嵌入式电力通信设备基础平台的研究

        电力专用通信网是随着电力系统的发展逐步形成的，如今它已经是现代电力系统不可缺少的重要组成部分。电力通信业务已广泛应用各种通信技术，随着电网向智能电网的发展和企业信息化进一步发展，对电力通信提出了高带宽、高可靠性、容灾、广覆盖等新的需求。在这些通信设备中，嵌入式系统得到了越来越多的应用，尤其是一些新技术的应用带来了人们对嵌入式系统开发的新思路和新需求。在屏蔽不同的硬件平台甚至不同操作系统基础之上，中间件、虚拟机等概念的引用形成了符合通信设备上应用软件不同需求的支撑平台，为上层的嵌入式应用软件的开发提供了统一接口，也为嵌入式系统提供了一种新的开发模式和实现思想。
由于通信设备变得越来越复杂，导致嵌入式系统的复杂程度也越来越高，而当前的通信设备开发很多还是小作坊式的，重复开发严重，导致大量的资源浪费，同时也使得开发速度和产品质量难以满足市场发展的需求。如何通过平台技术简化软件的设计，通过模块重用的思想减少开发的工作量，提高系统的稳定性，成为了一项十分紧迫的任务。经过多年的努力，中国电力科学研究院已经在嵌入式电力通信设备开发方面取得了一定的成果和经验，例如应用于智能变电站的工业以太网交换机、配用电通信中的无源光网络设备、辅助输电线路监测的CMA监测代理装置。在这种情况下，为使嵌入式电力通信设备开发朝着通用化、标准化、系列化、模块化、平台化的方向发展，为系统内外的互连、互通、互操作提供稳定可靠的保障，研究和构建嵌入式电力通信设备的基础平台是很有意义的。
1 研究内容
1．1 开发阶段的规范
基础平台的研发是为系列化的嵌入式设备开发而服务的，脱离设备开发的基础平台是缺乏应用价值的。这也就造成了基础平台研发与实际的设备开发密切相关、不可分割的状况。因此明确和规范基础平台在嵌入式设备开发的各个开发阶段的功能，对于构建基础平台是具有重要意义的。
根据设备开发经验的总结，归纳了五个开发阶段，基础平台按照这五个阶段进行更多的细化，明确职能分工，规范开发流程，定义各环节的边界和职能，形成开发流程的整体指导书，也便于更好地管理项目。这五个阶段是：前期的方案设计和验证；调试硬件，验证各功能板的基本功能；构建系统平台，在各功能板上建立相适应的系统，形成开发的基础；构建开发平台，在各功能板上以中间件为基础实现应用软件开发基础；辅助应用调试，为应用开发人员提供开发环境，解决平台相关问题。
1．2 处理器的规划和升级
在嵌入式通信设备领域，需要根据各设备的性能需求、功能需求、环境需求等应用特点，构建相适应的基于处理器的最小系统，这就是嵌入式设备的处理器平台。
结合应用的需求分析对处理器平台进行整体的规划，分别制成相应的核心模块用于不同规模的应用场合，后续的开发和升级可对各档处理器平台中进行有针对性地开发。这样的开发思路有利于设备开发的模块化、标准化、系列化。
1．3 技术总线的构建
针对通信设备的特点，结合已有的设备开发的基础，总结了以下三条技术总线进行规范化开发，即千兆以太网交换总线、百兆以太网交换总线和面向控制的低速串行总线。这三条总线有其不同特点和特性，在通信设备中起着类似中枢神经的作用，保证了内部数据流和控制指令的顺利通畅。基于平台组合的思想，分别对三种总线进行了相应的硬件接口定义、驱动封装和面向应用的API规范，极大地提高了设备中的硬件模块和程序接口的复用度.


       
1．4 操作支撑层
如图1所示，基础平台在操作系统层的接口之上实现了OSL(Operating Support Layer)层用以支撑各种通信应用。它针对通信行业设备软件的一些特定需求，在平台中实现了可定制的组件和中间件模块，包括系统支撑模块、业务支撑模块、内存数据库、通用算法模块、协议实现模块。这样使得上层应用设计人员只需关心具体业务的实现，而不用深入了解底层的操作系统的细节。


图1 嵌入式电力通信设备基础平台的层次图

1．5 通信应用开发环境
基础平台实现了在Windows的操作系统下，参考Wind River开发环境基于Eclipse开发套件将功能组件和中间件的可视化配置、通信中有限状态机框架代码的自动生成、通信应用的测试仿真以及在线帮助功能等集成为通信应用统一集成的一套开发环境，作为基础平台的辅助工具集，形成通信应用的集成开发测试环境，以提高基础平台的开发规范性和测试效率。
2 技术难点
2．1 基础平台的内涵外延
基础平台的概念相当宽泛，其内涵和外延中具有太多的属性，一般难以明确定义。在本项目中将其缩小为面向嵌入式通信设备开发的基础平台，换言之就是基于信通所已有的开发积累和以后的开发计划而定义的嵌入式通信设备基础平台，基于这一点明确内涵、外延，才能切实地发挥该基础平台在实际设备开发中的承前启后、软硬件协同的作用。因此定义此基础平台的内涵外延要进行因地制宜的思考和归纳，才能使该项目发挥出应有的作用。
2．2 技术积累和沉淀
技术积累和沉淀是进行基础平台研发的一个重要目标，通过基础平台的研发构建一个面向嵌入式通信设备的开发体系架构，充分发挥其可重用、可移植的特性，朝着通用化、标准化、系列化、模块化、平台化方向努力，对于提升信通所的设备开发能力大有裨益。要明确该目标，在基础平台研发中贯彻该目标，才能真正发挥基础平台的作用和意义。至于如何进行技术积累和沉淀，在形式和内容上，都需要进行一定的思考和总结，形成一套行之有效的方法。
2．3 平台升级的技术风险
基础平台在归纳既有知识的同时，还需要根据设备开发的实际需要，进行同步的平台升级，这其中就会涉及硬件系统升级、操作系统升级、中间件升级等诸多方面。因此构建一个满足应用环境需求的稳定平台是一个较为复杂的事情，需要进行全面的需求分析，详细的设计规划，务实的开发执行，这其中存在着较大的开发风险。
3 结语
综上所述，基础平台存在着可管理、可重构、可复用、可移植等优点，从而为开发设备带来了诸多优点：节约人力成本、加快开发速度、提高产品的稳定性和可靠性等。利用此基础平台能够很好地适应电力场合对通信设备不断变化的要求。因此，因地制宜地研究和构建面向应用场合的设备基础平台是大有裨益的。