摘要：在电力调度中，电力调度交换机正被逐渐地应用于电力生产调度，它在电力通信中具有举足轻重的作用。本文介绍了一种新型程控调度交换机软件的基本结构和设计思想，分析了在实现此软件系统中的操作系统设计。
关键词：调度机软件；操作系统；中继接口
目前电力工业的飞速发展，电力系统调度交换机调度自动化所需的实时信息大量增加，迫切需要实现信息和信道资源的共享。在电力系统通信中正逐渐使用调度交换机，用于电力生产调度。由于电力系统的高可靠性要求，调度交换机必须具有相应的高可靠性，而设计了新一代的调度交换系统，它具有运行稳定，灵活的组网功能，全网统一等位拨号，网内自动路由迂回等特点。系统配备四线E /M中继，两线环路中继，音转中继等多种中继接口，可采用电话编程灵活设置。系统还实现了热线、缩位拨号、强拆、连选用户等特服功能。
一、软件总体结构
调度交换机的硬件包括：主控制柜、智能调度台和PC管理维护终端三大部分。主控制柜是整个系统的核心，完成用户电话接入、交换和组网等功能；智能控制台主要实现调度、组织会议、强拆和录音等功能；PC管理维护终端则对整个系统的状态进行维护、监控系统运行状态。与硬件设备相对应，软件系统从分布位置来看也可以分为三个部分：交换软件、调度软件和管理维护软件，它们分别运行在主控制柜、智能调度台和PC管理维护终端之上。其中交换软件起到核心作用，其他两个软件必须与交换软件相配合才能正常运行。其中，调度软件负责控制调度台的操作以及调度台与主控机之间的通信。调度软件包括普通呼叫处理模块、通信模块、会议模块和特殊功能模块。普通呼叫处理模块一旦收到调度人员的单键拨号，会将此单键翻译为相应的用户号码，并通过通信模块将这个号码传给主控机的交换软件。会议模块可实现多会场多用户、全双工电话会议，负责处理会议的召集、建立、监控以及散会的处理；特殊功能模块包括强拆、强插、保留和转接等子模块。调度软件是利用8031汇编程序来实现。管理维护软件主要完成交换机中一般业务处理：包括用户纪录的增、删、改，新业务、直拨权等数据的登记，定期话务统计分析，设备运行记录填报与分析等；常规和系统维护：包括设备清洁、定期测试和例行测试等，告警及故障分析、诊断和排除、电路板更换等；数据维护，包括用户数据、局数据、计费数据、中间数据及程序的备份等。管理维护软件是用VC++ 实现。交换软件作为软件系统的核心，是由两个部分所组成：操作系统和呼叫处理程序。操作系统直接覆盖在裸机上，为其他软件模块提供一个虚拟环境。操作系统一方面对硬件资源进行管理，对输入输出进行控制，同时提供一组中断接口，负责所有外中断进入操作系统。另一方面操作系统为其他软件模块提供服务和支持，实现对所有软件资源的管理。而呼叫处理程序则负责用户呼叫的建立、监督、撤销及呼叫处理过程中的其他一些处理。
二、操作系统的设计
与传统的分时系统相比较，调度交换机操作系统具有实时性强、可靠性高和多任务等特点，但相对而言功能较少，构成也要简单一些。它主要完成以下功能：进程管理、内存管理、消息处理、时钟控制和出错处理等。由于在程控交换机中，还存在大量的局数据和用户数据，所以必须有专门的数据库管理功能。操作系统用C和汇编语言编写。操作系统的内核是一个调度程序（dispatch er），其处理流程它首先判断是否有事件发生。这些事件包括：定时器事件、摘/挂机事件、数字接收事件和串行通信事件等，其中定时器事件又包括多种时间的定时器。操作系统可以根据事件掩码值来决定是否调用相应的事件处理程序。如果没有事件发生或所有的事件已经被处理完毕，则判断是否有被中断的进程需要恢复。如果有被中断进程，则先取得相应进程的PCB，然后将此进程的状态改为运行状态，进行切换，恢复被中断进程的运行。