廣州南方電力集團(tuán)科技發(fā)展有限公司 王炬峰

基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的配電自動(dòng)化監(jiān)控裝置應(yīng)用

廣州南方電力集團(tuán)科技發(fā)展有限公司 王炬峰

目前國(guó)家正在大力推廣配網(wǎng)側(cè)自動(dòng)化改造，進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的可靠性。改造的其中一環(huán)就包括升級(jí)加裝智能化的配電自動(dòng)化監(jiān)控裝置。本文介紹基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux+Xenomai雙內(nèi)核方式實(shí)現(xiàn)軟件功能的配電自動(dòng)化監(jiān)控裝置，提供移植過程，為開發(fā)配電自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備提供一種方便、通用、高性價(jià)比的解決方案。

配電自動(dòng)化；實(shí)時(shí)；嵌入式； 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)供電質(zhì)量和可靠性也提出了更高的要求。在我國(guó)，國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)這兩大國(guó)家電力公司都對(duì)配電網(wǎng)投入大量的資金和進(jìn)行大規(guī)模的配電網(wǎng)改造，其目的就是為了進(jìn)一步提高配電網(wǎng)的可靠性，要達(dá)成這個(gè)目標(biāo)還必須全面實(shí)現(xiàn)高水平的配網(wǎng)自動(dòng)化。配網(wǎng)自動(dòng)化就是利用現(xiàn)代電子技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)正常運(yùn)行及事故情況下的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制和配電管理的現(xiàn)代化。配電自動(dòng)化其中一個(gè)重要一環(huán)就是配電遠(yuǎn)方終端，利用現(xiàn)代電子和通信技術(shù)，并基于操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)的配電遠(yuǎn)方終端本文稱為配電自動(dòng)化監(jiān)控裝置。它能實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、四遙（遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)）、狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警、事件順序記錄、統(tǒng)計(jì)計(jì)算等功能。本文介紹基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux+Xenomai雙內(nèi)核方式實(shí)現(xiàn)軟件功能的配電自動(dòng)化監(jiān)控裝置，它能兼顧實(shí)時(shí)性和基于Linux開發(fā)的便利性，為開發(fā)配電自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備提供一種方便、通用、高性價(jià)比的解決方案。

1. 實(shí)時(shí)的概念及描述

對(duì)于自動(dòng)化領(lǐng)域，實(shí)時(shí)性是不可忽略的問題，實(shí)時(shí)性是一個(gè)模糊的概念，每個(gè)對(duì)響應(yīng)時(shí)間敏感的應(yīng)用都有自己相應(yīng)的實(shí)時(shí)性的概念。業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為實(shí)時(shí)性要求分以下幾種：

（1）軟實(shí)時(shí)：

這種級(jí)別的實(shí)時(shí)性要求能滿足大部分目標(biāo)用戶交互的需求，這種實(shí)時(shí)性要求應(yīng)用使用一般的操作系統(tǒng)就能支持，例如數(shù)字音樂的播放等應(yīng)用。

（2）生命安全級(jí)別實(shí)時(shí)

這種級(jí)別要求系統(tǒng)能100%滿足在應(yīng)用規(guī)定的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，如果不能滿足響應(yīng)要求，就會(huì)有人身安全問題或出現(xiàn)設(shè)備損壞情況。

（3）100%硬實(shí)時(shí)

這種級(jí)別要求系統(tǒng)能100%滿足在應(yīng)用規(guī)定的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)。比如工業(yè)過程控制，如果不能滿足要求會(huì)出現(xiàn)廢品情況。

（4）95%硬實(shí)時(shí)

這種級(jí)別要求系統(tǒng)能至少95%滿足在應(yīng)用規(guī)定的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)。比如數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，如果要求不能滿足會(huì)導(dǎo)致采樣的部分?jǐn)?shù)據(jù)是不合格的，但收集系統(tǒng)可以接受這種情況。

2. 傳統(tǒng)配電自動(dòng)化監(jiān)控裝置解決方案

配電自動(dòng)化監(jiān)控裝置主要功能為實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、四遙（遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)）、狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警、事件順序記錄、統(tǒng)計(jì)計(jì)算等，這些功能根據(jù)實(shí)時(shí)性要求可以劃分為實(shí)時(shí)性任務(wù)和非實(shí)時(shí)性任務(wù)。這種方案采用專用的嵌入式應(yīng)用程序，不依賴操作系統(tǒng)系統(tǒng)函數(shù)庫(kù)編寫，沒有操作系統(tǒng)的內(nèi)部任務(wù)調(diào)度。因此實(shí)時(shí)性指標(biāo)相當(dāng)好。但這個(gè)架構(gòu)的缺點(diǎn)也很明顯，就是使用專用的嵌入式程序，與硬件耦合程度非常高，一旦硬件架構(gòu)改變，移植的工作量很大。其次就是沒有依托操作系統(tǒng)，其多任務(wù)能力先天不足，而且沒有操作系統(tǒng)的依托，很多協(xié)議（如TCP/IP）需要自行編寫或移植。

