CN112782467A - 基于嵌入式操作系统的智能电表 - Google Patents

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Abstract

本发明实施方式涉及智能电表技术领域，特别涉及一种基于嵌入式操作系统的智能电表，所述智能电表中的嵌入式操作系统包括硬件层、启动层和驱动层，还包括应用层和系统层，所述应用层包括若干应用程序，所述系统层包括：应用接口子层，用于提供所述系统层与所述应用程序的接口；设备管理子层，用于向所述应用接口子层提供与驱动设备框架的接口；函数集合子层，用于提供文件操作函数集合，供所述驱动层中的设备向所述驱动设备框架注册；驱动实现子层，用于提供所述驱动设备框架对注册后的设备进行管理；标准库子层，用于提供标准驱动库，所述标准驱动库中的标准驱动用于驱动所述注册后的设备。本发明提供的实施方式便于智能电表的功能开发。

Description

基于嵌入式操作系统的智能电表
技术领域
本发明涉及智能电表技术领域，特别涉及一种基于嵌入式操作系统的智能电表。
背景技术
近年来，国际法制计量组织(OIML)颁布的IR46《有功电能表》标准对电能表的计量技术及性能要求提出了新的要求，明确了在确保安全性的前提下，当管理需求发生变更时，非法制相关的软件可以在线升级，但不影响法制计量相关的功能。然而现有智能电能表的可扩展性有限，存储数据内容和格式单一，各类功能不能灵活配置，不具备软件升级功能，无法满足泛在电力物联网未来不断变化和拓展的业务需求。因此在新一代智能电能表设计方案中需充分考虑国际标准的先进思想和泛在电力物联网的建设要求，在具备基础计量功能外，还需满足IR46中涉及到的软件升级要求，同时支持用户侧智能设备的灵活接入。
现有基于嵌入式操作系统的智能电能表，其应用层软件设计为一体化设计，软件之间耦合度强，逻辑嵌套复杂，不利于软件升级，无法满足新增业务的开发需求。此外，底层驱动程序和操作系统之间也并未实现解耦设计，不方便厂家的开发移植，同时还降低了硬件资源的运行效率。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于嵌入式操作系统的智能电表，以至少部分地解决以上问题。
为达到上述目的，本发明的第一方面，提供了一种基于嵌入式操作系统的智能电表，所述智能电表中的嵌入式操作系统包括硬件层、启动层和驱动层，还包括应用层和系统层，所述应用层包括若干应用程序，所述系统层包括：应用接口子层，用于提供所述系统层与所述应用程序的接口；设备管理子层，用于向所述应用接口子层提供与驱动设备框架的接口；函数集合子层，用于提供文件操作函数集合，供所述驱动层中的设备向所述驱动设备框架注册；驱动实现子层，用于提供所述驱动设备框架对注册后的设备进行管理；标准库子层，用于提供标准驱动库，所述标准驱动库中的标准驱动用于驱动所述注册后的设备。
优选的，所述嵌入式操作系统运行于所述智能电表的管理模组中，所述智能电表还包括计量模组和扩展模组；所述计量模组提供功率计量模块和数据存储模块，所述扩展模组包括非介入识别模块、有序充电模块和电能质量分析模块。
优选的，所述应用程序包括系统应用程序、业务应用程序和扩展应用程序，所述应用程序之间存在数据互交；所述业务应用程序和扩展应用程序通过所述系统应用程序与所述系统层进行数据互交。
优选的，所述计量模组中的应用程序的通过程序接口与所述系统应用程序相连。
优选的，所述业务应用程序包括：显示应用程序，用于所述智能电表的信息显示；数据中心应用程序，用于获取、存储和收发所述智能电表的数据；以及基础业务应用程序，用于实现所述智能电表的基础业务功能。
优选的，所述系统应用程序还被配置为：传递所述系统应用程序、扩展应用程序和上行接口之间的消息，以及所述业务应用程序的管理和监控。
优选的，所述设备管理子层提供的接口包括：打开函数、关闭函数、读取函数、写入函数、输入输出控制函数、监测函数和文件偏移函数。
