通信管理机软件系统设计实现

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【摘要】为了缩短通信规约的开发时间，提高技术人员对通信管理机的管理和维护能力，监控管理机的实时运行状况，本文提出了一种通信管理机的软件系统架构，并介绍了软件系统的开发背景和功能指标。通过该软件系统，可以缩短通信规约的开发时间。实际应用结果表明，该软件系统可以使技术人员更方便地监控通信管理机的运行状况，便于管理和维护，达到了设计目标。

【关键词】通信管理；软件系统架构；通信规约；管理和维护

1引言

通信管理机广泛适用于SCADA、工业自动化、电力自动化、石油化工和智能交通等行业，在其中担任着重要的角色。结合通信管理机的使用环境，研究出了一种通信管理机的软件系统架构，这套软件系统架构根据使用环境分为两部分：配置管理软件和装置侧的软件系统。配置管理软件提供丰富的配置、测试、管理和维护接口；装置侧软件系统提供丰富灵活的API接口，以实时库为数据核心，使用消息机制处理控制命令，采用多线程任务并行处理的方式，实现了软硬件系统的隔离，缩短了通信规约的开发时间等。

2软件系统架构原则

软件系统架构的原则主要介绍了软件系统的功能和目标。

2.1软件系统的功能

通信管理机始终位于监控的终端，并且向着调度中心发展，其位于每个IED的终端以及设置之间，是整个变电站自动化通信系统较为核心的单元[1]，其主要的功能有以下四个。1）高效统一的规约转换高效统一的规约转换包含三方面的内容：①数据采集和数据转发的转换，要求采集和转发是完全隔离和独立的；②通道的隔离，要求RS-485接口之间、RJ45网络接口之间和RS-485接口与网络接口之间是隔离且独立的；③数据流和控制流的转换，要求数据流和控制流采用不同的优先级处理，且控制流比数据流的优先级较高。2）数据处理功能数据处理功能包括数据存储和数据二次计算功能。通信管理机要求存储一定数量的实时、历史、统计数据等，以供查询和调用，而且通常存储空间需要扩展。3）配置功能通信管理机需要可以按照现场环境配置工程，通信管理机的参数、通道（RS485串口以及RJ45以太网口和虚拟端口）、设备、虚设备、数据、转发方案等均可独立配置，要求人机交互界面友好，操作简单。4）管理维护功能通信管理机具有本地维护端口和远程维护端口的功能，可提供完备的统一集中式远程管理平台进行管理、维护、监控、测试、升级等功能，方便技术和开发人员调试使用。

2.2软件系统架构的目标

通信管理机作为监控系统中通信网络与监测设备之间的枢纽设备，在监控系统中起到重要的作用，这就对通信管理机的性能和功能有很高的要求，所以软件系统要求满足五个指标。1）功能完善软件系统架构要求功能完善，必须满足通信管理机的功能要求。2）稳、准、快软件系统要求稳定性高、精确性高、效率高。稳定性高要求必须保证通信管理机能够长时间正常运行，能够随时监控、管理、维护通信管理机，并有一定的容错机制，出现错误能够从错误中恢复过来，还需要有日志和告警功能。精确性高要求设备侧采集的数据、监测仪表中的数据和转发给后台的数据是一致的。效率高要求数据采集和控制命令能得到快速的响应，保证规约转换能够快速进行。 3）操作简单通信管理机配置管理软件界面友好，配置灵活、安装方便、操作简单。4）可维护性高采用分层设计的思想，降低硬件和软件平台的耦合度，同时对上层提供统一的API接口函数，便于系统的维护。5）可移植性高采用跨平台的语言编码，可以运行在不同的硬件平台上，可移植性高。