為了能夠進(jìn)一步提高通用性，降低相關(guān)硬件的耦合度，嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域推出實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的概念。目前應(yīng)用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有很多，其中一種就是本文所推薦的Linux+Xenomai雙內(nèi)核架構(gòu)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

3. Xenomai介紹及其優(yōu)勢(shì)

Xenomai這個(gè)項(xiàng)目開展于2001年，它開始的目的是能夠仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，作為L(zhǎng)inux的一個(gè)外掛補(bǔ)丁，仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如VxWorks、pSOS+和VRTXsa的API，將實(shí)時(shí)API與POSIX API及原生的API集成在一起。但隨后幾年它就以獨(dú)立的Linux實(shí)時(shí)框架的形式存在。Adeos/I-pipe是Xenomai的核心組件，它作用是通過自己中斷處理流程傳遞各種高優(yōu)先級(jí)的事件給內(nèi)核，從而實(shí)現(xiàn)短而且是可預(yù)測(cè)的響應(yīng)時(shí)延。Xenomai的實(shí)時(shí)應(yīng)用需要按照RTDM的標(biāo)準(zhǔn)重新寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，但除了實(shí)時(shí)應(yīng)用外的其他應(yīng)用均可以使用Linux自帶的驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)時(shí)應(yīng)用除了可以使用Xenomai API 也可以使用POSIX 接口，這樣用戶就能很方便將自己的應(yīng)用程序及以前的RTAI接口編寫的程序進(jìn)行合并開發(fā)，加快開發(fā)的過程，并提高可靠性。

4. 基于Xenomai嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的配電自動(dòng)化監(jiān)控裝置應(yīng)用方案

采用Linux+Xenomai雙內(nèi)核架構(gòu)的方案如圖1雙內(nèi)核嵌入式應(yīng)用架構(gòu)所示，方案采用單一硬件平臺(tái)，所有的應(yīng)用均運(yùn)行在該平臺(tái)上，將移植好的Linux+Xenomai作為該平臺(tái)的操作系統(tǒng)。 Xenomai實(shí)時(shí)內(nèi)核為開發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了豐富的功能，主要包括實(shí)時(shí)線程調(diào)度與管理、用戶空間實(shí)時(shí)任務(wù)支持、線程同步服務(wù)、時(shí)鐘服務(wù)、中斷服務(wù)、動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)和實(shí)時(shí)對(duì)象注冊(cè)服務(wù)等。Linux內(nèi)核則提供除實(shí)時(shí)應(yīng)用外的其它功能，如線程調(diào)度與管理，用戶空間任務(wù)等。在配電自動(dòng)化監(jiān)控裝置中Xenomai實(shí)時(shí)內(nèi)核負(fù)責(zé)模擬數(shù)據(jù)采集，開關(guān)狀態(tài)采集及事件順序記錄，Linux內(nèi)核負(fù)責(zé)用戶交互應(yīng)用、主站通信規(guī)約處理、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，告警數(shù)據(jù)形成和上送。兩個(gè)內(nèi)核之間通過文件、共享內(nèi)存等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

圖1 雙內(nèi)核嵌入式應(yīng)用架構(gòu)

5. Xenomai移植

本文的硬件平臺(tái)MCU采用ATMEL公司的AT91SAM9260為主MCU，其平臺(tái)框架如圖2硬件平臺(tái)框架。

Xenomai分兩種配置，分別是Cobalt和Mercury。Cobalt是作為實(shí)時(shí)內(nèi)核與Linux內(nèi)核共同工作，Cobalt內(nèi)核比Linux內(nèi)核具有更高優(yōu)先級(jí)，負(fù)責(zé)處理如終端處理、實(shí)時(shí)線程調(diào)度等工作。Xenomai通過Cobalt內(nèi)核提供所有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)API包括內(nèi)嵌POSIX 1003.1c服務(wù)的libcobalt。Mercury配置依賴PREEMPT-RT實(shí)時(shí)補(bǔ)丁的Linux內(nèi)核，通過這個(gè)修補(bǔ)過的Linux內(nèi)核提供實(shí)時(shí)服務(wù)。但這種配置由于Linux內(nèi)核的缺陷，會(huì)帶來比較大的響應(yīng)延時(shí)。

