一種基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的微機保護裝置網(wǎng)絡通信方案

 引言

　　隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)無法滿足傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通信方式，對于一種高性能的網(wǎng)絡通信的呼聲愈來愈高。VxWorks 是美國 Wind River SySTem 公司在1983年推出的一個實時操作系統(tǒng)，它以可靠、實時、可裁剪的特點著稱，利用VxWorks對TCP／IP協(xié)議、多任務以及BSD Socket的良好支持，一種新的可方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的方法將得以實現(xiàn)。

　　1 VxWorks網(wǎng)絡協(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)議來用于VxWorks進程與其它主機環(huán)境進程之間的傳輸數(shù)據(jù)。用戶程序需要的就是在TCP／IP層之上進行通信。因此，利用VxWorks對多任務和socket的良好支持，可以方便的實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。

　　TCP／IP是VxWorks提供的網(wǎng)絡間進程通信的主要機制，它主要包括三個協(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)議專門開發(fā)的應用程序，包括telnet、文件傳輸協(xié)議（FTP）等。IP層也稱網(wǎng)絡層，它包括Internet協(xié)議（IP）、網(wǎng)際控制報文協(xié)議（ICMP）和地址識別協(xié)議（ARP）；其中IP協(xié)議是TCP／IP協(xié)議族的基礎，該協(xié)議被設計成互聯(lián)分組交換通信網(wǎng)，現(xiàn)已形成了一個網(wǎng)際通信環(huán)境，它負責在源主機和目的地主機之間傳輸來自其較高層軟件的（稱為數(shù)據(jù)報文的）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；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和無連接數(shù)據(jù)報UDP兩種協(xié)議。

　　VxWorks網(wǎng)絡協(xié)議是一個基于開放系統(tǒng)的互連（OSI）模型，而且系統(tǒng)為了向高層協(xié)議層提供一個統(tǒng)一的、規(guī)范的、方便協(xié)議移植的網(wǎng)絡接口，在高層IP層之下添加了一個MUX層，由MUX層負責與網(wǎng)絡底層驅動的交互。這樣做可以使用戶在設計協(xié)議中不必關心網(wǎng)絡底層的數(shù)據(jù)傳遞，而在設計網(wǎng)絡驅動程序時也不必關心協(xié)議棧的結構，因而大大方便了對其進行的開發(fā)。VxWorks網(wǎng)絡協(xié)議的結構如圖1所示。

　　2 基于雙緩沖隊列的網(wǎng)絡通信設計

　　網(wǎng)絡通信的基石是套接字，一個套接字是通信的一端，在這一端上可以找到與其對應的一個名字。一個正在被使用的套接字都有它的類型和其相關的任務，VxWorks可以實現(xiàn)與BSD4.4TCP／IP兼容的Socket編程接口。由于面向連接的服務器使用的傳輸層協(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的客戶機／服務器（Client／Server）編程模式，其程序可以分為客戶端程序和服務端程序。其通信模型如圖2所示。

　　2.1 客戶端程序設計

　　所謂客戶端服務程序，就是主要用來發(fā)出服務請求的程序?？蛻舳顺绦蛟O計要知道服務端的地址、服務所提供的端*及服務使用的傳輸層協(xié)議（TCP協(xié)議）。在客戶／服務器模式中，客戶端程序可以通過兩種形式找到服務器：一是通過指定服務器的IP地址和端*來找到服務端；二是通過廣播的形式來來尋找服務器。本系統(tǒng)的客戶端程序應用第一種形式來尋找服務器。知道了服務端的位置后，客戶端任務就可以打開一個套接字，然后通過連接服務器來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

　　面向連接的TCP客戶端編程結構分為部分：一是以TCP連接服務器，TCP協(xié)議是一種可保證傳輸可靠，且能保護順序的傳輸層協(xié)議。在連接服務器之前，先要申請一個SOCK_STREAM類型的套接字，該套接字的通信域應制定為PF_INET類型；二是使用TCP與服務器通信，因為TCP是面向連接的協(xié)議，在連接建立以后，它可以通過send、recv等調(diào)用來進行通信，就像管道一樣；三是關閉TCP連接，即在客戶端程序結束，或使用完一個套接字后，可以使用close來關閉一個套接字。

