1软件功能设计调试
软件的功能划分为4类：变电站管理、装置程序维护、在线浏览操作、一键归档分析功能。定义上位机调试软件为控制方向，装置侧服务器程序为监视方向。
1、1变电站管理
变电站管理功能按照不同电压等级、间隔名称，分层次多级目录管理若干装置。可新建、打开和关闭变电站工程；支持在人机界面中输入装置地址发起连接请求创建装置；支持装置重命名、排序、复制、粘帖和导入导出等操作。以层次树的资源管理器方式展示变电站结构。装置分离线和在线两种状态，离线模式下可进行数据分析、离线定值设置、主画面编辑等操作，在线模式下可进行程序维护、状态浏览、数据归档收集等操作。
1、2装置程序维护保护测控装置调试软件设计与实现上传配置文件、日志文件等文本。控制方下发需要上装的文件名，监视方打开文件，并分段上传数据，到达文件尾部后给出结束帧标记，控制方将数据存储到文件。上装是下载的反向过程。在程序运行调试过程中，往往需要通过调试相关变量进行状态诊断。在调试上位机程序时，可以使用IDE或gdb等进入调试状态，设置断点并查看变量值。嵌入式装置在运行状态下，监视相关变量时不能随意切换到调试状态，而是将调试变量作为一个实时响应的处理线程。通过调试变量协议，控制方下发需要调试的变量名，装置侧获取相关变量的地址信息和类型后，访问变量地址，读取数据，周期上送变量值，控制方显示实际值。调试变量的关键步骤是获取变量的地址，全局变量可以通过分析编译器形成的map文件获取，对于动态分配的内存，则需通过辅助手段实现。为此制定相关嵌入式程序编程规范，用结构体元件来封装各功能模块数据。元件结构体的内存是动态分配的，编译器在编译时没有为其分配静态地址，map文件里没有这些变量的地址信息。需要在装置启动阶段才能得到变量地址。对于动态分配内存的结构体变量，装置侧提供注册接口，可记录首地址。调试软件根据输入的元件结构体类型名、成员变量名、文件存放路径和CPU字节对齐等信息，对相关的文件进行词法分析和语法分析，进行宏表达式求值，计算出变量在结构体中的偏移量，并下发相对偏移信息。装置侧程序由结构体首地址＋变量的相对偏移地址得到变量的真正地址。调试人员只需输入层次实例名，不需手工计算变量地址，调试软件在计算相对地址时已考虑了各种CPU的字长对齐设置。调试变量的流程如图3所示。可通过查询内存的功能实现一次查看连续区域内存数据。控制方可下发查询起始绝对地址，监视方一次回复若干个字节的内存数据。也支持通过下发变量名的方式查询内存。
1、3在线浏览操作在线浏览的通信协议基于继电保护国际标准规约IEC60870－5－103协议［6］，可以实现不同厂家的设备、后台的交互通信，减少了私有协议转换过程，方便运行管理和维护。其协议结构如图4所示。类结构图如图5所示。在线浏览操作功能包括：装置模拟量开关量实时显示、装置定值整定和比较、可编程逻辑编辑和状态显示、事件查看、动作报告显示、波形文件上传和分析、HMI遥控模拟、信号复归等。通过在线浏览模块，可实时显示装置的状态数据、参看监视报文、分析跳闸逻辑、查看并设置定值、开关分合遥控等操作。其中涉及到遥控、定值整定、报告清除等关键操作，需要输入用户名和密码，进行权限校验。以定值设置整定为例，其报文交互流程如图6所示。
1、4一键归档分析通过一键归档操作，批量上装日志文件、配置文件等文件，自动截取装置当前的断面数据（包括装置模拟量、状态量、定值、报告、用于问题诊断的特定变量等内容），将各分立文件压缩存储为一个数据包。当现场运行的装置出现异常或跳闸动作时，通过一键归档，可自动打包相关数据，并以邮件方式发送到指定邮箱，装置研发人员可离线打开查看分析。
2软件风格设计
2、1基于软件管家模式由于软件功能复杂，采用了模块化设计思想，进行分层、分模块设计，以去除界面、数据、接口之间具体耦合，方便扩充。调试软件由引导主进程和按照功能划分的子进程组成。如图7所示，引导主进程是安装软件的启动程序，提供变电站资源管理器功能，在左侧树形区域点击装置节点时，会在右侧按照模块划分，分类显示相关功能。点击功能图标，传入形参，启动独立的子进程。通过组件化的设计思路，可确保增加一个新的模块时，不会影响已经稳定的模块。基于子进程的软件管家模式，也减少了人机界面的操作复杂度，用户在一个时间段内只需专注于单一图4在线浏览报文协议结构图5在线状态浏览类结构图图3调试变量流程图2《工业控制计算机》2014年第27卷第11期的功能，并可快捷地切换到另一个功能的操作界面。
2、2类浏览器界面风格当各个子进程启动后，为避免顶层窗体过多，采用类似Chrome的界面风格，用标签页管理子进程的界面。对各子进程的界面、颜色进行了统一设计，基于QT－CSS技术，设计了统一的界面风格库，并提供风格设置接口，可设置标签页QTabWid-get、层次树QListTreeWidget、停靠栏QDockWidget等控件的边框、缩进、标题、字体、颜色等内容。类浏览器的界面规范使不同人员开发的子进程在风格上高度统一。
3软件分层设计
除按照主进程－子进程的模块化设计外，单个通信子进程按照分层原则设计，共分为三层，最底层为数据收发层，中间层为数据处理层，最上层为展示层。如图8所示：图8软件分层结构数据收发层的功能是负责从装置接收报文并将数据处理层的报文发送到装置。针对不同类型的装置，该层需要支持串口通信、以太网链路层通信与以太网传输层通信三种通信方式。同时为了保证通信状态的可靠性，数据收发层还支持出错重传及超时重传机制。其中网络通信采用ACE中间件实现，串口通信采用Qt的QExtSearialPort实现。数据处理层是整个系统的主体部分，主要负责报文解析，报文生成，提供接口供展示层调用，实现了业务与操作接口的分离。展示层提供数据的展示与用户交互功能，不涉及具体的业务流程处理。针对不同的数据，展示层提供二维表格、层次树等不同的展示方式，采用Qt的Model－View模式，可高效快速显示刷新数据。展示层还提供个性化的右键菜单、按钮与工具栏。当用户点击某个菜单或按钮时，展示层会调用数据处理层的对应接口，对用户的操作进行处理。
4结果
实现与分析软件主界面如图9所示：左侧为资源管理器，用来管理变电站，变电站下支持新建多个装置。右侧为工作区，用来展示当前活动装置支持的功能。图9软件主界面点击工作区某个功能按钮，主进程将启动相应的子进程。以在线浏览功能为例，图10所示为装置报告查看界面。
5结束语
本文实现了嵌入式装置程序在实时运行模式下变量调试和内存查询功能，可对程序变量进行实时跟踪，能够快速定位运行工况下的程序问题。保护测控装置调试软件已经在基于UAPC平台的PCS系列装置中广泛应用，并得到多个国家和地区用户的认可。
作者：张磊 单位：南京南瑞继保电气有限公司