3软件系统架构

软件系统主要包括两部分的架构：通信管理机的配置管理软件和装置内运行的软件系统。配置管理软件运行在Win‐dows环境中，装置侧的软件系统运行在Linux环境中，PC侧的软件和装置内的软件系统通过自定义的内部协议进行通信。软件系统的架构如图1所示。配置管理软件提供规约和设备模板的管理、配置管理、在线监控、在线管理、在线维护、集成工具的功能。在线监控包括监控报文、缓冲区报文和实时库数据三个接口。在线管理包括更新配置、软件升级、时钟校时等的接口。在线维护包含通信管理机的日志信息、告警信息、文件管理、重启装置等的接口。通信管理机装置侧软件系统包括主应用进程、监控守护进程、管理维护进程三个进程运行。监控守护进程是监控主应用进程的运行情况和配置管理软件通信情况。管理维护进程是管理监控守护进程和应用进程的情况。

4软件系统架构方案

软件系统架构根据运行环境不同，包括配置管理软件和装置内运行的软件系统两部分的架构。

4.1配置管理软件方案设计

配置管理软件是集配置、管理、测试和维护功能于一体的专业软件，采用标准安装方式，便于工程调试人员安装使用。软件功能分为两部分：项目文件配置和管理机管理维护。首先需要配置一个工程文件，然后传入通讯管理机系统中指定路径，才能实现通讯管理机的数据采集与数据上传功能。通讯管理机系统运行时可以进行实时数据监控与系统控制。

4.1.1项目配置关于项目文件配置，主要配置项有通道类型、通信规约、通道参数、设备型号、设备参数、设备数据、数据的转发等。配置界面如2图所示。为方便项目配置和配置文件的复用，配置软件中还提供有规约模板和设备模板的管理，规约模板由厂家提供，而设备模板由工程调试人员配置，可导入导出模板，以便于其他工程项目中使用，加快项目配置的速度。图2中配置工程还存在虚拟模块配置项，此配置项用于实现一些预定义自动化数学计算功能。例如，复杂的二次计算、数据统计和处理等。

4.1.2项目管理和维护通信管理机对于工程调试人员相当于黑盒，无法确定通信管理机的运行状况，所以需要提供较多的测试、管理和维护接口，以便于调试工作的顺利进行。配置管理软件中提供的管理维护接口有在线监控、管理维护、调试等接口。1）在线监控在线监控包括监控实时库、缓冲区、报文三方面的信息。监控实时库确定采集到的数据是否正确；缓冲区监控硬件缓冲区接收和发送的数据；报文是监控缓冲区中符合本通道协议的报文。这三方面的监控能确定数据采集和数据转发的正确性。2）管理维护管理维护的功能提供远程集中管理、时钟校准、文件管理、更新配置、软件升级、日志信息、告警信息、重启装置等的接口。①远程集中管理，提供多台通信管理机集中管理的接口，可同时升级维护；提供用户管理的接口，用户权限的管理和用户的增加、删除、修改等。②时钟校时，可读取和设置通信管理机的时钟。③文件管理，可下载和上传通信管理机中的文件。④更新配置，可在线替换工程配置文件。⑤软件升级，可在线升级通信管理机的软件系统文件。⑥日志信息，可在线读取通信管理机日志信息。⑦告警信息，连接建立之后主动上传通信管理机的告警信息。⑧重启装置，在线软重启通信管理机。3）调试调试接口中提供集成工具和在线测试的接口。①集成工具：包含常用到的规约测试工具、SSH、FTP等工具，便于开发者和技术人员调试。②测试：配置的工程文件可在Win‐dows环境中运行，测试工程文件配置是否正确。

4.2装置侧软件系统方案设计

装置侧软件系统采用多进程的方案设计，包含管理维护进程、监控守护进程和主应用进程等。其中，管理维护进程启动监控守护进程，监控守护进程启动主应用进程。通信规约封装成动态库，根据配置采用动态加载的方式运行，可按需扩展。

