協議互轉化智能EPON光模塊的研究*

趙安新，廖曉群，馬 莉

(1.西安科技大學網絡中心，西安710054;2.西安科技大學通信與信息工程學院，西安710054)

隨著寬帶在中國的建設和智慧城市的實施，國家電網在十二五規劃中把智能電網列為重點，計劃十二五期間進入全面建設階段，發展光纖到戶FTTH(Fiber To the Home)，逐步實現家用電器聯網應用［1-3］。作為光纖傳輸網絡的一種技術無源光網絡PON(Passive Optical Network)的由來已久，該技術具有節省光纖資源、網絡協議透明等優勢，在光接入網中扮演著重要的角色［4-5］。同時，以太網(Ethernet)技術以其簡便實用，成為承載IP數據包的最佳載體。隨著IP業務干線傳輸中所占的比例不斷攀升，以太網也在通過傳輸速率、可管理性等方面的改進，逐漸向接入、城域甚至骨干網上滲透。而以太網與PON的結合，便產生了以太網無源光網絡EPON(Ethernet Passive Optical Network)。具備了以太網和PON的優點，正成為光接入網領域中的熱門技術［6-7］。本文根據網絡接入的需求，采用EPON芯片，開發智能光網絡單元ONU(Optical Network Unit)，實現智能家電網絡接入模塊。在文中以國家電網實施智能電網為例，實現DL/T645《多功能電能表通信協議》和Q/GDW376.1《主站與采集終端通信協議》互轉化功能，使得無需更換電能表，在電能表上加裝智能模塊即可實現終端的網絡接入。

1 智能EPON光模塊的設計及選型

1.1 智能EPON光模塊的需求分析

智能電表作為智能電網互動性良好的媒介及物聯網終端的接入點，在智能電網建設中發揮著不可替代的作用，如何設計并實現負荷控制、網關和強大的通信功能，解決用戶智能用電費控及負控到戶，與電力用戶實時互動，解決配電側網配電側信息采集系統全采集，全覆蓋，并使遠程集抄系統及家用電器上網的一大難題［8-9］。現行的DL/T645《多功能電能表通信規約》(DL/T645規約)已經實施將近10年，存在如耗費大量人力、對抄讀上來的數據管理不便、對人為竊電應對遲緩等弊端，而IC卡電表也不能滿足管理部門及時了解電網負荷情況的要求。因此，國網公司制定Q/GDW 376.1—2009《電力用戶用電信息采集系統》(Q/GDW 376.1規約)，為實現雙向互動的要求，規范用電信息采集系統采集終端、通信協議等。而目前，大部分信息采集都是基于DL/T645通信規約，如果推廣Q/GDW 376.1規約，需要大面積更換原有終端。所以，本文提出一種基于EPON技術的用電信息采集系統，實現Q/GDW 376.1規約與DL/T645規約之間的智能轉換。

1.2 智能EPON光模塊的流程設計

ONU光通信模塊是上位機程序通過OLT設備訪問智能終端以及智能終端接入網絡的關卡，由于每個智能終端的通信協議不一致，需要在ONU光通信模塊中內置協議轉換程序使得雙向數據幀的解析，數據幀格式的轉換，包括2種協議數據幀之間的映射，以及相關數據字段和數據項的轉換，數據項標識的轉換等。整個處理過程如圖1所示，ONU響應上位機建立連接和數據交互的請求;經過協議轉換之后，對智能終端的建立連接和數據交互的請求。OLT與ONU端通信通過TCP/IP網絡通信協議，ONU端與智能終端一般采用串口通信。

1.3 智能EPON光模塊的技術選型

目前市面上EPON芯片比較多，我們根據課題需要和以后擴展，通過對比普然公司OPL_06750、OPL_06752嵌入式芯片和Qualcomm公司QCA8829芯片，在綜合考慮功耗、成本、性能以及尺寸等方面因素，選用QCA8829芯片作為主控芯片，該芯片具備的超低能耗，支持北美以太網開通有線電纜數據服務接口DPoE(DOCSIS?Provisioning of Ethernet)1.0規范、IEEE 802.3ah EPON規范、國家電網EPON規范和中國電信(CTC)EPON規范。Flash選擇Macronix公司的32 Mbits flash MX25L3205D，該芯片有sop封裝和pdip封裝。RS-232收發器使用sipex生產的SP385ECA，通信速度可達120 kbit/s。電源芯片采用MPS公司的MP1484可將4.75 V到23 V的電壓轉換成為3.3 V，輸出電流可達3 A，而板上需要的電流不會大于2 A?？撮T狗芯片采用Max706SESA監控芯片，能夠監控電源電壓、微控器工作狀態、手動復位等功能。

圖1 EPON光模塊處理流程

2 智能電能表ONU協議互轉換設計與實現

2.1 協議互轉換流程設計

設計目標是通過在現有支持DL/T645電能計費裝置中添加規約轉換的嵌入式模塊，使得電能計費裝置能應用于Q/GDW 376.1通信規約環境中，可以使電能計費裝置與符合Q/GDW 376.1通信規約的基于EPON技術用電信息采集系統的通信，系統框圖如圖2所示。

