备制造技术英文刊名：EQUIPMENT MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2007(8)参考文献(6条)参考文献(6条)1.胡明;周有庆;王永辉 一种新型电力系统通信网关的研制期刊论文-继电器 2004(10)2.武强 选择嵌入式实时操作系统应注意的几个问题期刊论文-航空计算技术 2002(03)3.宋延昭 嵌入式操作系统介绍及选型原则期刊论文-工业控制计算机 2005(07)4.梁蓉 武汉电力通信的发展概况期刊论文-华中电力 2006(01)5.刘青山;姜孝华 基于 VxWorks 网络通信代理实现的分布式变电站自动化监控系统期刊论文-计算机应用2005(02)6.牛林;梁军;白树忠 基于实时多任务操作系统的通信管理机的总体方案设计及实施期刊论文-继电器 2004(22)本文链接：http:/