4.2.1软件分层架构设计装置侧的软件系统采用分层模块化的设计思想[2]，主要由四层组成：管理维护层、通信应用层、核心接口层、设备操作层（见表1）。①管理维护层：由管理维护进程和监控守护进程组成，提供设备软件系统程序的升级，保证应用进程的正常运行，完成与配置管理软件的通信。②通信应用层：由主应用进程和若干规约动态库组成，完成工程配置文件的解析，动态加载规约文件。③API接口层：核心动态库提供对各种硬件接口的直接操作，为通信应用层提供统一的API接口函数，便于完成通信规约的开发和扩展；历史动态库封装了sqlite3嵌入式数据库，对上层提供数据库的各种应用接口，便于存储和统计分析数据；XML动态库提供XML格式的应用接口。④设备操作层：提供硬件驱动和操作系统接口，由装置提供。

4.2.2软件主要功能模块1）管理维护进程管理维护进程通过公共文件的方式与监控守护进程通信，完成工程配置文件的更新、软件系统的升级和备份工程配置文件的启动。2）监控守护进程监控守护进程通过共享内存的方式与主应用进程进行通信，完成监控主应用进程的工作；定时发送心跳报文给主应用进程，若三次未收到应答，则重启主应用进程，完成了主应用进程的守护工作。3）主应用进程主应用进程解析工程配置文件，加载核心动态库、初始化各功能模块、加载并运行规约动态库、启动备份工程配置文件。4）核心动态库核心动态库调用设备操作层提供的接口，重新封装成统一的应用接口，供通信规约开发调用，缩短了规约的开发时间，降低了硬件和软件的耦合度。API接口模块包括配置解析、时钟管理、实时库操作、端口操作、自定义通信规约、系统支撑、日志、告警、设备管理、通信处理、应用接口模块等。①配置解析：完成工程配置文件的解析，将信息存入相应的数据结构中，供其他模块调用。②时钟管理：包括定时器的操作接口、读取当前时间、设置时钟、延时等相关的操作接口。③实时库操作：提供实时库的读写接口，完成了设备侧规约和主站侧规约的隔离和独立，实现了数据流的高速转换。④端口操作：提供了串口、以太网口和CAN口三种通道的打开、关闭、读、写操作接口。⑤自定义通信规约：提供与配置管理软件通信的接口，完成对通信管理机的管理和维护。⑥系统支撑：提供线程、互斥锁、信号量、事件、链表等的系统封装函数，实现软件的跨平台运行。⑦日志：提供启动、调试和错误日志的接口，便于排错和纠错。⑧告警：提供告警信息的接口，实现系统运行故障、容错机制、升级信息的上报。⑨设备管理：设备管理使用消息机制实现，提供设备控制的函数接口，实现了控制流的可靠转换；两种不同的实现方式，有效地隔离了数据流和控制流。⑩通信处理：完成通信过程的处理。⑪应用接口：提供规约动态库的加载、释放等功能。5）规约动态库规约动态库中的规约分为设备侧和主站侧，设备侧规约负责采集数据，将数据存入实时库；主站侧规约负责转发数据，读出实时库中的数据组包发送给后台。规约的开发就是调用API接口层的函数，实现具体的规约，如Modbus等。

5结语

通信管理机软件系统架构采用分层设计的思想，降低了硬件和软件、软件不同层之间的耦合度；API接口层的设计大大缩短了通信规约的开发周期；以实时库为数据流的核心，以消息机制实现控制流，两种不同的实现方式，完全将设备侧和主站侧隔离，数据流和控制流隔离；配置软件的灵活配置，实现了通道的隔离。实际工程使用中证明，该软件系统架构的通信管理机稳定性强、可管理维护性高，提高了工作效率和工作水平。

参考文献

[1]李博.基于ARM及嵌入式操作系统的通信管理机[J].电脑知识与技术，2016，12(19):175-176，182.

[2]高峰，崔琪，杨常府.分层模块化软件设计在变电站通信管理机中的应用[J].电力自动化设备，2004，24(6):95-97.

[3]刘姜涛，邓其军，聂明媚，刘震宇.基于ARM的智能配电房通信管理机设计[J].自动化与仪表，2014，29(1):34-37.

作者：韩强 刘爱国 单位：山东省建筑设计研究院有限公司