鄧廣昌　楊?lèi)傒x　李慧　張捷　陳愷妍

摘要：針對(duì)計(jì)量終端存在的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性和可靠性較差的問(wèn)題，基于EPON通信技術(shù)提出了一種計(jì)量自動(dòng)化終端的設(shè)計(jì)。該計(jì)量終端的設(shè)計(jì)采用雙光模塊的通訊接口設(shè)計(jì)，以支持EPON通信組網(wǎng)形式，并采用單片機(jī)和專(zhuān)用計(jì)量芯片的硬件設(shè)計(jì)，以提高計(jì)量終端的使用可靠性和低功耗性能。配合實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)計(jì)量終端的軟件系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)了電能自動(dòng)計(jì)量、數(shù)據(jù)上傳、終端狀態(tài)監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等功能。最后通過(guò)性能測(cè)試證明，該計(jì)量終端具有良好的數(shù)據(jù)通信效率和可靠性，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵字：EPON;ONU;計(jì)量終端;光纖通信;電力通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，基于光纖通信的電力三網(wǎng)融合業(yè)務(wù)正在逐步展開(kāi)。目前多數(shù)IIOKV變電站至小區(qū)配電站的光纜建設(shè)已經(jīng)完成，EPON設(shè)備能夠通過(guò)光纜連接電力公司綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的[1]。因此利用已經(jīng)成熟的光纖通信資源和EPON通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)用計(jì)量自動(dòng)化終端的高效率接人，提高計(jì)量數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性成為必然趨勢(shì)。相對(duì)于其他通訊技術(shù)手段光纖通信方式具有更快的傳輸速率和更好數(shù)據(jù)的安全性。由于處于電網(wǎng)供配電以及數(shù)據(jù)采集的末端的計(jì)量終端數(shù)量巨大且分布面廣，顯然難以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式進(jìn)行組網(wǎng)。基于通信性能與成本核算的平衡考慮，采用EPON通信技術(shù)對(duì)計(jì)量自動(dòng)化終端進(jìn)行組網(wǎng)逐漸成為被廣泛接收的最優(yōu)選擇[2-3]。文獻(xiàn)[4]面向電網(wǎng)終端計(jì)量，基于雙向計(jì)量與設(shè)備監(jiān)控的實(shí)際需求，提出了一種包括光纖通信接口在內(nèi)的多接口的具備智能電表和智能終端的多用途終端設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5]采用配用點(diǎn)專(zhuān)用ONU芯片，結(jié)合計(jì)量自動(dòng)化通信技術(shù)，提出一種嵌入式配電光通信終端的設(shè)計(jì)方案，并在設(shè)計(jì)充分考慮了配電信息安全問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)上述研究成果的總結(jié)，基于光纖通信原理、現(xiàn)有設(shè)備和計(jì)量自動(dòng)化業(yè)務(wù)功能原理，采用E-PON通信技術(shù)，結(jié)合計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的通信需求，進(jìn)行計(jì)量自動(dòng)化終端的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)電能自動(dòng)計(jì)量、數(shù)據(jù)上傳、終端狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及人機(jī)交互等功能的基礎(chǔ)，提升數(shù)據(jù)通信的速度和可靠性，實(shí)現(xiàn)終端電力數(shù)據(jù)智能采集和高效上傳的目的。

1 計(jì)量終端的設(shè)計(jì)需求

目前計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)由主站、通信網(wǎng)、計(jì)量終端以及電表組成[6]。計(jì)量終端實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電表電量信息的集中采集，然后通過(guò)電力通信網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳到主站系統(tǒng)，為電力電能決策部門(mén)提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電力計(jì)量的自動(dòng)化過(guò)程[7]。

為支撐計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)諸多功能的實(shí)現(xiàn)，計(jì)量自動(dòng)化終端應(yīng)當(dāng)具備計(jì)量功能、監(jiān)測(cè)與通信功能、人機(jī)交互管理等功能，還應(yīng)具備設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能[8]。針對(duì)計(jì)量自動(dòng)化終端的設(shè)計(jì)，本文著重研究和實(shí)現(xiàn)以下問(wèn)題：