优选的，所述驱动层中的设备包括UART设备、I2C总线设备、SPI总线设备和功能外设中的至少一者；所述UART设备、I2C总线设备、SPI总线设备在所述驱动设备框架注册为标准设备，并通过所述驱动设备框架完成与所述函数集合子层的对接；所述功能外设通过在所述函数集合子层增加的对应的文件操作函数，完成在所述驱动设备框架的注册。
优选的，所述智能电表还包括对外通讯接口。
优选的，所述对外通讯接口支持DL/T698.45协议。
本发明所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，具有以下有益效果：
(1)相对现有智能电能表软件，应用层软件实现了低耦合度，便于后期软件升级和新功能增加；
(2)相对现有智能电能表软件，驱动层和系统层实现了软硬解耦分离，方便了厂家的开发移植，降低了操作系统维护成本，提高了硬件资源的运行效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施方式中的基于嵌入式操作系统的智能电表中系统层的结构示意图；
图2为本发明一实施方式中的系统层的实施示意图；
图3为本发明一实施方式中的嵌入式操作系统的结构示意图；
图4为本发明一实施方式中的基于嵌入式操作系统的智能电表中的模组示意图；
图5为本发明一实施方式中的基于嵌入式操作系统的智能电表中应用层的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方式的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施方式，并不用于限制本发明实施方式。
图1为本发明一实施方式中的基于嵌入式操作系统的智能电表中系统层的结构示意图。如图1所示，一种基于嵌入式操作系统的智能电表，所述智能电表中的嵌入式操作系统包括硬件层、启动层和驱动层，还包括应用层和系统层，所述应用层包括若干应用程序，所述系统层包括：
应用接口子层，用于提供所述系统层与所述应用程序的接口；应用层的应用程序通过该应用接口子层提供的接口调用该智能电表中的底层硬件设备及其功能；
设备管理子层，用于向所述应用接口子层提供与驱动设备框架的接口；该子层向上层提供标准接口，驱动设备框架提供给应用层的接口是若干具有操作功能的函数。
函数集合子层，用于提供文件操作函数集合，供所述驱动层中的设备向所述驱动设备框架注册；该子层向驱动实现子层提供fops集合(文件操作函数集合)，供驱动注册设备。
驱动实现子层，用于提供所述驱动设备框架对注册后的设备进行管理；在该子层中，所有设备设置有标准名称，应用层根据该标准名称操作设备。
标准库子层，用于提供标准驱动库，所述标准驱动库中的标准驱动用于驱动所述注册后的设备。标准库子层存储有芯片厂商提供的标准库，利用标准库接口操作外设驱动相关的设备，例如芯片寄存器等。
本实施方式提供的设计一种应用与内核解耦分离的嵌入式操作系统的智能电能表，其中的嵌入式操作系统的系统层的具体结构如图2所示。图2为本发明一实施方式中的系统层的实施示意图。该实施方式能够降低研发和维护成本，提高开发效率，并提升硬件资源的运行效率。
为了说明本实施方式中的系统层等在智能电表中的位置关系，特结合图3对其进行说明。图3为本发明一实施方式中的嵌入式操作系统的结构示意图，如图3所示。智能电能表软件基于管理模组硬件平台运行，根据运行环境及运行权限不同，分别在硬件层、启动层、驱动层、系统层、应用层实现。基于智能电能表管理模组的软件设计如图所示。其中，1)硬件层实现电能表软件硬件运行环境；2)启动层实现硬件初始化，引导内核启动；3)驱动层包括通用设备驱动、专用设备驱动及MCU驱动，可兼容多种硬件架构，对上提供统一接口，实现“硬件平台化”；4)系统层实现嵌入式操作系统多任务调度、任务间通信、内存资源分配及保护等；实现设备驱动框架及外设接口等组件，对应用层提供统一接口；5)应用层实现电能表业务功能的运行与管理，将应用层软件之间实现了解耦分离。
