（机械设计及理论专业论文）基于μcosⅡ电能量远方终端的设计与实现.pdf

摘要 随着电力作为商品进入了市场，电力企业的管理模式已经发生了根本性的变 化。如今电力系统的厂网已经分家，发电公司和电网公司已独立运行。在这一背 景之下，厂网双方都迫切需要根据电力市场技术支持系统功能规范的要求， 建设自己的电能量计量计费系统( t m r t e l e m e t e r r e a d i n gs y s t e m ) ，完成对电能 量数据进行自动采集、远传和存储、预处理、统计分析，以支持电力市场的运营、 电费结算、辅助服务费用结算和经济补偿计算等。 电能量远方终端( e r t u ) 是电能量计量计费系统的核心设备之一，它主要 负责与电能表通信，自动抄录电能表采集和计算生成的计量和结算数据，并根据 现代电能量计量计费系统的要求，对所抄录的数据进行存储、预处理和远传，确 保电能量计量计费系统能及时、完整、准确、可靠、安全地采集到电能计量和结 算所需的数据，保证电力市场供、售、购电各方对电能计量和结算的需求。 本文结合中国的具体国情，借鉴国内外研究成果，在对基于工业现场串口传 输实时性能建模并分析的基础上，提出了基于保护模式下的g c o s i i 实时嵌入 式操作系统的新型电能量远方终端的设计方法。并结合国家和电力行业颁布的相 关规范和标准，对装置的实时性、稳定可靠性、高效性等技术进行了深入的研究。 最终设计丌发了一套具有自主知识产权的新型电能量远方终端。 硬件设计方面，装置按照嵌入式工业计算机系统的标准，采用了模块化的设 计方法。系统由i n t e l 5 8 6 高性能c p u 板、3 2 0 x 2 4 0 蓝屏液晶显示器、薄膜键盘、 状态指示板、多功能扩展基板以及电源系统等部分组成。其中i n t e l 5 8 6 高性能 c p u 板采用盛博科技的p c i 0 4 规格的c p u ，板上集成有3 2 m 内存、d o c 2 0 0 0 固态盘和1 0 b a s e t 网络接口等。电源系统由交直流两用开关电源和交直流电源自 动切换系统两部分组成。多功能扩展基板是专门为e r t u 设计的一块电路板，板 上扩展了8 路r s 4 8 5 串行接口和一路工业级拨号m o d e m 。与此同时，键盘、 液晶显示器等功能部件的辅助电路也集成在该板上。硬件设计考虑了装置在恶劣 工作环境下的稳定可靠运行的需求。 软件设计方面，根据装置的特点和实时性要求，采用了l l c o s i i 实时多任 务操作系统。为保证装置的高效运行，作者创造性地将基于x 8 6 硬件平台下实 模式的g c o s i i 实时多任务操作系统移植到保护模式下运行，并针对应用软件 需求和硬件资源，设计实现了相应的设备驱动的模块，建立了应用软件工作平台。 应用软件设计方面，根据( d l t7 4 3 2 0 0 1 电能量远方终端标准和( ( h t 2 0 0 0 e r t u 技术规范书的要求，采用了实时多任务软件设计的方法，软件的维护与 升级变得安全、方便、快捷。装置可与多个主站，采用不同的通信接口和不同的 通信协议通信。装置与主站系统的网络通信支持t c p i p 协议，作者根据有关文 献的介绍，移植实现了基于g c o s i i 操作系统的微型t c p i p 协议栈和底层网络 设备驱动的模块。 工艺设计方面，装置采用标准1 9 英寸3 u 铝合金机箱进设计。 装置的原理样机实现以后，在陕西省电力公司的自动化机房和变电站进行测 试，其各项性能均满足规范的要求。 关键词：电能量计量计费系统( t m r ) 、电能量远方终端( e r t u ) 、“c o s i i 、 t c p i p 、实时多任务操作系统 t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ee n e r g yr e m o t e t e m i n a lu n i tb a s e do np c o s - i i a b s t r a c t w i t ht h ef a c tt h a tt h ee l e c t r i cp o w e rh a se n t e r e dt h em a r k e ta sac o m m o d i t y , t h e e n t e r p r i s eo ft h ee l e c t r i cp o w e ra l r e a d yc h a n g e dt h ep a a e mo fa d m i n i s t r a t i o n a t p r e s e n t ，t h ee l e c t r i cn e t w o r ka l r e a d yb r e a k su pw i t ht h ee l e c t r i cg e n e r a t o rp l a n ta n d t h e yw o r ko no n e 。