（1）采用EPON（Etherent Passive Optical Net-work）通信技術(shù)，保證數(shù)據(jù)能夠高效、準(zhǔn)確傳輸。

（2）有效實(shí)現(xiàn)對(duì)終端用戶(hù)的電能自動(dòng)計(jì)量、用電監(jiān)測(cè)以及計(jì)量終端的狀態(tài)檢測(cè)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件架構(gòu)

依據(jù)設(shè)計(jì)需求，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)案列，計(jì)量自動(dòng)化終端采用MCU作為系統(tǒng)控制核心，輔以專(zhuān)用計(jì)量芯片的硬件架構(gòu)[9]。該架構(gòu)主要由計(jì)量模塊，CAN總線(xiàn)、存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1中，安全模塊包括保證實(shí)現(xiàn)安全認(rèn)證的ESAM電路以及保證終端可靠工作的掉電保護(hù)電路;為了保證計(jì)量終端的適用性，計(jì)量模塊包含三相計(jì)量電路和單相計(jì)量電路。人機(jī)交互模塊中設(shè)計(jì)了用于顯示基本信息的觸摸屏模塊，此外還提供基本的顯示功能、喚醒、切換等操作。存儲(chǔ)模塊提供用于配置信息、事件記錄、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史記錄的存儲(chǔ)空間。通訊模塊主要由EPON通信單元組成。

2.2 計(jì)量模塊

為保證計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，計(jì)量模塊采用功能成熟的專(zhuān)用電能計(jì)量芯片。本設(shè)計(jì)使用四片CS5460實(shí)現(xiàn)四路電量信號(hào)的分時(shí)采集。CS5460的運(yùn)用可在實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的高精度采集和轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上使得電路變得更加精簡(jiǎn)，以有效減少系統(tǒng)功耗[1O-11]。

CS5460是一種專(zhuān)用電能計(jì)量芯片，由一個(gè)可編程增益放大器、兩個(gè)16位分辨率2kHz信號(hào)帶寬并同時(shí)取樣的ADC組成。該芯片有高通濾波、數(shù)字濾波、系統(tǒng)校準(zhǔn)以及相位補(bǔ)償?shù)裙δ?，具有完成轉(zhuǎn)換精度高、測(cè)量能量強(qiáng)、線(xiàn)路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠充分滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求[12-13]。

2.3 通訊模塊

將目前市場(chǎng)已有的通用ONU、OLT產(chǎn)品集成到計(jì)量自動(dòng)化終端的通訊模塊中，會(huì)存在抗干擾能力差、功耗高、性?xún)r(jià)比低、數(shù)據(jù)安全難以保證等問(wèn)題[14-15]。為此，本方案設(shè)計(jì)了嵌入式ONU電路方案，原理如圖2所示。

為支持EPON的環(huán)形、鏈形及分支等組網(wǎng)形式，計(jì)量終端ONU電路采用2片ONU芯片、2個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)。此外ONU電路還包含加密電路、控制電路、交換電路及與接口電路等部分。

在在計(jì)量終端的ONU電路中終下行和上行數(shù)據(jù)都由交換電路調(diào)度，并通過(guò)控制模塊設(shè)置兩個(gè)光口的主從關(guān)系。通訊模塊的數(shù)據(jù)處理過(guò)程可描述如下：

1）主站與計(jì)量終端的通信數(shù)據(jù)經(jīng)由控制電路進(jìn)行判斷是否為需加、解密操作;

2）具體加、解密操作的算法和密鑰交互由MCU負(fù)責(zé)與主站進(jìn)行協(xié)調(diào);

3）MCU與ONU電路只進(jìn)行應(yīng)用層數(shù)據(jù)報(bào)文通信。

2.4 存儲(chǔ)和人機(jī)交互模塊

外設(shè)存儲(chǔ)器包括一片2M x16 -bit的NorFLASH和一片IMx16-bit的PSRAM。復(fù)用MCU的外設(shè)存儲(chǔ)器總線(xiàn)，工作頻率為125Mhz。MCU的FLASH模塊和PSRAM模塊公用外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)，因此，在PCB中存在大量的分支走線(xiàn)。為防止信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)分支反射，存儲(chǔ)模塊采用菊花鏈布線(xiàn)方式。通過(guò)這種方式的布線(xiàn)能夠有效可知分支長(zhǎng)度，使得信號(hào)的上升邊不至于被掩蓋，提高設(shè)備的工作可靠性。