图4为本发明一实施方式中的基于嵌入式操作系统的智能电表中的模组示意图，如图4所示。在本发明提供的一种实施方式中，所述嵌入式操作系统运行于所述智能电表的管理模组中，所述智能电表还包括计量模组和扩展模组；所述计量模组提供功率计量模块和数据存储模块，所述扩展模组包括非介入识别模块、有序充电模块和电能质量分析模块。智能电能表整体采用多芯模组化设计，使用物理分离原则，具备计量模组、管理模组和扩展模组等，模组间相互独立，某一个模组的损坏不影响其它模组的工作。其中，计量模组提供电量、时钟等法制数据，每分钟保存正反向有功等历史数据用于电量追溯；管理模组承担整表的管理任务，主要包括费控、显示、对外通信、事件记录、数据冻结、负荷控制等任务，支持软件升级；扩展模组分为非介入识别模块(标配)、有序充电模块、电能质量分析模块。
在本发明提供的一种实施方式中，所述设备管理子层提供的接口包括：打开函数open、关闭函数close、读取函数read、写入函数write、输入输出控制函数ioctl、监测函数poll和文件偏移函数lseek。以上基本函数的设置能够实现对于设备的基础管理。
在本发明提供的一种实施方式中，所述驱动层中的设备包括UART设备、I2C总线设备、SPI总线设备和功能外设中的至少一者；所述UART设备、I2C总线设备、SPI总线设备在所述驱动设备框架注册为标准设备，并通过所述驱动设备框架完成与所述函数集合子层的对接；所述功能外设通过在所述函数集合子层增加的对应的文件操作函数，完成在所述驱动设备框架的注册。具体的，对于UART(通用异步收发传输器，Universal AsynchronousReceiver/Transmitter)来说，它有对应的设备框架，需要先注册成标准Device设备，然后由框架完成fops的对接。对于I2C总线和SPI总线设备来说，同UART一样也需要先注册成标准Device设备，但是总线类设备并不会注册fops接口，因此用户态APP无法访问总线设备。对于EEPROM、LCD、ESAM等功能外设来说，需要厂商自己实现fops里需要实现的接口，并完成设备的注册。
图5为本发明一实施方式中的基于嵌入式操作系统的智能电表中应用层的结构示意图，如图5所示。在本发明提供的一种实施方式中，所述应用程序包括系统应用程序、业务应用程序和扩展应用程序，所述应用程序之间存在数据互交；所述业务应用程序和扩展应用程序通过所述系统应用程序与所述系统层进行数据互交。智能电能表中的应用层包括系统应用程序，即该安全加固APP。安全加固APP是智能电能表物理接口与业务APP数据交互的桥梁；安全加固APP解析完协议数据，按逻辑地址进行数据转发。每个APP作为智能电能表操作系统中的单个进程，进程之间采用进程间通信(IPC，InterProcess Communication)方式进行交互；IPC支持通道、共享内存、消息队列、内存设备四种方式。
在本发明提供的一种实施方式中，所述系统应用程序还被配置为：负责系统内部App、上行接口、扩展模块间消息传递，内部App管理以及监控，确保系统稳定可靠运行。
在本发明提供的一种实施方式中，所述业务应用程序包括：显示应用程序，用于所述智能电表的信息显示；数据中心应用程序，用于获取、存储和收发所述智能电表的数据；以及基础业务应用程序，用于实现所述智能电表的基础业务功能。同样如图5所示，业务应用程序完成电能表业务功能，可划分为基础业务APP、数据中心APP和显示APP，每个APP实现对应的功能，并通过进程间通信方式进行交互，同时还可以供扩展APP进行调用。
在本发明提供的一种实施方式中，所述计量模组中的应用程序的通过程序接口与所述系统应用程序相连。即图5中的计量模组通过程序接口与系统应用中的安全加固APP相连。通过该实施方式，计量模组中的计量功能通过该嵌入式操作系统的应用层，实现对智能电表底层硬件的管理和调用。
在本发明提供的一种实施方式中，所述智能电表还包括对外通讯接口，用于通信组网以及数据传输。所述对外通信接口可以是NB-IOT等无线接口，也可以是RJ45等有线接口。
在本发明提供的一种实施方式中，所述对外通讯接口支持DL/T698.45协议。DL/T698.45协议是国标中的电能信息采集与管理系统中定义的通信交换协议，该协议贯穿系统主站、采集终端以至智能电能表，能够实现用电信息采集系统通信协议的统一性和规范性，提升系统运行的可靠性。