so w n u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h ee l e c t r i cg e n e r a t o rp l a n ta n dt h e e l e c t r i cn e t w o r kb o t hn e e dt ob u i l dt h e “t e l e m e t e rr e a d i n gs y s t e m s ( t m r ) a c c o r d i n gt ot h e “t h es p e c i f i c a t i o no fs y s t e mf u n c t i o no ft h et e c h n o l o g ys u p p o r t s e l e c t r i c p o w e rm a r k e t p l a c e u r g e n t l y , i no r d e rt oa c c o m p l i s h e sa na u t o m a t e d a c q u i s i t i o n ，d i s t a n tt r a n s m i s s i o n ，g o r a g e ，p r e t r e a t m e n t ，a n ds t a t i s t i ca n a l y s i so n e l e c t r i ce n e r g y , t os u p p o r tt h ee l e c t r i cp o w e r m a r k e t p l a c e t h er e m o t et e r m i n a lo fe l e c t r i ce n e r g y ( e r t u ) i st h ec o r ee q u i p m e n ti nt e l e m e t e rr e a d i n gs y s t e m s ( t m r ) a n di ti sm a i n l yi nc h a r g eo f t h ec o m m u n i c a t i n gw i t h t h em e t e ro fe l e c t r i ce n e r g yt oc o l l e c tt h ed a t ao fe l e c t r i ce n e r g y , w h i c hg e n e r a t e d v o l u n t a r i l yb yt h ee l e c t r i cm e t e r t h e n ，i tp r e t r e a t e d ，s t o r e da n dt r a n s m i t t e dt h ed a t ao f e l e c t r i ce n e r g ya c c o r d i n gt ot h em o d e mr e q u e s to ft e l e m e t e rr e a d i n gs y s t e m ( t m r ) i tm u s te n s u r et h a tt h ed a t ao fe l e c t r i ce n e r g yc a nb es e n tt ot h et m rs y s t e m st i m e l y , e n t i r e ，a c c u r a t e ，r e l i a b l e ，s e c u r e l y a n dg u a r a n t e et h a tt h ep r o v i d e r , s e l l e ra n dt h e b u y e ri nt h ee l e c t r i cp o w e rm a r k e t p l a c ec a l lf u l f i l lt h e i rn e e d so ft h ee l e c t r i ce n e r g y m e a s u r ea n dt h ea c c o u n t a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cn a t i o n a lc o n d i t i o no fc h i n a , a n dt h ea c h i e v e m e n t a b r o a d ，w em o d e l i n gau a r ts y s t e m sa n dt e s tt h er e a lt i m ef u n c t i o no fu a r t b a s e do nt h a t ，w ed e s i g n e dan e wk i n do fe r t u ，w h i c hb a s eo n “c o s 1 1e m b e d d e d s y s t e m a n dt h e 肛c o s i is y s t e mi sr u no nt h ep r o t e c t e dm o d e c o n s u l tt h en o r ma n d t h es t a n d a r d ，w