計(jì)量自動(dòng)化終端采用DGUS觸摸屏作為人機(jī)交互的載體。DGUS觸摸屏內(nèi)部有自己的處理器、寄存器、存儲(chǔ)區(qū)等，顯示的內(nèi)容與操作模式都是基于預(yù)先配置好的變量文件，配置文件通過(guò)DGUS組態(tài)軟件生成，用SD卡下載到DGUS屏中。當(dāng)DGUS屏接收到單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令時(shí)，就根據(jù)命令和預(yù)先配置的模式對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行顯示。DGUS觸摸屏的使用使得人機(jī)交互設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)計(jì)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能分離開(kāi)來(lái)，減少M(fèi)CU的代碼量，降低了人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)的難度，為開(kāi)發(fā)帶來(lái)了便利。

3 軟件設(shè)計(jì)

計(jì)量自動(dòng)化終端對(duì)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求較高，選用μLC/OS II作為操作系統(tǒng)，將計(jì)量操作、通訊操作以及存儲(chǔ)操作獨(dú)立成線(xiàn)程，依據(jù)其優(yōu)先級(jí)由系統(tǒng)調(diào)用。

3.1 總體流程

計(jì)量自動(dòng)化終端的主要任務(wù)為電能計(jì)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互以及和主站的通信[16]。因此將上述幾個(gè)功能分割成獨(dú)立線(xiàn)程，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的主流程中由不同優(yōu)先級(jí)的中斷分別調(diào)用。為了保證實(shí)時(shí)性要求不同的線(xiàn)程都能得到及時(shí)處理，需要對(duì)不同的線(xiàn)程設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)[17]。

看門(mén)狗等保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的線(xiàn)程獲得最高的優(yōu)先級(jí)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線(xiàn)程需要處理掉電數(shù)據(jù)應(yīng)急保存等實(shí)時(shí)要求高的操作，因此設(shè)定為僅次于看門(mén)狗的優(yōu)先級(jí)。通信線(xiàn)程需要處理主站發(fā)送操作命令，而為人機(jī)交互的流暢性，因此這兩個(gè)線(xiàn)程的優(yōu)先級(jí)被設(shè)定高于計(jì)量線(xiàn)程。優(yōu)先級(jí)的具體設(shè)置如圖3所示。

在完成優(yōu)先級(jí)設(shè)定的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化，并在系統(tǒng)空閑線(xiàn)程中依據(jù)優(yōu)先級(jí)響應(yīng)各個(gè)線(xiàn)程中斷請(qǐng)求。軟件總體流程如圖4所示。

3.2 計(jì)量線(xiàn)程

計(jì)量線(xiàn)程的主要工作是在完成對(duì)計(jì)量芯片的初始化的基礎(chǔ)上，周期讀取計(jì)量芯片集成的寄存器數(shù)據(jù)，并向主線(xiàn)程發(fā)送中斷請(qǐng)求。在計(jì)量中斷處理線(xiàn)程中，對(duì)計(jì)量中斷存儲(chǔ)單元中的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)更新，為主線(xiàn)程提供實(shí)時(shí)的計(jì)量數(shù)據(jù)。

計(jì)量線(xiàn)程的較表操作是在計(jì)量終端的操作指令下對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，并將較正后參數(shù)存儲(chǔ)在計(jì)量終端的外存儲(chǔ)器中以備下次較表使用。計(jì)量流程如圖5所示。

3.3 通信線(xiàn)程

計(jì)量終端的ONU模塊上電后需要與主站建立連接，才能夠完成數(shù)據(jù)通信。主站運(yùn)行的計(jì)量自動(dòng)化軟件于服務(wù)監(jiān)聽(tīng)模式，計(jì)量終端的ONU模塊采用TCP協(xié)議主動(dòng)發(fā)起socket連接，完成連接后依據(jù)376.1通訊協(xié)議進(jìn)行握手操作，完成握手操作后主站與計(jì)量終端的通訊鏈路正式建立。流程如圖6所示。