圖2 硬件平臺(tái)框架

本文以Cobalt內(nèi)核為例，Xenomai 的Cobalt配置是以補(bǔ)丁的形式提供，使用內(nèi)置的腳本執(zhí)行打補(bǔ)丁操作scripts/prepare-kernel.sh --linux=$linux-srctree --ipipe=$ipipe-patch --arch=arm（$linux-srctree為內(nèi)核代碼路徑 $ipipe-patch為ipipe補(bǔ)丁路徑）。補(bǔ)丁操作提示成功后，可進(jìn)入Linux內(nèi)核目錄進(jìn)行內(nèi)核配置：

圖3 Cobalt內(nèi)核配置

配置好編譯就能生成內(nèi)核映像uImage。

要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)功能必須使用Xenomai的Cobalt庫(kù)，需要自行編譯。

configure CFLAGS="-march=armv4t" LDFLAGS="-march=armv5" --build=i686-pc-linux-gnu --host=arm-none-linux-gnueabi- --withcore=cobalt

將生成的dev和usr文件夾放入文件系統(tǒng)相應(yīng)目錄。應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)包含生成的頭文件按照Xenomai編譯方法編譯使用。

6. 應(yīng)用方案實(shí)時(shí)性指標(biāo)驗(yàn)證

首先需要確認(rèn)Xenomai cobalt內(nèi)核是否正常啟動(dòng)，可以通過系統(tǒng)啟動(dòng)信息，看到“［Xenomai］ Cobalt”等信息 即可確認(rèn)Xenomai cobalt內(nèi)核正常啟動(dòng)。本文測(cè)試是針對(duì)任務(wù)響應(yīng)做的測(cè)試方案。任務(wù)響應(yīng)分三個(gè)階段：

外界產(chǎn)生一個(gè)事件，事件通過中斷通知CPU處理。

中斷句柄確認(rèn)處理，然后喚醒用戶空間的任務(wù)，準(zhǔn)備處理這個(gè)事件。

圖4 用戶任務(wù)模式延時(shí)分布圖

用戶空間的任務(wù)處理事件并反饋給外界。

這過程中能確保一定能完成任務(wù)的最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間稱作延時(shí)（latency）。本文測(cè)試方案就是為了測(cè)試這延時(shí)。延時(shí)在三個(gè)階段都可能產(chǎn)生，如中斷本身的延時(shí)，中斷句柄處理延時(shí)，任務(wù)調(diào)度本身及任務(wù)調(diào)度產(chǎn)生的延時(shí)。

任務(wù)響應(yīng)測(cè)試需要在一定負(fù)荷的情況下進(jìn)行測(cè)試，才能反映正常運(yùn)行的情況下的實(shí)時(shí)性指標(biāo)。為了模擬，專門編寫了負(fù)荷測(cè)試腳本load.sh。這個(gè)腳本包含有四個(gè)內(nèi)容： nc 利用網(wǎng)絡(luò)接口內(nèi)部傳輸文件，模擬網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷并產(chǎn)生大量中斷；hackbench模擬線程調(diào)度負(fù)荷；ls和dd模擬整體負(fù)荷。

方案分三種測(cè)試模式，分別是用戶任務(wù)模式、內(nèi)核任務(wù)模式及定時(shí)器中斷模式。以下為三種情況下分別測(cè)試2小時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

用戶任務(wù)模式

在用戶任務(wù)模式下，平均延時(shí)為112.184nS，最少延時(shí)為60.384nS，最大為144.756nS，采樣延時(shí)分布如圖4所示：

內(nèi)核任務(wù)模式：

在內(nèi)核任務(wù)模式下，平均延時(shí)為61.291nS，最少延時(shí)為18.443nS，最大為94.262nS，采樣延時(shí)分布如圖5所示：

圖5 內(nèi)核任務(wù)模式延時(shí)分布圖

定時(shí)器中斷模式：

在內(nèi)核任務(wù)模式下，平均延時(shí)為347.114nS，最少延時(shí)為6.551nS，最大為73.508nS，采樣延時(shí)分布如圖6所示：

圖6 定時(shí)器中斷模式延時(shí)分布圖

7. 結(jié)論

通過實(shí)時(shí)性指標(biāo)驗(yàn)證，在用戶任務(wù)模式下最大延時(shí)為144.756nS，比配電自動(dòng)化監(jiān)測(cè)終端要求的事件記錄分辨率2mS的指標(biāo)小得多，如果有其他對(duì)實(shí)時(shí)性要求更嚴(yán)苛的情況還可以采用內(nèi)核任務(wù)模式或定時(shí)器中斷來完成，采用Linux+Xenomai雙內(nèi)核方案對(duì)硬件要求不高，即可以利用Linux平臺(tái)的成熟協(xié)議和編程方法，也可以繼承之前實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，并擁有不錯(cuò)的實(shí)時(shí)性能，方案的性價(jià)比很高。隨著智能化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，配電自動(dòng)化設(shè)備采用Linux+Xenomai雙內(nèi)核方案將會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)，具有很好的推廣前景。

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