h i c hp r o m u l g a t e db yt h ec o u n t r ya n dt h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , w e h a v eat h o r o u g hr e s e a r c ho ft h et e c h n o l o g i e sa b o u tt h ed e v i c e ，s u c ha st h er e a lt i m e p e r f o r m a n c e ，t h es t a b l er e l i a b i l i t y ，h i g h e f f e c t f i n a l l y , w ed e s i g n e dan e wk i n do f e r t u ，w h i c h h a v ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i nt h eh a r d w a r ea s p e c t w eh a sa d o p tm o d u l a r i z e dd e s i g np r o c e d u r e sa c c o r d i n g t ot h es t a n d a r do fe m b e d d e di n d u s t r yc o m p u t e rs y s t e m t h es y s t e mi sc o m p o s e db y i n t e l 5 8 6h i g h p e r f o r m a n c ec p ub o a r d ，3 2 0 x 2 4 0s c r e e nl c d d i s p l a y , f i l m yk e y b o a r d ， s t a t u sb o a r d ，m u l t i f u n c t i o n a le x t e n d e db a s eb o a r d ，p o w e rs o u r c es y s t e ma n ds oo n i n t h es y s t e m ，t h ei n t e l 5 8 6h i g h p e r f o r m a n c ec p ub o a r di sm a d eb ys b st e c h n o l o g y c o m p a n y , t h i sc p ub o a r dh a s3 2 mm e m o r y , d i s ko uc h i p2 0 0 0 ，a n d 10 b a s e t n e t w o r k si n t e r f a c ea n ds oo u t h ep o w e rs o u r c es y s t e mi sb u i l db yt h ea c d c s 、v i t c ha n dt h e r e l a t i o n s h i p d i r e c t c u r r e n t p o w e rs o u r c ea u t o m a t i o n t h e m u l t i f u n c t i o n a le x t e n d e db a s eb o a r di sap i e c eo fc i r c u i tb o a r dt h a tb ed e s i g n e d s p e c i a l l yf o re r t u ，a n dt h e r ea r eai n d u s t r i a lm o d e ma n d8e x p a n d e dr s 4 8 5r o a d s e r i a li n t e r f a c ei nt h eb o a r d m e a n w h i l e ，f u n c t i o nc o m p o n e n ta u x i l i a r yc i r c u i ts u c ha s k e y b o a r d ，l c dd i s p l a yi sa l s oi n t e g r a t e do nt h a tb o a r d t h eh a r d w a r ed e s i g nh a s c o n s i d e r e dd e v i c et h ew o r k i n gn e e ds t a b i l i z i n gr e l i a b l yf a l l i n gi nv e r yb a dw o r k e n v i r o n m e n t i nt h es o f t w a r ea s p e c t ，a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i ca n dr e a lt i m en a t u r eo ft h e d e v i c e ，w ea d