基于STM32 的電力通信數據采集系統設計

張華健，吉宏生，于 波，高 鵬，崔 航

（1.國網陜西省電力公司延安供電公司，陜西延安 716000；2.國網陜西省電力公司安監部，陜西 西安 710048）

STM32 是一類低功耗、低成本、高性能型嵌入式ARM 元件的統稱，在電力應用系統中，可與微控制器設備直接相連，從而使得存儲器性能得到有效促進，并最終實現對設備引腳數量的較好控制。在CAN2.0B 與USB OTG 接口的作用下，STM32 元件外部增設了以太網型MAC 模塊，可在聯合MII 與RMII線型應用結構的同時，對外部PHY 芯片內的存儲信息進行精準讀取[1-2]。在整個執行過程中，STM32 芯片始終能夠直接驅動外部以太網PHY 層芯片，從而為客戶端主機節省多個附加晶振連接設備。

電力通信系統能夠較好維護電表設備與集中器元件之間的數據采集關系，從而使外部電力通信環境得到較好維護。傳統無線型數據采集系統在神經網絡算法的支持下，對電力數據的通信安全性進行定向統計，再借助DES 加密原理提升傳輸信息的安全通信能力。然而，該系統在應用穩定性方面的實用性能力較差，并不能較好滿足電力通信環境的實際應用需求。為解決該問題，設計基于STM32 的電力通信數據采集系統，借助無線傳輸電路、微控制器模塊等硬件執行結構，對通信任務的有線級條件進行設定，從而實現對通信任務傳輸量數值的精準計算。

1 系統硬件設計

電力通信數據采集系統的硬件執行環境由無線傳輸電路、電力集中器和通信電表、微控制器模塊3部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 無線傳輸電路

無線傳輸電路能夠提供電力通信數據采集系統所需的應用電子量，且在電功率保持為M的情況下，可對已接入電阻的實際數值水平進行實時調試，從而使得整個電路環境中的電流傳輸形式始終保持相對穩定的應用狀態。無線傳輸電路結構如圖1 所示。電阻R1、R2、R3、R4分屬于不同的電路連接區間，在不同電量傳輸環境下，這些電阻可自發改變自身已接入的阻值水平，并通過遞歸調試的方式，使整個電路組織內的傳輸電流水平時刻保持穩定狀態[3-4]。C1、C2、C3作為3 個相互獨立的電容設備元件，可在L1、L2兩個電導設備的作用下，對電路內部的傳輸電流進行驅動性調試，從而使STM32 芯片能夠獲得更高水平的傳輸電壓數值量。

圖1 無線傳輸電路結構

1.2 電力集中器和通信電表

電力集中器和通信電表是一個相互融合的配網型電子量執行設備，可借助主CPU 設備建立模塊主機與無線傳輸電路間的輸入連接關系，從而使得電力通信數據能夠直接傳輸至下級應用設備結構體之中[5]。在STM32 電網芯片的作用下，主CPU 設備中的輸出信息可直接經過電力主機的二次變壓處理，從而使得通信傳輸主機的高壓端設備能夠分得更多的傳輸電子量信息。隨著電網高低壓端口之間壓降差數值的提升，系統通信按鍵的占用狀態也會逐漸趨于頻繁，在此情況下，無線傳輸電路會快速進入充電連接狀態，一方面能夠較好地滿足狀態顯示模塊內的電子通信需求；另一方面使電量通信信息可在集中器設備中進行快速聚合[6-7]。電力集中器和通信電表結構如圖2 所示。

圖2 電力集中器和通信電表結構

1.3 微控制器模塊

微控制器模塊是位于電力通信數據采集系統中的最底層應用執行設備，由DMA 信息寄存器、傳輸采集量寄存器兩部分組成[8]。隨著AHB 通信接口擴張能力的增強，DMA 信息寄存器內存儲的電力通信數據總量也會逐漸增大，在此情況下，傳輸采集量寄存器的應用能力會出現明顯增強的變化趨勢，直至將所有處于散亂分布形式的電力數據信息全部轉存至電力通信以太網主機中[9-10]。由于STM32 芯片結構體的存在，微控制器模塊中的信息接收端口與信息發送端口始終處于相對活躍的連接狀態，當電力數據矩陣的實時應用需求得到滿足后，這些通信數據信息才會被完整轉存至下級采集設備結構體之中。微控制器模塊結構如圖3 所示。

圖3 微控制器模塊結構

2 系統軟件設計

遵照系統硬件執行結構的設計需求，通過通信任務有線級設定、STM32 型USB 數據固件庫連接、通信任務傳輸量確定的處理流程，完成系統的軟件執行環境搭建，兩相結合，實現基于STM32 電力通信數據采集系統的順利應用。