如果无被中断进程，就处理收到的消息。消息的来源可以是中断处理程序、事件处理程序或者是进程。消息可以分为两种：有向消息和广播消息。其中有向消息主要是当消息发送进程已确知消息接收进程的名称时使用，而广播消息是当发送消息的进程无法确定接收进程时使用。操作系统根据消息是有向消息或者广播消息，来决定应该作何种处理。如果是有向消息，调度程序将消息插入到接收进程的进程控制块的消息队列中，激活接收进程。如果此消息为无向消息，则判断比消息的接收进程的类型。如果为系统测试进程，并且测试进程处于空闲状态，那么激活测试进程对整个系统进行测试。如果为普通进程，则表明操作系统的中断处理和事件处理程序检测到一个用户已经摘机，正准备发起一个新的呼叫。那么操作系统从空闲的进程队列中分配一个空闲的进程来处理这个呼叫，调度该进程占用处理机。操作系统一方面通过调度程序调度运行各个不同的呼叫处理进程，另一方面，通过系统中断处理程序对各种重要和实时事件进行检测。在操作系统中，除了中断处理程序不能被外部中断以外，其他的所有进程以及调度程序都可以被外部事件所中断。之所以允许调度程序也能被中断，是出于以下的考虑：如果调度程序不能被中断，一旦所有呼叫处理进程都处于空闲状态，只有调度程序处于自身的循环状态，那么新的摘/挂机事件将无法中断调度程序的空转，从而操作系统无法相应用户的呼叫请求，形成死锁。系统中断矢量分为：陷入中断、不可屏蔽中断、10ms定时中断和软件中断等四种。陷入中断和不可屏蔽中断是当整个系统发生软件错误， 或者硬件故障的时候被调用。根据异常的类型，操作系统可以采取如下措施：继续观察、终止某次呼叫服务、对一部分内存进行初始化、整个内存的初始化、系统自举或者热备份等。10ms 定进中断是整个系统中实时性要求最高的部分，它是操作系统的功能单元中最小的时间单元，主要完成对实时性事件的检测和相应的简单处理。在此中断处理程序中，需要完成如下几个方面的任务：扫描所有用户线的摘/挂机状态；检测用户线上是否有用户拨号数字的产生，包括脉冲拨号和双音频拨号；检查和设置定时器；检测串行口的状态。呼叫处理进程和系统测试进程在运行的过程中经常会要求访问各种数据或者申请相关的缓存、各类控制块以及消息缓冲块等。操作系统通过被称为原语的接口向应用进程提供这种访问能力。原语的功能可以分为如下几大类：消息块的申请、返回、发送、延迟和等待；数据库的查询、修改；修改扫描模式；发送各类数字信号；队列插入、修改和删除以及进程的终止等。原语是过软件中断方式实现，操作系统初始化时，将对原语的处理代码的起始地址写入中断矢量。如果应用进程需要调用原语功能，则应用进程首先将原语号和参数表压入用户栈，再调用软件中断，如果调用的原语号处于正常范围内，则根据原语号跳转到相应的原语处理入口。在执行完相应的功能之后，程序恢复用户进程的各种环境变量，打开中断，利用IRET语句返回到用户进程。
三、设计中的问题
1、中继接口和组网问题。在本系统的输入输出端口中，除普通用户外，还有四线E /M中继口和两线CO环路口。其中四线E /M中继口用于自动路由组网的局间联络，而两线CO 环路口可用于以二次拨号方式和公网互通。在用四线E /M 端口进行组网时，用E /M 线的高低电平来传送线路信令。软件通过控制特定端口的继电器吸合，使M线电平变低，从而使对端局检测到相应端口的摘机信号。寄发器信令采用自行设计的简化形式。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆即E /M端口间的话路传送DTM F信号。按统一协议，依次发送7位号码。