o p tt h ei _ t c o s - i ie m b e d d e ds y s t e m s ，w h i c hr u ni nr e a l - t i m ek e r n e l f o r g u a r a n t e ed e v i c eh a sh i g h l ye f f i c i e n to p e r a t i o n ，w eh a v eac r e a t i v e n e s st ot r a n s p l a n t t h eb c o s i is y s t e mt op r o t e c t e dm o d e w h i c hr u ni nr e a lm o d eu n d e rx 8 6h a r d w a r e p l a t f o r m a n ds p e c i f i c a l l yf o rt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r en e e da n dt h eh a r d w a r e r e s o u r c e ，w eh a v ed e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n gd r i v e sd r i v e r sa n db u i l d i n g u pa a p p l i c a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r m i nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ea s p e c t ，b a s e do nt h e s t a n d a r do f ”d l t7 4 3 - 2 0 0 1e l e c t r i ce n e r g yr e m o t et e r m i n a l ”a n dt h er e q u e s to f ”h t 2 0 0 0e r t ut e c h n i c a lc o d eb o o k ”，w ea d o p tt h em u l t i t a s k i n gs o f t w a r ed e s i g n p a t t e r nt od e s i g ni t ，s o t h eu p k e e pa n dp r o m o t i o no fs o f t w a r ea r eb e c o m es a f e ， c o n v e n i e n ta n dr a p i d t h ed e v i c em a yc o m m u n i c a t eb yw i t i lm a n yh o s t a d o p t d i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t d e v i c e a n ds y s t e m a t i cn e t w o r ko fh o s ts t a n dc o m m u n i c a t i o nh o l do u tt c p i pa g r e e m e n t ， m o d u l et h a tt h ea u t h o rd r i v e sa c c o r d i n gt ot h et c p i pa g r e e m e n t i nt h ea s p e c to fp r o c e s sd e s i g n ，t h ed e v i c ei se q u i p p e dw i t hs t a n d a r d19i n c h e so f 3 ua l u m i n i u ma l l o y sm a c h i n ec a s e a f t e rf i n i s ht h ep r i n c i p l em o d e ld e v i c e ，w et e s ti ti nt h ea u t o m a t i o nm a c h i n er o o mi n s h a a n x ip r o v i n c ee l e c t r i cp o w e rc o m p a n ya n dt h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n t h ev a r i o u s f u n c t i o no ft h ed e v i c es a t i s f yt h es t a n d a r dr e q u e s te q u a l l y l i y o n g l e ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r ym a j o r ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gm