2.1 通信任務有線級設定

在基于STM32 芯片進行電力通信任務有線級設定時，數據采集器能否合理完成最初的信息劃分任務，取決于現有存儲信息能否被電力通信主機直接調用。通信任務有線級設定不僅僅需要從系統執行功能的角度進行考慮，還需要規定信息數據參量的最高存儲數量級水平。在這種操作思想的約束下，系統USB 數據固件庫的存儲需求基本可以保持長期穩定且平衡的應用狀態，這也是新型數據采集系統能夠穩定電表設備與集中器結構體之間通信與采集關系的主要原因[11-12]。設i代表電力通信任務的有線級設定系數，j代表電力通信任務的采集量關系系數，聯立上述物理量，可將數據采集系統的通信任務有線級設定條件表示為：

其中，wij、rij代表滿足i、j數值條件的兩個不相等的電力通信數據定義項。

2.2 STM32型USB數據固件庫

USB 數據固件庫是存儲于STM32 可編程存儲器上的一段完整的解析程序，是整個數據采集系統中最為重要的信息處理軟件，具備較強的數據協調與數據控制能力。在采集系統的軟件執行環境中，USB 數據固件庫的應用能力直接決定了系統對于電力通信數據的采集與處理性能。STM32 主機主要依靠USB 數據固件庫來描述電力通信數據的傳輸適應性能力，且其描述行為需要借助字符串、采集信息等多個物理量的共同配合[13-14]。通常情況下，當USB 數據固件庫能夠保持長期穩定連接狀態時，STM32 型應用主機才能在較短時間內達到極大值輸出狀態。設φ代表既定的電力通信數據采集系數，聯立式（1），可將STM32 型USB 數據固件庫的連接條件定義為：

式中，f代表通信數據信息的傳輸特征權限值，代表通信數據信息的傳輸時間均值。

2.3 通信任務傳輸量

確定通信任務傳輸量需要在微控制器模塊的配合下準確實現，且隨著通信數據包解析指令的進行，系統主機能夠直接截取待采集的數據信息操作指令。由于STM32 芯片的影響，通信數據傳輸量水平基本能夠長期維持相對穩定的數值狀態，因此，為獲得準確的數值計算結果，需要在統計電力通信數據傳輸量級水平的同時，對電力集中器、通信電表等硬件設備結構的應用能力進行精準統計，一方面可避免電力通信數據采集堆積行為的出現；另一方面也可使系統內的信息統計能力在短時間內達到最大值狀態[15-16]。設β、λ分別代表兩個不同的通信數據采集系數項指標，聯立式（2），可將通信任務傳輸量表達式定義為：

其中，l1、l2代表兩個不相等的電力通信數據特征值。至此，實現各項系數應用指標的計算與處理，在不出現其他干擾影響條件的情況下，完成基于STM32 的電力通信數據采集系統設計。

3 系統實用性研究

以圖4 所示采集環境作為實驗背景，分別將實驗組、對照組采集主機與存儲服務器設備相連，在整個實驗過程中，實驗組實施方法遵循基于STM32 的電力通信數據采集系統，對照組實施方法則遵循傳統無線型數據采集系統，記錄實驗過程中所產生的各項指標系數值，以用于后續的實驗數據研究與分析。

圖4 電力通信數據采集環境

UTR 指標反映了電表設備所具備的數據信息采集與通信能力，一般情況下，UTR 指標數值越大，電表設備所具備的數據信息采集與通信能力也就越強，反之則越弱。表1 記錄了實驗組、對照組UTR 指標的具體數值變化情況[17-19]。

表1 UTR指標數值對比表

結合表1 中的指標記錄數值可知，實驗組UTR指標的階段性極大值為82.9%，基本變化規律保持為連續上升。對照組UTR 指標的變化趨勢則遵循下降、上升交替的情況，階段性極大值為50.5%，與實驗組最大值相比，下降了32.4%。綜上可知，基于STM32 的電力通信數據采集系統具備增大UTR 指標的實際處理作用，符合提升電表設備所具備的數據信息采集與通信能力的實際應用需求。

DPR 指標反映了集中器結構體所具備的數據信息采集與通信能力，一般情況下，DPR 指標數值越大，集中器結構體所具備的數據信息采集與通信能力也就越強，反之則越弱。表2 記錄了實驗組、對照組DPR 指標數值變化的具體情況。

以表2 指標數值作為分析基礎可知，對照組DPR 指標階段性極大值為81.7%，指標數值基本保持平穩波動的變化情況。對照組DPR 指標基本上呈現連續下降的變化狀態，階段性極大值為62.7%，后者相比前者下降了19.0%。由此可認為，基于STM32的電力通信數據采集系統也具備增大DPR 指標的實際處理作用，符合提升集中器結構體所具備的數據信息采集與通信能力的實際應用需求。

表2 DPR指標數值對比表

4 結束語

與傳統無線型數據采集系統相比，新型電力通信數據采集系統在STM32 芯片的作用下，重新規劃了無線傳輸電路、微控制器模塊等多個硬件執行設備，不僅能夠實現對通信任務有線級條件的準確設定，也可獲得相對較為可靠的通信任務傳輸量計算結果。從實用性角度來看，UTR 指標與DPR 指標數值的提升，不但增強了電表設備、集中器結構體所具備的數據信息采集與通信能力，也可對電力通信環境進行有效保護，具備較強的實際應用與處理能力。