基于NOR Flash的智能電能表數(shù)據(jù)管理方法

王冠男 ，許金宇 ，熊 劍 ，左 勇

（1.南瑞集團（國網(wǎng)電力科學研究院）有限公司，南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

近年來，隨著智能電能表[1-2]的大規(guī)模普及，居民的用電體驗發(fā)生了天翻地覆的變化，為智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了有力支撐。

智能電能表已經(jīng)不僅僅是一種電能計量器具，同時還承擔著記錄電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)、異常用電情況判斷、用戶用電行為分析等多種角色。智能電能表的功能越來越豐富、越來越復雜，需要存儲的數(shù)據(jù)總量也越來越多，數(shù)據(jù)內(nèi)容的靈活性也越來越高，特別是《面向?qū)ο蟮挠秒娦畔?shù)據(jù)交換協(xié)議》[3]發(fā)布并使用以來，要求實現(xiàn)對事件、凍結(jié)類數(shù)據(jù)的靈活配置，存取方式也更加多變。因此，設(shè)計一種適用于智能電能表的數(shù)據(jù)管理方法就顯得非常的必要。

結(jié)合智能電能表數(shù)據(jù)的特性，在此提出一種適用于智能電能表（特別是支持DL/T698.45的智能電能表）的數(shù)據(jù)管理方法，實現(xiàn)對智能電能表數(shù)據(jù)的簡便、高效的存取。

1 智能電能表數(shù)據(jù)特性分析

目前，常用的智能電能表存儲芯片有3種，即FRAM，EEPROM 和 NOR Flash[4-5]。

其中，F(xiàn)RAM的空間最小，主要用于存儲數(shù)據(jù)變化最頻繁的電能量數(shù)據(jù)；EEPROM的空間適中，用于存儲需量、參數(shù)、關(guān)聯(lián)列表等變化頻率一般的數(shù)據(jù)；NOR Flash的空間最大，用于存儲事件、凍結(jié)等數(shù)據(jù)量較大且寫入后不會頻繁改變的數(shù)據(jù)[5]。FRAM和EEPROM[6]無需擦除，可直接對任意地址進行“寫”操作，且使用壽命較長，基本不需要對存儲數(shù)據(jù)進行特殊管理，但是其存儲容量較小且價格昂貴。NOR Flash[7]支持任意地址的訪問，在“寫”操作前必須進行擦除，一次性擦除范圍隨芯片特性而定，一般不小于4 kB，使用不夠便捷，需要對存儲數(shù)據(jù)進行有效管理，但是存儲容量較大且價格便宜。

基于這3種存儲芯片特性，在此僅討論對NOR Flash存儲數(shù)據(jù)（主要是事件、凍結(jié)數(shù)據(jù)）的管理方法。

以三相智能電能表為例，共有72類事件、13類凍結(jié)，共計85類數(shù)據(jù)需要存儲在NOR Flash，數(shù)據(jù)特點如下：①每類數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容可靈活配置；②每類數(shù)據(jù)可多次存儲，需按照規(guī)范定義的“保留次數(shù)”保留最近存儲的多次記錄（一般為最近10次）；③同類數(shù)據(jù)中，可根據(jù)數(shù)據(jù)存儲的先后順序進行查找讀取；④特殊數(shù)據(jù)分鐘凍結(jié)。產(chǎn)生特別頻繁（1次每 1 min）、保留次數(shù)特別巨大（20 d，共 28800次），占用空間特別巨大（至少3.6 MB），需要在存儲時特殊處理。

2 傳統(tǒng)智能電能表數(shù)據(jù)管理方法

2.1 方法簡介

將NOR Flash的最小擦除單元記為Sector，則傳統(tǒng)方法管理流程可描述如下：

步驟1根據(jù)每類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)大小，以Sector為單位，分別劃分固定的存儲區(qū)域。

步驟2為每類數(shù)據(jù)分別設(shè)置In，Out和Sum三個變量。其中，In始終指向“寫”操作地址；Out始終指向最早的1條記錄；Sum為當前實際存儲的數(shù)據(jù)記錄總次數(shù)。

步驟3盡可能多地為分鐘凍結(jié)分配Sector，以降低擦除頻率。寫數(shù)據(jù)時按照In指向的地址寫入。讀數(shù)據(jù)時根據(jù)Out和要讀取的數(shù)據(jù)順序編號來計算偏移地址，再讀取數(shù)據(jù)。擦除管理即當分配的存儲區(qū)無空閑時，擦除Out指向的Sector，同時更新In，Out和Sum的值。