由中斷線(xiàn)程觸發(fā)的光口通信線(xiàn)程接收、提取主站發(fā)送的376.1數(shù)據(jù)幀，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)幀中的操作命令的識(shí)別，分別完成在線(xiàn)抄表、數(shù)據(jù)上傳、參數(shù)配置等操作，并把操作完成的數(shù)據(jù)打包成376.1數(shù)據(jù)幀通過(guò)socket鏈路回傳給主站。具體通信流程如圖7所示。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線(xiàn)程

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線(xiàn)程圖如圖8所示。該線(xiàn)程主要實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量終端的基本參數(shù)、電能信息和用戶(hù)用電信息等數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，同時(shí)在掉電和上電時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)恢復(fù)操作。同時(shí)該線(xiàn)程還對(duì)計(jì)量終端的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

4 性能測(cè)試

4.1 通信性能測(cè)試

完成計(jì)量自動(dòng)化終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)后，選取具有代表性的以太網(wǎng)性能測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)方案的通訊性能進(jìn)行分析。測(cè)試配置如圖9所示。

將計(jì)量自動(dòng)化終端的數(shù)據(jù)端口與流量發(fā)射器連接，進(jìn)行300s吞吐量測(cè)試和背靠背測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，計(jì)量終端數(shù)通信正常，吞吐量最大能夠達(dá)到30Mbyte/s。吞吐量隨著數(shù)據(jù)幀的變大而逐漸變小，最小值為16 Mbyte/s。顯然這樣的吞吐量能夠充分滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

通信時(shí)延測(cè)試時(shí)間為10分鐘，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，計(jì)量終端隨著幀的變大，響應(yīng)時(shí)延有所增加，但是即使在惡劣的通信負(fù)擔(dān)的情形下，時(shí)延仍能夠控制在50 μs以?xún)?nèi)，足以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求。在測(cè)試計(jì)量終端通信功能正常，沒(méi)有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，有著較好的通信可靠性。

5.2 計(jì)量精度測(cè)試

首先對(duì)計(jì)量芯片CS5460內(nèi)部各個(gè)寄存器進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將較玩后計(jì)算出的電壓電流有效值偏移量、電壓電流增益、有功增益、相位偏移、無(wú)功增益等參數(shù)寫(xiě)入MCU。完成校正操作后，利用計(jì)量裝置的脈沖輸出對(duì)計(jì)量精度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為：外加電源的電壓，功率因數(shù)依次為0.5L、0.8C、1.OL，輸出電流依次為O.11n、0.41n、0.71n、1.OIn。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表3所示數(shù)據(jù)可知，本文所設(shè)計(jì)的計(jì)量自動(dòng)化終端的計(jì)量精度能夠符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

以計(jì)量自動(dòng)化終端的需求為基礎(chǔ)，基于EPON通心技術(shù)，采用MCU核心，設(shè)計(jì)了支持光口通訊、具備自動(dòng)電能計(jì)量和數(shù)據(jù)上傳功能的計(jì)量終端的設(shè)計(jì)。在計(jì)量終端的軟件設(shè)計(jì)中，采用μcios II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)計(jì)量線(xiàn)程、通訊線(xiàn)程、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線(xiàn)程的獨(dú)立設(shè)計(jì)，使得計(jì)量終端的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通訊功能的實(shí)時(shí)性能更加凸顯。通過(guò)性能測(cè)試表明，該計(jì)量終端的設(shè)計(jì)具有優(yōu)異的通訊性能，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。從軟件和硬件設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了計(jì)量自動(dòng)化終端基于EPON的通信，但是沒(méi)有對(duì)針對(duì)電力計(jì)量系統(tǒng)通信特點(diǎn)進(jìn)行通訊協(xié)議的優(yōu)化，下一步將在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上繼續(xù)對(duì)通訊協(xié)議進(jìn)行解析和優(yōu)化，以期實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

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