能有效提高實(shí)時(shí)性和可靠性的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信方式，對(duì)于一種高性能的網(wǎng)絡(luò)通信的呼聲愈來(lái)愈高。VxWorks 是美國(guó) Wind River SySTem 公司在1983年推出的一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它以可靠、實(shí)時(shí)、可裁剪的特點(diǎn)著稱(chēng)，利用VxWorks對(duì)TCP／IP協(xié)議、多任務(wù)以及BSD Socket的良好支持，一種新的可方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的方法將得以實(shí)現(xiàn)。

1 VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

VxWorks通常使用以太網(wǎng)作為最底層傳輸媒介。而在傳輸媒介的上一層，VxWorks則用TCP／IP協(xié)議來(lái)用于VxWorks進(jìn)程與其它主機(jī)環(huán)境進(jìn)程之間的傳輸數(shù)據(jù)。用戶(hù)程序需要的就是在TCP／IP層之上進(jìn)行通信。因此，利用VxWorks對(duì)多任務(wù)和socket的良好支持，可以方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

TCP／IP是VxWorks提供的網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)程通信的主要機(jī)制，它主要包括三個(gè)協(xié)議：Internet協(xié)議、IP協(xié)議和傳輸層協(xié)議。其中Internet協(xié)議是處于TCP和UDP之上的一組協(xié)議專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，包括telnet、文件傳輸協(xié)議（FTP）等。IP層也稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)層，它包括Internet協(xié)議（IP）、網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議（ICMP）和地址識(shí)別協(xié)議（ARP）；其中IP協(xié)議是TCP／IP協(xié)議族的基礎(chǔ)，該協(xié)議被設(shè)計(jì)成互聯(lián)分組交換通信網(wǎng)，現(xiàn)已形成了一個(gè)網(wǎng)際通信環(huán)境，它負(fù)責(zé)在源主機(jī)和目的地主機(jī)之間傳輸來(lái)自其較高層軟件的（稱(chēng)為數(shù)據(jù)報(bào)文的）數(shù)據(jù)塊，它在源和目的地之間可提供非連接型傳遞服務(wù)；而傳輸層協(xié)議包括傳輸控制協(xié)議，主要有面向連接的TCP和無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)UDP兩種協(xié)議。

VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一個(gè)基于開(kāi)放系統(tǒng)的互連（OSI）模型，而且系統(tǒng)為了向高層協(xié)議層提供一個(gè)統(tǒng)一的、規(guī)范的、方便協(xié)議移植的網(wǎng)絡(luò)接口，在高層IP層之下添加了一個(gè)MUX層，由MUX層負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)底層驅(qū)動(dòng)的交互。這樣做可以使用戶(hù)在設(shè)計(jì)協(xié)議中不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò)底層的數(shù)據(jù)傳遞，而在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)也不必關(guān)心協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)，因而大大方便了對(duì)其進(jìn)行的開(kāi)發(fā)。VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 基于雙緩沖隊(duì)列的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信的基石是套接字，一個(gè)套接字是通信的一端，在這一端上可以找到與其對(duì)應(yīng)的一個(gè)名字。一個(gè)正在被使用的套接字都有它的類(lèi)型和其相關(guān)的任務(wù)，VxWorks可以實(shí)現(xiàn)與BSD4.4TCP／IP兼容的Socket編程接口。由于面向連接的服務(wù)器使用的傳輸層協(xié)議可保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性和順序性，因此，本文的系統(tǒng)端采用基于流Socket的客戶(hù)機(jī)／服務(wù)器（Client／Server）編程模式，其程序可以分為客戶(hù)端程序和服務(wù)端程序。其通信模型如圖2所示。

2.1 客戶(hù)端程序設(shè)計(jì)

所謂客戶(hù)端服務(wù)程序，就是主要用來(lái)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求的程序?？蛻?hù)端程序設(shè)計(jì)要知道服務(wù)端的地址、服務(wù)所提供的端*及服務(wù)使用的傳輸層協(xié)議（TCP協(xié)議）。在客戶(hù)／服務(wù)器模式中，客戶(hù)端程序可以通過(guò)兩種形式找到服務(wù)器：一是通過(guò)指定服務(wù)器的IP地址和端*來(lái)找到服務(wù)端；二是通過(guò)廣播的形式來(lái)來(lái)尋找服務(wù)器。本系統(tǒng)的客戶(hù)端程序應(yīng)用第一種形式來(lái)尋找服務(wù)器。知道了服務(wù)端的位置后，客戶(hù)端任務(wù)就可以打開(kāi)一個(gè)套接字，然后通過(guò)連接服務(wù)器來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

面向連接的TCP客戶(hù)端編程結(jié)構(gòu)分為部分：一是以TCP連接服務(wù)器，TCP協(xié)議是一種可保證傳輸可靠，且能保護(hù)順序的傳輸層協(xié)議。在連接服務(wù)器之前，先要申請(qǐng)一個(gè)SOCK_STREAM類(lèi)型的套接字，該套接字的通信域應(yīng)制定為PF_INET類(lèi)型；二是使用TCP與服務(wù)器通信，因?yàn)門(mén)CP是面向連接的協(xié)議，在連接建立以后，它可以通過(guò)send、recv等調(diào)用來(lái)進(jìn)行通信，就像管道一樣；三是關(guān)閉TCP連接，即在客戶(hù)端程序結(jié)束，或使用完一個(gè)套接字后，可以使用close來(lái)關(guān)閉一個(gè)套接字。