2.2 特性分析

1）RAM占用。每類數(shù)據(jù)都要分配3個指針，85個文件共計占用約1 kB，對資源緊張的電表而言，RAM占用較大。

2）擦除頻率與磨損均衡性。產(chǎn)生頻繁的某類數(shù)據(jù)存儲區(qū)會擦除頻繁，不經(jīng)常產(chǎn)生的某些類數(shù)據(jù)存儲區(qū)則長時間處于空閑狀態(tài)。另外，若某種故障工況下導致某些事件頻繁產(chǎn)生，或者某類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大時，也會提高擦除頻率。整體而言，擦除頻率可控性較差，整片F(xiàn)lash的磨損均衡性也較差。

3）靈活性。每類數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域是預先固定的，當數(shù)據(jù)類型變化或Flash規(guī)格變化時，都需重新分配存儲區(qū)域，靈活性較差。

4）對分鐘凍結(jié)的處理。沒有特別的針對性措施，只能通過多分配Sector來降低分鐘凍結(jié)存儲區(qū)域的擦除頻率。

3 新型智能電能表數(shù)據(jù)管理方法

所提新型智能電能表數(shù)據(jù)管理方法結(jié)合智能電能表數(shù)據(jù)的特性，采用鏈表和重映射的概念思想，提高了訪問NOR Flash的科學性和靈活性，且資源占用低，數(shù)據(jù)存取便捷高效，適用于智能電能表。

3.1 NOR Flash分區(qū)設(shè)計

以Sector為單位，將NOR Flash劃分為鏈表區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)兩部分。鏈表區(qū)存放各類數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)的對應(yīng)存儲地址；數(shù)據(jù)區(qū)存放各類數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容。數(shù)據(jù)存取時，先在鏈表區(qū)查找該類數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)區(qū)的對應(yīng)存儲地址，再到數(shù)據(jù)區(qū)對該類數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容進行存取操作。

3.1.1 鏈表區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計

鏈表區(qū)由多個鏈表組成。為便于管理，每個鏈表大小可設(shè)置為與Sector相等，每類數(shù)據(jù)對應(yīng)各自的鏈表。因此，對于三相智能電能表，鏈表區(qū)大小為85個 Sector。

鏈表由鏈表單元Link組成。Link由1 B狀態(tài)標志和3 B數(shù)據(jù)地址組成。其中，狀態(tài)標志表示4種狀態(tài)，空閑、有效、可擦除、已擦除；數(shù)據(jù)地址表示該Link對應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)區(qū)的存放地址。鏈表區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鏈表區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Linked list area structurd sketch

3.1.2 數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計

除去鏈表區(qū)占用的空間，NOR Flash中的剩余空間為數(shù)據(jù)區(qū)。數(shù)據(jù)區(qū)由數(shù)據(jù)單元Data組成，為提高讀寫速率，一般Data大小等于Flash的頁大小。Data由1 B狀態(tài)標志、3 B串聯(lián)地址、1 B數(shù)據(jù)編號和數(shù)據(jù)具體內(nèi)容組成。其中，狀態(tài)標志與Link中的狀態(tài)標志保持一致；數(shù)據(jù)編號表示不同類型的數(shù)據(jù)；串聯(lián)地址一般為0，但若1個Data不足以存儲該類數(shù)據(jù)，則串聯(lián)地址存放下1個Data的地址。數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)區(qū)示意圖Fig.2 Data area structurd sketch

3.2 數(shù)據(jù)管理方法

在數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置Base，Dirty，Reserve和In四個指針。其中，Base為重映射指針，始終指向數(shù)據(jù)區(qū)邏輯地址0對應(yīng)的Sector（即數(shù)據(jù)存入最早的Sector）；Dirty指向待擦除的Sector；Reserve指向擦除備用的Sector；In指向待寫入的空閑Data。

寫數(shù)據(jù)時，在In指向的Data中寫入數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)大小超過Data，則查找下一個空閑Data繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)，直至文件數(shù)據(jù)寫完。同時Data中的狀態(tài)標志和串聯(lián)地址。完成后，在鏈表中查找空閑Link，更新Link中的狀態(tài)標志和數(shù)據(jù)地址。

讀數(shù)據(jù)時，根據(jù)該類數(shù)據(jù)鏈表中的數(shù)據(jù)地址在數(shù)據(jù)區(qū)讀取數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)占用多個Data，則按照Data中的串聯(lián)地址連續(xù)讀取，直至讀取到完整的數(shù)據(jù)。

鏈表擦除管理當某類數(shù)據(jù)的鏈表中沒有空閑Link時，擦除鏈表，保留狀態(tài)標志為有效的Link。

數(shù)據(jù)區(qū)擦除管理當數(shù)據(jù)區(qū)沒有空閑Data時，將Dirty指向的Sector中狀態(tài)標志為有效的Data轉(zhuǎn)移到Reserve指向的Sector中，然后擦除Dirty指向的Sector。

數(shù)據(jù)區(qū)指針維護初始化時，Base，Dirty指向起始 Sector；In指向起始 Data，Reserve指向尾部Sector。每次寫數(shù)據(jù)時，In按地址順序指向下一個Data。每次數(shù)據(jù)區(qū)擦除時，Dirty，Reserve按地址順序指向下一個Sector。當擦除前Dirty等于Base時，Base按地址順序指向上一個Sector。

