基于EPON通信技術的計量自動化終端的設計與實現

鄧廣昌　楊悅輝　李慧　張捷　陳愷妍

摘要：針對計量終端存在的數據通信實時性和可靠性較差的問題，基于EPON通信技術提出了一種計量自動化終端的設計。該計量終端的設計采用雙光模塊的通訊接口設計，以支持EPON通信組網形式，并采用單片機和專用計量芯片的硬件設計，以提高計量終端的使用可靠性和低功耗性能。配合實時操作系統，對計量終端的軟件系統進行了優化設計，使其實現了電能自動計量、數據上傳、終端狀態監測、人機交互等功能。最后通過性能測試證明，該計量終端具有良好的數據通信效率和可靠性，能夠滿足設計要求。

關鍵字：EPON;ONU;計量終端;光纖通信;電力通信

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

隨著通訊技術的發展，基于光纖通信的電力三網融合業務正在逐步展開。目前多數IIOKV變電站至小區配電站的光纜建設已經完成，EPON設備能夠通過光纜連接電力公司綜合數據網進行數據交互的[1]。因此利用已經成熟的光纖通信資源和EPON通信技術實現用計量自動化終端的高效率接人，提高計量數據采集的穩定性和可靠性成為必然趨勢。相對于其他通訊技術手段光纖通信方式具有更快的傳輸速率和更好數據的安全性。由于處于電網供配電以及數據采集的末端的計量終端數量巨大且分布面廣，顯然難以采用點對點方式進行組網。基于通信性能與成本核算的平衡考慮，采用EPON通信技術對計量自動化終端進行組網逐漸成為被廣泛接收的最優選擇[2-3]。文獻[4]面向電網終端計量，基于雙向計量與設備監控的實際需求，提出了一種包括光纖通信接口在內的多接口的具備智能電表和智能終端的多用途終端設計。文獻[5]采用配用點專用ONU芯片，結合計量自動化通信技術，提出一種嵌入式配電光通信終端的設計方案，并在設計充分考慮了配電信息安全問題。

通過對上述研究成果的總結，基于光纖通信原理、現有設備和計量自動化業務功能原理，采用E-PON通信技術，結合計量自動化系統的通信需求，進行計量自動化終端的優化設計，在實現電能自動計量、數據上傳、終端狀態監測以及人機交互等功能的基礎，提升數據通信的速度和可靠性，實現終端電力數據智能采集和高效上傳的目的。

1 計量終端的設計需求

目前計量自動化系統由主站、通信網、計量終端以及電表組成[6]。計量終端實現對多個電表電量信息的集中采集，然后通過電力通信網絡把數據上傳到主站系統，為電力電能決策部門提供準確實時的原始數據，實現電力計量的自動化過程[7]。

為支撐計量自動化系統諸多功能的實現，計量自動化終端應當具備計量功能、監測與通信功能、人機交互管理等功能，還應具備設備狀態監測的功能[8]。針對計量自動化終端的設計，本文著重研究和實現以下問題：

（1）采用EPON（Etherent Passive Optical Net-work）通信技術，保證數據能夠高效、準確傳輸。

（2）有效實現對終端用戶的電能自動計量、用電監測以及計量終端的狀態檢測。

2 硬件設計

2.1 硬件架構

依據設計需求，結合相關設計案列，計量自動化終端采用MCU作為系統控制核心，輔以專用計量芯片的硬件架構[9]。該架構主要由計量模塊，CAN總線、存儲模塊、人機交互模塊等構成，如圖1所示。

圖1中，安全模塊包括保證實現安全認證的ESAM電路以及保證終端可靠工作的掉電保護電路;為了保證計量終端的適用性，計量模塊包含三相計量電路和單相計量電路。人機交互模塊中設計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。存儲模塊提供用于配置信息、事件記錄、數據存儲、歷史記錄的存儲空間。通訊模塊主要由EPON通信單元組成。

2.2 計量模塊

為保證計量數據的準確，計量模塊采用功能成熟的專用電能計量芯片。本設計使用四片CS5460實現四路電量信號的分時采集。CS5460的運用可在實現對模擬信號的高精度采集和轉換的基礎上使得電路變得更加精簡，以有效減少系統功耗[1O-11]。

CS5460是一種專用電能計量芯片，由一個可編程增益放大器、兩個16位分辨率2kHz信號帶寬并同時取樣的ADC組成。該芯片有高通濾波、數字濾波、系統校準以及相位補償等功能，具有完成轉換精度高、測量能量強、線路簡單等優點，能夠充分滿足本設計的需求[12-13]。

2.3 通訊模塊

將目前市場已有的通用ONU、OLT產品集成到計量自動化終端的通訊模塊中，會存在抗干擾能力差、功耗高、性價比低、數據安全難以保證等問題[14-15]。為此，本方案設計了嵌入式ONU電路方案，原理如圖2所示。

為支持EPON的環形、鏈形及分支等組網形式，計量終端ONU電路采用2片ONU芯片、2個光電轉換模塊的設計。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。

在在計量終端的ONU電路中終下行和上行數據都由交換電路調度，并通過控制模塊設置兩個光口的主從關系。通訊模塊的數據處理過程可描述如下：

1）主站與計量終端的通信數據經由控制電路進行判斷是否為需加、解密操作;

2）具體加、解密操作的算法和密鑰交互由MCU負責與主站進行協調;

3）MCU與ONU電路只進行應用層數據報文通信。

2.4 存儲和人機交互模塊

外設存儲器包括一片2M x16 -bit的NorFLASH和一片IMx16-bit的PSRAM。復用MCU的外設存儲器總線，工作頻率為125Mhz。MCU的FLASH模塊和PSRAM模塊公用外部數據總線和地址總線，因此，在PCB中存在大量的分支走線。為防止信號在傳輸過程中出現分支反射，存儲模塊采用菊花鏈布線方式。通過這種方式的布線能夠有效可知分支長度，使得信號的上升邊不至于被掩蓋，提高設備的工作可靠性。