i n k e y w o r d s ：t e l e m e t e rr e a d i n gs y s t e m ( t m r ) ，e n e r g yr e m o t et e r m i n a l u n i t ( e r t u ) ，a c o s i i ，t c p i em u l t i t a s k i n gr e a lt i m eo s 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学 位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大 学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：嘻承乐 指导老师签名； 微岛过 同 期：2 d d7 3 i q - 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果，不包括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名：碴永乐 日期：3 d d7 ，；j 年 第1 章绪论 1 绪论 1 1 研究背景 随着我国电力系统规模的迅速增大以及电力系统经营模式和管理体制的改 革，电力已经作为商品进入了市场。作为专门采集处理电能量以供有关部门进行 电力交易结算、以及相应控制和管理的电能量计量计费系统( t m r - t e l em e t e r r e a d i n gs y s t e m ) ，其配置己成为电力管理部门、发电部门、供电部门必须配置的 计量核算工具。 电能量计量计费系统( t m r ) 是电力市场运营的关键基础设施，主要用于 实现电厂上网及联络线关口点、售电关口点电能量的计算、分时段存储、采集和 处理，为结算、分析提供基本数据，以适应电力市场运行的需要。 自9 0 年代t m r 系统在中国电力行业应用开始，至今其应用范围已覆盖了 国家的五级电力调度。历经十几年的发展，目前国内电力行业t m r 发展情况如 下： 7 - ( 1 ) t m r 从省级电力调度开始向上发展到网( 大区) 、国家调度，向下延伸 到地区与县级调度。 ( 2 ) 在t m r 系统结构上，大都为电能表、电能量远方终端e r t u 以及t m r 主站系统三层的构成方式。 ( 3 ) 在产品来源上，国内电力行业应用从最初的国外单一厂商( 原瑞士 c o s a 公司代理的l a n d i s g y r ，现珠海兰吉尔) 到后来多家厂商的相继进入 ( a b b 、美国w e s c o n 、卡斯特c a s t 等) ；国外厂商占领了国内大部分省及以 上电网，其中以兰吉尔居多。 ( 4 ) 国内最仞从广州科立丌始，陆续出现杭州创维、湖南威远、西安康拓、 山东鲁能、东方电子、北京煜邦等众多t m r 产品供应商。南京自动化研究所和 国家电科院的后续加入，一方面使包括国电调通局、浙江、湖北开始采用国内产 品，另一方面部分原由国外公司建立的系统逐步被国内产品替代，如华中网调、 内蒙中调、甘肃中调的t m r 系统。 目前，国内供应商占据了地区及以下级更为广阔的t m r 市场。到目前为止， 地区及以下级t m r 系统几乎全部为国内产品。 电力市场的建立是一个不断完善发展的过程，我国电力建设的投资多元化也 第l 章绪论 带来了利益的多元化，这一方面促进了电力工业的快速发展，同时也使得电网的 运行、管理、成本及利润核算等更加复杂。多费率电价等相关政策的出台与实施， 也需要更为先进的技术手段。电力法的实施，给各电力企业提出了更高的要 求。总的来说，原有的电能量计量方式已经不能满足新形势的需要，各电网公司、 发电公司、供电局( 公司) 、用电单位等为理顺产权关系和利益关系，都迫切需 要高可靠性、高精度、高度自动化而又能适应我国电力系统实际情况的电能量计 量和费用结算手段。总体要求如下i l j ： ( 1 ) 电能量计量计费系统具有计量属性，组成电能量计量计费系统的各个 环节具有准确度要求。系统最终取得的数据的准确度，是各个环节优化组合的结 果，数据准确度是电能量计量计费系统的生命。 ( 2 ) 电能量计量计费系统是具有数据自动采集、传输、整理、统计、存储 等多项功能且相对独立运行的计算机系统。它必须能保证电能量数据的完整、可 靠、及时、保密、原始数据健全、使取得的电能量数据高度可信。 实际上，随着电力市场的不断发展，分时、日、月与季节等费率的逐步推出， 电能计量管理部门将面临更多、更频繁的现场和日常计量装置的监测工作。 由于目前安装在电力系统现场( 发电厂和变电站) 运行的关口电能表的数量 庞大、种类繁多、通信接口和通信协议不统一、部分电能表的功能不完善、数据 共享困难，造成了系统主站不可能直接与电能表通信以完成数据的采集，因此需 要电能量远方终端作为系统主站进行数据采集的桥梁，完成厂站的数据采集、归 一化处理、负荷曲线的缓存、集中共享通信等功能，最后才有可能在1 m r 主站 汇集有完整、全面、具有法律效力的原始数据平台。