以上实施方式中提出的一种应用于智能电表的应用与内核解耦分离的智能电能表嵌入式操作系统设计，能够有效解决现有智能电能表软件耦合度强，不利于软件升级的不足。另外，底层驱动程序和操作系统之间通过设备注册实现了底层硬件和操作系统之间的解耦，方便了厂家的开发移植，提高了硬件资源的运行效率。
以上结合附图详细描述了本发明实施方式的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施方式的不同实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于嵌入式操作系统的智能电表，所述智能电表中的嵌入式操作系统包括硬件层、启动层和驱动层，其特征在于，还包括应用层和系统层，所述应用层包括若干应用程序，所述系统层包括：
应用接口子层，用于提供所述系统层与所述应用程序的接口；
设备管理子层，用于向所述应用接口子层提供与驱动设备框架的接口；
函数集合子层，用于提供文件操作函数集合，供所述驱动层中的设备向所述驱动设备框架注册；
驱动实现子层，用于提供所述驱动设备框架对注册后的设备进行管理；
标准库子层，用于提供标准驱动库，所述标准驱动库中的标准驱动用于驱动所述注册后的设备。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，其特征在于，所述嵌入式操作系统运行于所述智能电表的管理模组中，所述智能电表还包括计量模组和扩展模组；
所述计量模组包括功率计量模块和数据存储模块；
所述扩展模组包括非介入识别模块、有序充电模块和电能质量分析模块。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，其特征在于，所述应用程序包括系统应用程序、业务应用程序和扩展应用程序，所述应用程序之间存在数据互交；
所述业务应用程序和所述扩展应用程序通过所述系统应用程序与所述系统层进行数据互交。
4.根据权利要求3所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，其特征在于，所述计量模组中的应用程序通过程序接口与所述系统应用程序相连。
5.根据权利要求4所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，其特征在于，所述业务应用程序包括：
显示应用程序，用于所述智能电表的信息显示；
数据中心应用程序，用于获取、存储和收发所述智能电表的数据；以及
基础业务应用程序，用于实现所述智能电表的基础业务功能。
6.根据权利要求3所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，其特征在于，所述系统应用程序用于实现所述系统应用程序、扩展应用程序和上行接口之间的消息传递，以及所述业务应用程序的管理和监控。
7.根据权利要求1所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，其特征在于，所述设备管理子层提供的接口包括：打开函数、关闭函数、读取函数、写入函数、输入输出控制函数、监测函数和文件偏移函数。
8.根据权利要求1所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，其特征在于，所述驱动层中的设备包括UART设备、I2C总线设备、SPI总线设备和功能外设中的至少一者；
所述UART设备、I2C总线设备、SPI总线设备在所述驱动设备框架注册为标准设备，并通过所述驱动设备框架完成与所述函数集合子层的对接；
所述功能外设通过在所述函数集合子层增加的对应的文件操作函数，完成在所述驱动设备框架的注册。
9.根据权利要求1所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，其特征在于，所述智能电表还包括对外通讯接口。
10.根据权利要求9所述的基于嵌入式操作系统的智能电表，其特征在于，所述对外通讯接口支持DL/T698.45协议。
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