計量自動化終端采用DGUS觸摸屏作為人機交互的載體。DGUS觸摸屏內部有自己的處理器、寄存器、存儲區等，顯示的內容與操作模式都是基于預先配置好的變量文件，配置文件通過DGUS組態軟件生成，用SD卡下載到DGUS屏中。當DGUS屏接收到單片機發送過來的命令時，就根據命令和預先配置的模式對相關變量進行顯示。DGUS觸摸屏的使用使得人機交互設計與數據計量、數據存儲以及網絡通信等功能分離開來，減少MCU的代碼量，降低了人機交互界面設計的難度，為開發帶來了便利。

3 軟件設計

計量自動化終端對數據采集、數據處理的實時性要求較高，選用μLC/OS II作為操作系統，將計量操作、通訊操作以及存儲操作獨立成線程，依據其優先級由系統調用。

3.1 總體流程

計量自動化終端的主要任務為電能計量、數據存儲、人機交互以及和主站的通信[16]。因此將上述幾個功能分割成獨立線程，在實時操作系統的主流程中由不同優先級的中斷分別調用。為了保證實時性要求不同的線程都能得到及時處理，需要對不同的線程設置不同的優先級[17]。

看門狗等保證系統安全運行的線程獲得最高的優先級。數據存儲線程需要處理掉電數據應急保存等實時要求高的操作，因此設定為僅次于看門狗的優先級。通信線程需要處理主站發送操作命令，而為人機交互的流暢性，因此這兩個線程的優先級被設定高于計量線程。優先級的具體設置如圖3所示。

在完成優先級設定的基礎上，對系統的各個參數進行初始化，并在系統空閑線程中依據優先級響應各個線程中斷請求。軟件總體流程如圖4所示。

3.2 計量線程

計量線程的主要工作是在完成對計量芯片的初始化的基礎上，周期讀取計量芯片集成的寄存器數據，并向主線程發送中斷請求。在計量中斷處理線程中，對計量中斷存儲單元中的電能數據進行及時更新，為主線程提供實時的計量數據。

計量線程的較表操作是在計量終端的操作指令下對校準數據進行自動計算，并將較正后參數存儲在計量終端的外存儲器中以備下次較表使用。計量流程如圖5所示。

3.3 通信線程

計量終端的ONU模塊上電后需要與主站建立連接，才能夠完成數據通信。主站運行的計量自動化軟件于服務監聽模式，計量終端的ONU模塊采用TCP協議主動發起socket連接，完成連接后依據376.1通訊協議進行握手操作，完成握手操作后主站與計量終端的通訊鏈路正式建立。流程如圖6所示。

由中斷線程觸發的光口通信線程接收、提取主站發送的376.1數據幀，并通過對數據幀中的操作命令的識別，分別完成在線抄表、數據上傳、參數配置等操作，并把操作完成的數據打包成376.1數據幀通過socket鏈路回傳給主站。具體通信流程如圖7所示。

3.4 數據存儲線程

數據存儲線程圖如圖8所示。該線程主要實現對計量終端的基本參數、電能信息和用戶用電信息等數據的讀寫操作，同時在掉電和上電時進行數據存儲和數據恢復操作。同時該線程還對計量終端的當前運行狀態進行實時記錄。

4 性能測試

4.1 通信性能測試

完成計量自動化終端的設計與實現后，選取具有代表性的以太網性能測試對設計方案的通訊性能進行分析。測試配置如圖9所示。

將計量自動化終端的數據端口與流量發射器連接，進行300s吞吐量測試和背靠背測試。測試結果如表1所示。

由測試結果可以看出，計量終端數通信正常，吞吐量最大能夠達到30Mbyte/s。吞吐量隨著數據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足設計要求。

通信時延測試時間為10分鐘，測試結果如表2所示。

由表2可以看出，計量終端隨著幀的變大，響應時延有所增加，但是即使在惡劣的通信負擔的情形下，時延仍能夠控制在50 μs以內，足以滿足數據采集的實時性要求。在測試計量終端通信功能正常，沒有出現丟包現象，有著較好的通信可靠性。

5.2 計量精度測試

首先對計量芯片CS5460內部各個寄存器進行校準，然后將較玩后計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、無功增益等參數寫入MCU。完成校正操作后，利用計量裝置的脈沖輸出對計量精度進行測試。測試條件為：外加電源的電壓，功率因數依次為0.5L、0.8C、1.OL，輸出電流依次為O.11n、0.41n、0.71n、1.OIn。測試結果如表1所示。

由表3所示數據可知，本文所設計的計量自動化終端的計量精度能夠符合設計要求。

5 結論

以計量自動化終端的需求為基礎，基于EPON通心技術，采用MCU核心，設計了支持光口通訊、具備自動電能計量和數據上傳功能的計量終端的設計。在計量終端的軟件設計中，采用μcios II嵌入式實時操作系統，通過對計量線程、通訊線程、數據存儲線程的獨立設計，使得計量終端的數據采集和數據通訊功能的實時性能更加凸顯。通過性能測試表明，該計量終端的設計具有優異的通訊性能，能夠滿足設計需求。從軟件和硬件設計上實現了計量自動化終端基于EPON的通信，但是沒有對針對電力計量系統通信特點進行通訊協議的優化，下一步將在硬件設計的基礎上繼續對通訊協議進行解析和優化，以期實現更高效的計量自動化系統的數據通信。

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