新的1 m r 原始数据库可满 足电力市场公平、公正、公开的运营需求、保护电力交易各方的利益、利于净化 电力市场竞争环境：同时可扩大t m r 应用范围，使有限的应用进一步扩展与开 放。总的来说，全新功能结构e r t u 的加入将使电能计量与计费系统达到一个更 高的应用水平。 在此基础上，陕西省电力公司从2 0 0 5 年开始升级t m r 系统，“新型电能量 远方终端”正式立项，本文所做的工作均是以该项目为背景完成的。 1 2 研究的目的和意义 公平、公j 下、公丌是电力市场建设的原则。电力市场的建设包括能量管理 系统( e m s ：e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 、交易管理系统( t m s ：t r a d em a n a g e m e n t s y s t e m ) 、电能量计量计费系统( t m r ：t e l em e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 、结算系统 第1 章绪论 ( s b s ：s e t t l e m e n t & b i l l i n gs y s t e m ) 、合同管理系统( c m s ：c o n t r a c tm a n a g e m e n t s y s t e m ) 、报价处理系统( b p s ：b i d d i n gp r o c e s ss y s t e m ) 、市场分析与预测系统 ( m a f ：m a r k e ta n a l y s i s & f o r e c a s ts y s t e m ) 、交易信息系统( t i s ：t r a d e i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、报价辅助决策系统( b s s ：b i d d i n gs u p p o r ts y s t e m ) 【2 】。 作为电能量计量计费系统的核心设备之一，电能量远方终端( e r t u ) 的设 计非常重要。终端的设计根据现代电能量计量计费系统的要求，对所抄录的数据 进行存储、预处理和远传，确保电能量计量计费系统采集到的计量和结算数据完 整、准确、可靠、安全，保证电力市场供、售、购电各方对电量计费的公正性。 一个充满竞争的、高效的、多样化的电力市场要求建立精确的、可靠的、高 效的、可信的电能量计量计费系统。而通过新型的电能量远方终端的设计与实现， 保证了t m r ： a 扩大了计量范围。 ( 1 ) 为每个市场的每种产品( 服务) 提供计量。 ( 2 ) 为各种结算规则和价格提供计量数据。 ( 3 ) 为负荷预测提供基础数据。 b 提高了系统的可靠性。 c 提高了系统的及时性。 d 提高了系统的处理能力、开放性、灵活性。 电能量计量计费系统对各计量点数据自动采集、存储和处理为电力市场系 统、用电营业系统、e m s 、m i s 等系统提供准确、可靠的电量数据。为用电管理、 电网管理、电力建设、电力调度、设备管理和电网分析提供了科学手段，为电力 市场的商业化运作提供强有力的技术支持。电能量数据采集远方终端( e r l u ) 作为t m r 系统的核心设备之一，它在该系统中的作用是非常重要的。 1 3 国内外研究概况 目前在国内主要使用的e r t u 分为进口设备和国产设备两种。进口设备以西 门子公司、惠安( w e s c o n ) 公司的产品为代表，性能优秀，但是兼容性不好， 而且价格较高。国内设备种类很多，价格比进1 2 1 设备低。但是质量和性能参差不 齐。在这些国产的设备中，有一些使用工控机作为硬件平台，w i n d o w s 操作系统 作为软件平台，设备的稳定性不高，已经不能适应电能量计量计费系统得要求； 还有一些设备采用了嵌入式计算机作为硬件平台，d o s 系统作为软件平台，虽 然稳定性得到了保证，但是在多任务处理和实时性上显的比较薄弱。 第1 章绪论 总的来说，国内己投运的国内外电能量远方终端基本上能实现各项功能，完 成电能计量计费系统的要求，但是也存在着一定的问题【1 ： a 通信成功率、通信效率不高。表现为以下几点： ( 1 ) 应用环境各异，通信通道的情况也不相同。有些电能量远方终端在环 境相对恶劣的环境下，不能保证通信成功，造成数据采集的失败； ( 2 ) 由于电能量远方终端所采用的通信方式的制约，通信效率低下； b 数据的可靠性及安全性不高。 由于通信规约的限制，以及系统和系统之间的开放性，如果没有考虑通信系 统和数据的加密，容易出现以下几点问题： ( 1 ) 能量远方终端的通信规约校验方式本是存在缺陷，所采集的数据的准 确性受到影响； ( 2 ) 上传的过程中被监听，采集器的访问权限等机密泄露； ( 3 ) 电能量远方终端本身受到攻击，设备的参数如p t 、c t 等被修改； ( 4 ) 电能量数据在上传过程中被篡改； ( 5 ) 能量远方终端上传的数据被盗走，导致商业机密泄露。