BUFFER[ 0]为被叫的局向号，BUFFER[ 1 ]、BUFFER[ 2 ]、BUFFER[ 3]分别为OFFICES- ST ATUS的百位，十位和个位，OFFICE- S TATUS用于记录在网中转接经过的路由，防止自动路由时发生乒乓效应。BU FFER[4 ]表示主叫的优先极，用于局间强拆。BUFFER[ 5]、BUFFER[ 6]为被叫的后两位号码。在进行路由选择时，是根据存放于数据区的路由表信息选择直接路由或迂回路由。网中各局的路由表皆不相同，根据组网的具体拓扑结构进行填写。在用两线CO口和公网互通时，将本系统的CO口和公网的用户端口相连。对于出局呼叫，主叫首先拨CO口的号码，软件控制将主叫端口和CO口双向连通，主叫听到公网交换机送来的拨号音后可继续拨公网用户的电话号码。对于入局呼叫，当公网用户拨到本局的CO 口时，软件控制应用CO 口送二次拨号音，等待接收对方用户继续拨的号码。以后皆同于对普通用户的处理。
2、系统维护。操作系统是全部软件的核心，其自身的稳定运行是系统稳定的关键。系统维护模块作为另一种必要手段，定时对操作系统各模块的运行情况进行监控，保证在出现意外事件时系统仍然恢复正常运行。其内容如下：队列监控：队列长度有否越界，是否有足够的空闲资源。消息管理的监控：有超时未处理的消息吗，有目标不明的消息。堆栈监视：有越界吗，故障信息的处理：通知PC维护中断，消息，队列，进程，数据库等的故障维护等。各软件模块在运行过程中一旦发现异常情况，应马上报告系统防御程序。系统防御程序按照软件模块的异常报告中的数据进行分析和统计，必要时它还可以要求其它软件模块提供一些有关的数据，甚至还可以调用一些硬件测试进程对相关设备进行测试。
3、主要特服功能的实现方法。热线和缩位拨号都是通过查找表的方式实现的，用户通过电话编程登记特服后，相关的信息保存在操作系统的数据区，同时保存在保护RAM 中，即使系统掉电，数据也不会丢失。登记过特服的用户摘机后，由建立在基本呼叫处理状态机基础上的特服处理状态机进行相应的处理。强拆功能是通过进程间通信实现的。以用户A强拆正在通话的同局用户B为例，A所在的源进程向B所在的目标进程发送强拆消息，目标进程收到强拆消息后，向正与B通话的C送忙音，同时向源进程回送强拆响应消息，待C挂机后正常结束本进程，而源进程收到强拆响应消息后，即可把A和B接通。高优先极用户不仅可以强拆本局用户，还可强拆网中其他局的低优先级用户。这是通过局间信令传递主叫优先级和强拆呼叫标志来实现的。
四、调度交换机远程集中维护系统的调试案例
某地区多个站点都引入STD 调度交换机接入调度机远程集中维护系统，通过实践取得了良好的效果。
1、调度交换机远程集中维护系统的软件设计分析。（1）系统功能设计。系统功能设计主要包括以下几个方面：①联机控制模块：此模块主要是控制接入站点调度交换机网络连接状态，通过“连接”、“断开”具体控制每个站点网络接入情况；②系统状态模块：此模块主要是显示接入站点调度交换机的运行状态和告警信息。简洁、直观的查看运行板件情况和具体故障点；③管理设置模块：此模块主要是接入的调度交换机站点连接参数设置、修改和权限管理。通过设置接口类型、串口、速率、IP 地址等参数，将站点配置到系统中；④信令分析模块：此模块主要对相应站点调度交换历史执行记录的查询、分析，通过对相应操作过程的查询，判断主机是否运行正常，及出现故障时，判断故障点；⑤数据监控模块：此模块主要进行相应站点调度交换主机内部数据的显示、修改，可以快捷定位到状态区、被叫区、性能区、呼叫类、被号指、被号区、主号区、连号区、系参表、中号表、2M 区、被换号、主换号、权限区、时隙区、收数区的相应数据位置；⑥维护分析模块：此模块主要进行相应站点调度交换主机各子系统设置数据的查询、修改、比较、设置和恢复，以及相应站点调度号码数据的查询、设置和分析；⑦登入与登出模块：此模块主要使用不同用户名、密码登陆或退出系统，通过后台对使用该系统的用户进行权限划分后，不同的用户名可以查看的信息、操作的范围各不相同。