　　2.2 服務端程序設計

　　在服務端程序設計中，可以根據(jù)對要實現(xiàn)的網(wǎng)絡服務功能來設計自己的應用層協(xié)議。本系統(tǒng)服務端使用的TCP是面向連接的服務端。在這種模式下，服務端程序的設計就可以不考慮數(shù)據(jù)的可靠傳送，而只要接受連接請求，并通過該連接進行通信即可，這樣，底層的傳輸協(xié)議就自然會保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性。

　　服務端程序設計的兩種基本模式是循環(huán)模式和并發(fā)模式。循環(huán)模式就是服務端進程在總體機構上是一個循環(huán)，一次處理一個請求。并發(fā)模式的服務端進程一般可以同時處理多個請求，結構上一般采用父進程接受請求，然后產(chǎn)生子進程，這樣一般為多進程結構。

　　本文選用面向連接服務端的循環(huán)模式，此模式的建立步驟如下：

　　（1）創(chuàng)建一個SOCK_STREAM類型的套接字；

　?。?）調(diào)用bind指定地址和端口；

　?。?）調(diào)用listen未處理連接請求的隊列長度；

　?。?）調(diào)用accept等待連接請求，一旦有連接請求，accept返回一個新的套接字描述符；

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

　　3 微機保護系統(tǒng)網(wǎng)絡通信模型設計

　　系統(tǒng)中基于Socket模式下的通信過程分為控制端發(fā)起的通信過程和受控端發(fā)起的通信過程，這兩種過程都是基于客戶／服務器的網(wǎng)絡編程模式。在客戶／服務器模式中，請求的一方稱為客戶，提供服務的一方稱為服務器。

　　本設計采用嵌入式計算機結合數(shù)據(jù)采集板的方式，并由VxWorks實時操作系統(tǒng)為嵌入式計算機提供底層軟件平臺的支持。嵌入式計算機連接數(shù)據(jù)采集板，并控制數(shù)據(jù)的采集過程，以（以牽引供電系統(tǒng)饋線保護為例）在工頻周期下，從TV、TA側采集共2路電壓、電流信號，每周波采樣24個數(shù)據(jù)點，采樣周期為833μs。在該保護系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)端為客戶端，并采用VxWorks基于Socket客戶機編程模式，主要負責發(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；服務器端為微機保護運行所在的PC機，負責執(zhí)行命令并返回命令執(zhí)行的結果，主要工作是為采集數(shù)據(jù)的微機提供算法處理保護以及保護啟動判斷。本系統(tǒng)只需要在服務器啟動后，就可以進入等待狀態(tài)，所有其他的動作都可以等待和客戶端建立連接后，由人機界面來控制。其系統(tǒng)網(wǎng)絡通信流程如圖3所示。

　　在網(wǎng)絡通信時，首先由服務器端創(chuàng)建一個偵聽用套接字（socket），然后與服務器的本地地址相綁定（bind），接著進入偵聽模式（listen ）?？蛻舳碎_始時，同樣也需要創(chuàng)建一個套接字（socket），不同的是，這個套接字只用于通信，然后連接服務器端（cONnect）；服務器端用于偵聽的套接字接受（accept）這個來自客戶端的連接，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端進行通信；服務器端和客戶端從各自的通信套接字傳送和接收數(shù)據(jù)（send／recv），通信結束后，再關閉相關的通信套接字（close）。

　　基于這種網(wǎng)絡通信模式可實現(xiàn)上述供電系統(tǒng)電壓、電流信號數(shù)據(jù)采集模塊與VxWorks系統(tǒng)平臺間的數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡通信。

　　4 結束語

　　利用本系統(tǒng)可將VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)接受的采樣數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡通信發(fā)送到保護任務所在的PC機上。這種方法不僅有利于采樣數(shù)據(jù)的存儲和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，并保證了采樣數(shù)據(jù)的實時性和傳送的安全性。相對于傳統(tǒng)的前后臺微機保護裝置，采用VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)的微機保護裝置能有效的提高系統(tǒng)的實時性和可靠性。