对建立公正、 公平、合理的电力市场不利； 1 4 本文所做的工作 电能量远方终端( e r t u ) 是电能量计量计费系统的核心设备之一，终端根 据现代电能量计量计费系统的要求，对所抄录的数据进行存储、预处理和远传， 确保电能量计量计费系统采集到的计量和结算数据完整、准确、可靠、安全，保 证电力市场供、售、购电各方对电量计费的公正性。作者在“电能量远方终端的 设计开发”项目中，主要完成以下工作： a 电路原理图设计。本装置硬件设计的主要内容是结合所选择的c p u 板， 完成多功能基板的功能设计和电原理图设计。 b 工艺设计。按照1 9 英寸3 1 1 铝合金机箱的尺寸标准，选择一个标准深度， 设计机箱的前后面板柿置图，确定印刷电路板的尺寸和安装方法，装置各部件的 安装流程等。 c p c b 摸板设计。根据工艺设计确定的p c b 模板尺寸标准，绘制多功能扩 展基板的p c b 图。 d 软件设计。软件设计工作主要包括：i t c o s 操作系统移植，f a t 文件系 统，t c p i p 协议栈设计和针对i t c o s 操作系统的应用软件设计。 第1 章绪论 e 样机组装、调试和试验。装置设计完成之后，印刷电路板：j i t 、焊装由 协作单位完成，作者完成装置各模板的硬件调试、整机组装和软件调试工作，完 成调试之后，再陕西省电力公司的自动化机房和变电站进行测试和试验工作。 第2 章串口通信的实时性建模与分析 2串口通信的实时性建模与分析 由于电能量远方终端是通过串口与多功能电能表通信，以采集电能量数据， 因此电能量远方终端的串口通信的实时性是衡量终端性能的一个重要指标。为此， 为了分析系统串行通信的实时性能根据以太网和串行口的特点，建立了串行数 据包传输时问延迟的数学模型，并在实际工业现场中，以实测数据试验误差验证 该模型的准确性，进而分析电能量远方终端串口通信的实时性。 2 1 工作原理简介 电能量远方终端的一个重要功能就是负责接收串口数据帧并通过以太网将 实时数据上传给t m r 主站。例如，装置通过串行口接收到电能量数据包，首先， 先按某种排队规则( 例如f i f o ) 对数据包排队，数据按一定顺序放在缓冲区中， 当达到一定限度时，装置的开始处理串口数据包，然后通过以太网数据帧的形式 上传给t m r 主站。反之，当有以太网数据帧到达时，装置把数据帧解包并根据 数据内容，做相应的任务调度。在固定的硬件环境条件下，单位时间内多功能电 能表发送的数据包个数是不变的，而电能量远方终端，当处理器的处理频率固定 时，其单位时间内处理的数据包也是恒定的。由于装置是以一个数据包为单位进 行处理，因此，电能量远方终端处理数据包的时间是随着数据包的长度增加而增 加的单调连续函数。此外，当发送以太网数据帧时，装置通过t c p i p 协议与t m r 主站进行数据传输。 2 2 实验环境搭建 为了检测串口传输数据包的实时性能，构建了如图2 1 所示的试验平台。 6 图2 - i实时性能试验平台 第2 章串口通信的实时性建模与分析 硬件配置：两台高性能双核计算机。一台通过1 0 0 m 以太网，连接到以太网 交换机( c i s c 0 2 6 1 0 x m1 0 1 0 0 e t h e r n e t r o u t e r w c i s c o i o s i p ) 上，作为主站。 数据终端服务器是一台8 0 3 8 6 工业控制计算机，通过1 0 0 m 以太网连到交换机上； 另外一台计算机通过r s 4 8 5 线路连接到数据终端服务器，作为串1 3 数据生成器。 软件配置：数据终端服务器的软件平台用的是p c o s i i 嵌入式操作系统。 有两种可以利用的数据通信协议：t c p i p 和u d p i p 。t c p i p 是一种面向连接的 通讯协议，其特点是数据传输可靠性高，当一个数据帧没有收到时，发送方会一 直发送直至接受方接受到数据，然后再处理下一个数据帧。而u d p i p 是无连接 的通讯协议，其实时性能要比t c p f l p 高6 1 ，但是在网络流量较大时，数据传输 不可靠。由于电能量远方终端的网络流量负荷较小，但是数据的可靠性要求较高。 因此选用数据传输可靠性较好的t c p i p 作为数据通信的协议。 如图2 1 所示，作为主站的计算机负责以太网数据包的收发，在每接收到一 个以太网数据包时，立即将原数据包发送出去。数据终端服务器通过串口，接收 数据并处理，通过以太网发送给主站。作为串口数据生成器的计算机，定时发送 单位数据包，同时启动计数器，在接收到返回数据包的时，计算时间。即利用实 验平台，通过串口数据生成器一数据终端服务器一交换机一主站的往返时间，以 评估系统串口通信的实时性。 2 3 系统建模 2 3 1 符号约定和系统假设 a 符号约定： 文中的写字母表示向量； ，( 砂l e s ) ：数据包的大小( 长度范围0 b y t e s 4 8 b y t e s ) ； a ( b p s ) ：串口的波特率； u ( m b p s ) ：以太网的传输速度( q = 1 0 0 m b p s ) 吐( m s ) ：串口数据生成器发送串1 3 数据频率，取山。= 5 0 m s ； t ( a s ) ：数据在以太网上传输的时间，它主要有以下两部分组成：f f l 以太 网交换机的处理时间：t 2 数据包在以太网传输介质上的传输时间；即：t = t , l + 2 。 