數(shù)據(jù)管理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)管理流程Fig.3 Data manage ment flow chart

3.3 分鐘凍結(jié)特殊處理

由于分鐘凍結(jié)數(shù)據(jù)的保留次數(shù)特別巨大（28800次），若每個Link對應(yīng)一條數(shù)據(jù)記錄，則鏈表占用空間巨大，故需特殊處理——采用“分散式多級鏈表”的方法。

針對分鐘凍結(jié)數(shù)據(jù)，每60 min的數(shù)據(jù)共用1個Link（即每個整點數(shù)據(jù)建立1個Link），則鏈表中只需包含480個Link，并且為分鐘凍結(jié)的鏈表分配2個Sector（以4 kB為例，1個Sector可存放1024個Link），可充分滿足保留次數(shù)的要求。

在數(shù)據(jù)區(qū)，若Data存儲數(shù)據(jù)為分鐘凍結(jié)，則將Data尾部4 B作為分鐘凍結(jié)多級鏈表使用 （如圖4所示的虛線框內(nèi)）。其中，1 B為分鐘標志，表示當前Data存儲的分鐘凍結(jié)的具體分鐘數(shù)；3 B為跳轉(zhuǎn)地址，表示下一分鐘的分鐘凍結(jié)在數(shù)據(jù)區(qū)的存儲地址。將每小時60 min的數(shù)據(jù)分散在60個Data的跳轉(zhuǎn)地址中，從而實現(xiàn)分鐘凍結(jié)數(shù)據(jù)的存取。

數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)構(gòu)變化如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖（含分鐘凍結(jié)）Fig.4 Data area structural sketch（include minute freeze）

寫分鐘凍結(jié)數(shù)據(jù)時，與3.2節(jié)中寫數(shù)據(jù)流程相同。完成后，根據(jù)Link中的整點數(shù)據(jù)地址和Data中的跳轉(zhuǎn)地址，逐分鐘查找到上一分鐘所在的Data，將其跳轉(zhuǎn)地址更新為本次寫數(shù)據(jù)的Data地址。

讀分鐘凍結(jié)數(shù)據(jù)時，先根據(jù)小時數(shù)查找Link，再根據(jù)Data中的分鐘數(shù)和跳轉(zhuǎn)地址，逐分鐘查找，讀取具體某一分鐘的數(shù)據(jù)。

分鐘凍結(jié)鏈表擦除管理，即當鏈表中沒有空閑Link時，直接擦除較早的Sector，無需保留其中的有效Link。

3.4 特性分析

按照2.2節(jié)的4個方面與傳統(tǒng)方法進行對比，該方法具有以下突出優(yōu)點：

①RAM占用。通過設(shè)置4個指針，即完成數(shù)據(jù)區(qū)的存取和擦除管理，RAM占用極低。

②擦除頻率與磨損均衡性。每個鏈表可存儲1024條數(shù)據(jù)記錄，遠遠大于保留次數(shù)，根據(jù)電表實際應(yīng)用情況，使用壽命期間擦除次數(shù)幾乎為零。對于數(shù)據(jù)區(qū)，每個Sector按照地址順序循環(huán)寫入，循環(huán)擦除，磨損均衡性相等。

不再為每類數(shù)據(jù)分配固定的存儲區(qū)域，最大化對數(shù)據(jù)區(qū)進行使用，把擦除頻率降到最低。

③靈活性。當數(shù)據(jù)類型變化或Flash規(guī)格變化時，只需適當調(diào)整Link和Data的大小即可通用。

④對分鐘凍結(jié)的處理。通過對Link和Data的結(jié)構(gòu)進行微調(diào)，解決了鏈表占用過大和數(shù)據(jù)存儲區(qū)擦除過于頻繁的問題，無需刻意為分鐘凍結(jié)分配較多的存儲空間。

4 結(jié)語

通過分析智能電能表數(shù)據(jù)的特性以及傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方法存在的缺陷，并針對智能電能表的需求和目前存在的缺陷，獨立提出了一種新型的智能電能表數(shù)據(jù)管理方法。

該方法基于鏈表和重映射的概念思想，將NOR Flash劃分為鏈表區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)2部分，提高了訪問NOR Flash的科學性和靈活性，且資源占用低，數(shù)據(jù)存取便捷高效。該方法緊密結(jié)合智能電能表數(shù)據(jù)特性，通過設(shè)置4個指針，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)區(qū)的管理維護；通過巧妙的對Link和Data數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行微調(diào)，便解決分鐘凍結(jié)的問題；與傳統(tǒng)方法相比，在RAM占用、磨損均衡性和擦除頻率以及靈活性等方面都有很大的提高，希望對智能電能表的數(shù)據(jù)管理提供一些參考。