圖2 協議互轉化系統框圖

ONU實現的核心是在光網絡單元(ONU)中完成DL/T645規約與Q/GDW376.1規約的相互轉換。ONU一方面作為主站，收集基于DL/T645規約用戶電能表的信息;另一方面，又充當服務器，負責接收Q/GDW 376.1通信規約的數據信息，為光線路終端(OLT)提供服務。這兩種規約具有不同的數據結構和信息模型。因此，下行要將Q/GDW 376.1規約的請求數據，按DL/T645規約定義的數據幀格式重新定義組合;并要將DL/T645規約上傳的數據，按Q/GDW 376.1規約定義的數據幀格式重新定義組合。規約轉換的主要工作，可分為3個部分:(1)規約的接收和解析，Q/GDW 376.1規約報文通過以太網通信方式接收，然后解析出應用功能碼AFN、Fn的值、數據單元等信息，DL/T645規約報文通過串口通信方式接收，然后解析出被抄讀電能表的真實數據。(2)DL/T645規約和Q/GDW 376.1規約幀的重組和發送，根據DL/T645規約和Q/GDW 376.1規約中幀格式的定義，重組兩規約的數據幀，并通過串口或以太網發送出去。(3)應用功能數據的映射與格式轉化，將解析完成的電能表信息向相應的數據結構映射，并實現數據格式的轉換。處理流程如下:自無源光網絡通過TCP/IP通信方式獲取到符合376.1協議幀數據包，首先對其進行幀正確性判定處理(包括起始位68H、長度L、控制域C、地址域A、鏈路用戶數據、校驗和 CS、結束符68H判定)不正確則放棄此幀，正確則進行376.1協議幀鏈路用戶數據域處理，判定數據應用類型，無法識別則回復否認幀，有對應類型則判定屬于哪類應用類型，若需要向智能終端做請求，則判斷應用類型是否與645協議對應，無對應類型則上發否認幀處理，有對應類型則按照請求類型組成符合645協議的數據幀，通過串口發送至電能表，之后電能表回復數據，獲取到符合645協議的數據幀，首先進行645協議幀信息處理(包括起始位68H、地址域A、數據域DATA、數據長度L、校驗和CS、結束符68H判定)判斷幀信息不正確則丟棄，正確若電表異常應答則上行回復否認幀，正常應答則對645數據幀數據域處理，判定是否有對應應用類型，無則丟棄不作處理，有則組成符合376.1幀格式數據幀上發送至OLT，即完成一次數據協議轉換的整個過程。

2.2 硬件基本組成

該部分主要由處理器芯片(QCA8829)、啟動加載Flash、RS-232收發器、電源芯片、看門狗芯片等幾部分組成，組成如圖3所示。UART(RS232)的任務是與電腦相連實現對系統、規約轉換軟件做控制和調試;SPI FLASH是用來存儲本設計所用操作系統和轉換模塊的應用程序;EJTAG是對軟硬件進行調試;Uart2與電能表相連，完成向電能表發送Q/GDW 376.1規約轉換符合DL/T645規約的數據幀和接收電能表發來的符合DL/T645規約的數據幀，實現 ONU與電能表的通信;SFF Optical Module是本系統的光收發接口，完成接收OLT發來符合Q/GDW 376.1規約的數據幀和發送DL/T645規約轉換的符合Q/GDW 376.1規約的數據幀，實現ONU與OLT之間的通信。

圖3 硬件組成

2.3 測試環境及結果

在實驗室環境搭建了整個光通路過程，系統測試環境如圖4組成實驗線路連接方式:網絡線路連接局端OLT的G6口，單模光纖一端與OLT的PON2口連接，一端與無源分光器IN1口相連，另一條單模光纖從OUT1口連接，連接至光纖模塊光纖接口，光纖模塊與智能電能表以5 V TTL電平相連接，而且通過DB9-USB轉換線與PC機連接，此時PC機可作為控制臺平臺，運用SecureCRT去操作光纖模塊實驗板系統以及使用國標376.1采集終端后臺v2.6.2模擬OLT下發376.1協議數據包。

本設計主要針對ONU光模塊重要性能指標功耗做了測試，使用E3631直流電源給實驗板供12 V電壓，電流值顯示為150 mA，計算功耗值約1.8 W＜2 W。結果符合表1功耗要求，性能很好。ONU光模塊符合YD/T 1475—2006中8所涉及ONU的功能要求及基本傳輸性能要求，模塊上行通信協議符合Q/GDW 376.1—2009及備案文件的相關要求，對表端的通信協議遵循DL/T 645—2007協議及其備案文件。模塊遠程通信采用1路SC接口，上行工作波長使用1 260 nm～1 360 nm，下行工作波長使用1 480 nm～1 500 nm，符合各項要求。

圖4 系統測試環境

表1 功耗等級測試列表

3 結束語

針對我國光纖到戶的建設，智能電網現狀，提出了采用嵌入式系統開發技術，在Linux2.6.x系統內核平臺上，基于美國Qualcomm公司QCA8829嵌入式芯片采用可接入EPON系統的光纖接口技術，實現了智能光模塊ONU，可以實現配電側信息全采集，全覆蓋，并使遠程費控及負控到戶，使得智能終端可以借助于此ONU模塊接入網絡。最后以DL/T645—2007規約和Q/GDW376.1—2009規約互換化為列，實現了該兩個協議的互轉化功能，使得上位機可以通過EPON網絡采集電表側信息，同時對電能表進行實時監測，互動。

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