0 ( 卢j ) ：数据终端服务器处理数据包的时间，它与数据包长度成正比； l ( , u s ) ：数据包在串行线上的传输时间： 7 第2 章串口通信的实时性建模与分析 b 系统假设： 假设l ：由于交换机的使用、数据包数量很少且数据包的长度较小因此在 以太网上没有数据包冲突和碰撞的现象； 假设2 ：由6 1 的分析可知，t c ( , u s ) 是，的连续函数，设其二阶可导。 2 4 问题的分析和解决 2 4 1 问题的分析 串口数据生成器一数据终端服务器一交换机一主站的往返时间可用下列公 式表示： ，。2 ( t , l + 2 ) + 2 t a + 2 t c ( 1 ) 由于以太网上数据流量很小，所以交换机的处理时间可以忽略不计，故设 t , 1 2 0 。 下面计算一个数据帧在以太网介质上传输的时间，2 ，数据进入协议栈时的 封装过程如图2 2 所示【7 1 。 图2 - 2 以太网数据帧格式 对于一个网络数据帧来说，其传输时间可以用公式( 2 ) 表示： ，2 = ( 0 + m a x ( 5 7 6 ，8 l + 4 3 2 ) ) x t b 删 ( 2 ) 式中：m a x ( 5 7 6 ，8 l + 4 3 2 ) 表示以太网上允许传输的数据包的大小，它是 由图2 2 所定义的数据帧格式决定的。t z = 9 6 为数据帧传输时的帧间距，在i e e e 8 0 2 1 3 中定义为9 6 位数据在以太网上传输的时间；t b 为在以太网上传输一位数 第2 章串口通信的实时性建模与分析 据所花费的时f a j ，i o o m b p s 以太网t 6 = o o l 2 s b i t 。 一个长度为，的数据包在串行线上的传输时间可用公式( 3 ) 表示： f ：! ! 型c 1 0 s( 3 ) 五 式中：h 为串口数据首部除数据位以外的数据头部位数( 停止位，校验位等) ； c 为串口转换器在处理一个数据包时附加的固定长度的额外标志( 例如排队顺序 标记) 。因此可以假设c 是一个常量。 t 。= 厂( ，) 为数据终端服务器处理数据包的时间，它与数据包长度成正比。对 于小数据包来讲，一般在微秒级【9 i 。 由以上分析及( 1 ) ( 3 ) 式可知： t = a ( ，五) ：2 ( 9 6 + m a x ( 5 7 6 ，8 l + 4 3 2 ) ) 上+ 2 f ( 1 ) + 2 ( 8 + h ) 1 + c 1 0 6 ( 4 ) p 由( 4 ) 式可知：c 是一个常量，f ( 1 ) 是隐式函数，下小节将介绍求解c 与 f ( 1 ) 的方法。 2 4 2 实测数据和问题解决 假设有两组实测数据：上为数据包长度的向量，两组数据的串口的波特率分 别为：旯l ，五2 即： l = o ( l ， ) ，疋= o ( l ，如) 对以上两组数据做差值： 瓦一t 2 = o ( l ， ) 一o ( l ，五) ( 5 ) 把( 4 ) 式带入到( 5 ) 式整理可知： y ：掣( 正一疋) 一( 8 + ) l ( 6 ) 以2 一l l j ，为c 的常量，如果】，= 【c l ，c 2 ，c 3 ，g 】，c = l 善c 打j ，( 1 x j 表示取 x 的整数部分) 。 已知y ，为求出f ( l ) ，由( 4 ) 式可知，求出差值函数： ，( ) ：a ( ，丑) 一【( 9 6 + m a x ( 5 7 6 ，8 l + 4 3 2 ) ) 0 o l 十! 墨毒害鲨1 0 6 + c ，x 1 0 s 】 ( 7 ) ll 因此，得到函数点列( l ，f ( l ) ) 。它描述了串口服务器数据帧处理时间的 响应函数。由6 1 分析可知：f ( l ) 是随三增加而增加的单调连续函数，故可以用 9 第2 章串口通信的实时性建模与分析 多项式函数逼近，把得到的数据用最, b - 乘二阶多项式拟合，得到f ( l ) 拟合多 项式函数： f ( 1 ) p ( 1 ) = a x2 + b z + c 实测两组实验数据，在实验中设置装置串口转换器数据帧头：个停止位、 一个奇偶校验位、八位数据位，因此h = 2 。在图2 - 1 所示的系统中，两组数据的 波特率分别为： = 4 8 0 0 b p s ：五= 2 4 0 0 b p s 每一组的数据样本个数为3 0 0 0 个。 分别对这3 0 0 0 个数据耿均值，得到如下实验数据： l = 6 1 22 43 6 4 8 】为数据包长度的向量； 正= a ( l ， ) = 【4 5 6 3 9 1 4 3 4 7 8 2 8 0 5 25 4 2 5 9 1 6 36 2 1 2 5 0 8 2 6 1 4 3 4 4 8 9 】 疋= a ( l ，如) = 【8 8 4 8 3 1 8 3 8 7 8 0 6 1 1 58 8 2 0 1 9 4 68 4 0 4 8 1 9 4 8 2 6 4 2 1 3 1 】 故把以上数据代入( 6 ) 式，可得： j ，2 【5 0 0 3 2 4 5 0 2 4 5 35