2.2 服務(wù)端程序設(shè)計(jì)

在服務(wù)端程序設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)對(duì)要實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能來(lái)設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用層協(xié)議。本系統(tǒng)服務(wù)端使用的TCP是面向連接的服務(wù)端。在這種模式下，服務(wù)端程序的設(shè)計(jì)就可以不考慮數(shù)據(jù)的可靠傳送，而只要接受連接請(qǐng)求，并通過(guò)該連接進(jìn)行通信即可，這樣，底層的傳輸協(xié)議就自然會(huì)保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性。

服務(wù)端程序設(shè)計(jì)的兩種基本模式是循環(huán)模式和并發(fā)模式。循環(huán)模式就是服務(wù)端進(jìn)程在總體機(jī)構(gòu)上是一個(gè)循環(huán)，一次處理一個(gè)請(qǐng)求。并發(fā)模式的服務(wù)端進(jìn)程一般可以同時(shí)處理多個(gè)請(qǐng)求，結(jié)構(gòu)上一般采用父進(jìn)程接受請(qǐng)求，然后產(chǎn)生子進(jìn)程，這樣一般為多進(jìn)程結(jié)構(gòu)。

本文選用面向連接服務(wù)端的循環(huán)模式，此模式的建立步驟如下：

（1）創(chuàng)建一個(gè)SOCK_STREAM類(lèi)型的套接字；

（2）調(diào)用bind指定地址和端口；

（3）調(diào)用listen未處理連接請(qǐng)求的隊(duì)列長(zhǎng)度；

（4）調(diào)用accept等待連接請(qǐng)求，一旦有連接請(qǐng)求，accept返回一個(gè)新的套接字描述符；

（5）通過(guò)新的描述符與客戶(hù)端交互信息，交互完畢，即關(guān)閉新產(chǎn)生的套接字并返回第四步。

3 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中基于Socket模式下的通信過(guò)程分為控制端發(fā)起的通信過(guò)程和受控端發(fā)起的通信過(guò)程，這兩種過(guò)程都是基于客戶(hù)／服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)編程模式。在客戶(hù)／服務(wù)器模式中，請(qǐng)求的一方稱(chēng)為客戶(hù)，提供服務(wù)的一方稱(chēng)為服務(wù)器。

本設(shè)計(jì)采用嵌入式計(jì)算機(jī)結(jié)合數(shù)據(jù)采集板的方式，并由VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為嵌入式計(jì)算機(jī)提供底層軟件平臺(tái)的支持。嵌入式計(jì)算機(jī)連接數(shù)據(jù)采集板，并控制數(shù)據(jù)的采集過(guò)程，以（以牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)為例）在工頻周期下，從TV、TA側(cè)采集共2路電壓、電流信號(hào)，每周波采樣24個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采樣周期為833μs。在該保護(hù)系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)端為客戶(hù)端，并采用VxWorks基于Socket客戶(hù)機(jī)編程模式，主要負(fù)責(zé)發(fā)布命令，監(jiān)控命令的執(zhí)行狀況，其主要工作是數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)；服務(wù)器端為微機(jī)保護(hù)運(yùn)行所在的PC機(jī)，負(fù)責(zé)執(zhí)行命令并返回命令執(zhí)行的結(jié)果，主要工作是為采集數(shù)據(jù)的微機(jī)提供算法處理保護(hù)以及保護(hù)啟動(dòng)判斷。本系統(tǒng)只需要在服務(wù)器啟動(dòng)后，就可以進(jìn)入等待狀態(tài)，所有其他的動(dòng)作都可以等待和客戶(hù)端建立連接后，由人機(jī)界面來(lái)控制。其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖3所示。

在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，首先由服務(wù)器端創(chuàng)建一個(gè)偵聽(tīng)用套接字（socket），然后與服務(wù)器的本地地址相綁定（bind），接著進(jìn)入偵聽(tīng)模式（listen ）。客戶(hù)端開(kāi)始時(shí)，同樣也需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)套接字（socket），不同的是，這個(gè)套接字只用于通信，然后連接服務(wù)器端（cONnect）；服務(wù)器端用于偵聽(tīng)的套接字接受（accept）這個(gè)來(lái)自客戶(hù)端的連接，然后建立新的通信用套接字，并利用新建的通信套接字與客戶(hù)端進(jìn)行通信；服務(wù)器端和客戶(hù)端從各自的通信套接字傳送和接收數(shù)據(jù)（send／recv），通信結(jié)束后，再關(guān)閉相關(guān)的通信套接字（close）。

基于這種網(wǎng)絡(luò)通信模式可實(shí)現(xiàn)上述供電系統(tǒng)電壓、電流信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊與VxWorks系統(tǒng)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)通信。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用本系統(tǒng)可將VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)接受的采樣數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送到保護(hù)任務(wù)所在的PC機(jī)上。這種方法不僅有利于采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，并保證了采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和傳送的安全性。相對(duì)于傳統(tǒng)的前后臺(tái)微機(jī)保護(hù)裝置，采用VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)裝置能有效的提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。