（2）远程控制软件设计。远程控制软件指的是一台计算机通过网络实现对另一台计算机设备进行远距离控制的软件，主要包括两个部分，即主控端程序、被控端程序，被控端的功能是通过屏幕、鼠标、键盘等将数据信息传送至主控端，主控端对被控端传输的数据信息进行云计算，并将数据信息展示给用户，用户通过主控端能够实现对被控端的远程控制，获得进程列表、窗口、图像等信息，通过操作键盘、移动鼠标等，对被控端程序进行中止、激活等远程操作。
2、调度交换机远程集中维护系统的硬件设计分析。（1）网络接口板设计。网络接口板控制系统主要由CPU处理器、系统总线接口、二次电源供电、网口处理器和网络接口组成，调度交换机通过系统总线或串行接口与CPU 处理器进行数据交互，CPU 接收主机数据，打包成TCP/UDP 数据包，经网口处理器调制后通过网络接口传输，网口处理器接收到的数据经CPU 解包验证后发送给主机，完成主机与网络间的数据交互。（2）客户端设计。调度机远端集中维护系统的客户端使用PC 机，可登陆到服务器进行数据查询和修改，并可显示各个调度机的实时状态和告警信息。（3）服务器设计。调度机远端集中维护系统的服务器采用“双机热备”的形式搭接，确保数据实现实时备份，有效预防数据丢失，保障了数据的连续性，实现了故障点转移。（4）接口设计。通过与TMS 系统研发人员沟通，服务器使用TCP 协议向TMS 系统发送配置和告警信息进行扩展呈现。接口功能包括：接入方式、接入性能、网络安全告警通知、配置同步、告警同步、历史性保留、安全管理以及用户权限认证。（5）调度交换机远程集中维护系统的调试应用实例，调度交换机远程集中维护系统的调试主要包括以下几个方面：①硬件连接，变电站以及组网的硬件主要包括软交换中继网关、调度录音机、调度交换机、以太网交换机等，通过调度录音机的串口和集中管理维护串口的互联，调度录音机和软交换中继网关管理维护串口的互联，最后将调度交换系统的以太网和调度录音机的网口互联；②安装软件，将软件系统安装在维护终端，并增加主控端、被控端，设置认证用户名、密码，然后将系统设计为开机自动启动被控端；③系统测试，在主控端输入用户名以及登录密码，进行安全认证，然后测试中继网关、录音机、调度机等是否正常运行，然后重新启动被控端，测试被控端是否能够开机自动启动。
设计和实现的软件系统已被使用在JKZ661型和JTU211型数字程控调度机上，已获国家电力公司的入网许可，也已获得信息产业部的入网许可证，并荣获科技进步三等奖。经过多年的实际运行，证明此操作系统具有稳定性好、可靠性高和实时性强的特点，可以充分满足电力系统通信及其他行业生产调度通信的要求。
参考文献：
[1]曾光奇，胡均安，UN IX操作系统教程，西安电子科技大学出版社，2015.
[2]赵连增，刘小芸.变电站调度交换设备远程集中维护方案研究[J].电力信息与通信技术，2015（3）.
[3]邓万里，陈伟昌.浅谈调度交换机及其应用技术[M].北京：清华大学出版社，2014.
论文作者:丁一1,刘效禹2,王雪3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/30
标签：进程论文; 系统论文; 模块论文; 消息论文; 交换机论文; 操作系统论文; 软件论文; 《电力设备》2017年第21期论文;