协议互转化智能EPON光模块的研究*

赵安新，廖晓群，马 莉

(1.西安科技大学网络中心，西安710054;2.西安科技大学通信与信息工程学院，西安710054)

随着宽带在中国的建设和智慧城市的实施，国家电网在十二五规划中把智能电网列为重点，计划十二五期间进入全面建设阶段，发展光纤到户FTTH(Fiber To the Home)，逐步实现家用电器联网应用［1-3］。作为光纤传输网络的一种技术无源光网络PON(Passive Optical Network)的由来已久，该技术具有节省光纤资源、网络协议透明等优势，在光接入网中扮演着重要的角色［4-5］。同时，以太网(Ethernet)技术以其简便实用，成为承载IP数据包的最佳载体。随着IP业务干线传输中所占的比例不断攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进，逐渐向接入、城域甚至骨干网上渗透。而以太网与PON的结合，便产生了以太网无源光网络EPON(Ethernet Passive Optical Network)。具备了以太网和PON的优点，正成为光接入网领域中的热门技术［6-7］。本文根据网络接入的需求，采用EPON芯片，开发智能光网络单元ONU(Optical Network Unit)，实现智能家电网络接入模块。在文中以国家电网实施智能电网为例，实现DL/T645《多功能电能表通信协议》和Q/GDW376.1《主站与采集终端通信协议》互转化功能，使得无需更换电能表，在电能表上加装智能模块即可实现终端的网络接入。

1 智能EPON光模块的设计及选型

1.1 智能EPON光模块的需求分析

智能电表作为智能电网互动性良好的媒介及物联网终端的接入点，在智能电网建设中发挥着不可替代的作用，如何设计并实现负荷控制、网关和强大的通信功能，解决用户智能用电费控及负控到户，与电力用户实时互动，解决配电侧网配电侧信息采集系统全采集，全覆盖，并使远程集抄系统及家用电器上网的一大难题［8-9］。现行的DL/T645《多功能电能表通信规约》(DL/T645规约)已经实施将近10年，存在如耗费大量人力、对抄读上来的数据管理不便、对人为窃电应对迟缓等弊端，而IC卡电表也不能满足管理部门及时了解电网负荷情况的要求。因此，国网公司制定Q/GDW 376.1—2009《电力用户用电信息采集系统》(Q/GDW 376.1规约)，为实现双向互动的要求，规范用电信息采集系统采集终端、通信协议等。而目前，大部分信息采集都是基于DL/T645通信规约，如果推广Q/GDW 376.1规约，需要大面积更换原有终端。所以，本文提出一种基于EPON技术的用电信息采集系统，实现Q/GDW 376.1规约与DL/T645规约之间的智能转换。

1.2 智能EPON光模块的流程设计

ONU光通信模块是上位机程序通过OLT设备访问智能终端以及智能终端接入网络的关卡，由于每个智能终端的通信协议不一致，需要在ONU光通信模块中内置协议转换程序使得双向数据帧的解析，数据帧格式的转换，包括2种协议数据帧之间的映射，以及相关数据字段和数据项的转换，数据项标识的转换等。整个处理过程如图1所示，ONU响应上位机建立连接和数据交互的请求;经过协议转换之后，对智能终端的建立连接和数据交互的请求。OLT与ONU端通信通过TCP/IP网络通信协议，ONU端与智能终端一般采用串口通信。

1.3 智能EPON光模块的技术选型

目前市面上EPON芯片比较多，我们根据课题需要和以后扩展，通过对比普然公司OPL_06750、OPL_06752嵌入式芯片和Qualcomm公司QCA8829芯片，在综合考虑功耗、成本、性能以及尺寸等方面因素，选用QCA8829芯片作为主控芯片，该芯片具备的超低能耗，支持北美以太网开通有线电缆数据服务接口DPoE(DOCSIS®Provisioning of Ethernet)1.0规范、IEEE 802.3ah EPON规范、国家电网EPON规范和中国电信(CTC)EPON规范。Flash选择Macronix公司的32 Mbits flash MX25L3205D，该芯片有sop封装和pdip封装。RS-232收发器使用sipex生产的SP385ECA，通信速度可达120 kbit/s。电源芯片采用MPS公司的MP1484可将4.75 V到23 V的电压转换成为3.3 V，输出电流可达3 A，而板上需要的电流不会大于2 A。看门狗芯片采用Max706SESA监控芯片，能够监控电源电压、微控器工作状态、手动复位等功能。

图1 EPON光模块处理流程

2 智能电能表ONU协议互转换设计与实现

2.1 协议互转换流程设计

设计目标是通过在现有支持DL/T645电能计费装置中添加规约转换的嵌入式模块，使得电能计费装置能应用于Q/GDW 376.1通信规约环境中，可以使电能计费装置与符合Q/GDW 376.1通信规约的基于EPON技术用电信息采集系统的通信，系统框图如图2所示。

图2 协议互转化系统框图

ONU实现的核心是在光网络单元(ONU)中完成DL/T645规约与Q/GDW376.1规约的相互转换。ONU一方面作为主站，收集基于DL/T645规约用户电能表的信息;另一方面，又充当服务器，负责接收Q/GDW 376.1通信规约的数据信息，为光线路终端(OLT)提供服务。这两种规约具有不同的数据结构和信息模型。因此，下行要将Q/GDW 376.1规约的请求数据，按DL/T645规约定义的数据帧格式重新定义组合;并要将DL/T645规约上传的数据，按Q/GDW 376.1规约定义的数据帧格式重新定义组合。规约转换的主要工作，可分为3个部分:(1)规约的接收和解析，Q/GDW 376.1规约报文通过以太网通信方式接收，然后解析出应用功能码AFN、Fn的值、数据单元等信息，DL/T645规约报文通过串口通信方式接收，然后解析出被抄读电能表的真实数据。(2)DL/T645规约和Q/GDW 376.1规约帧的重组和发送，根据DL/T645规约和Q/GDW 376.1规约中帧格式的定义，重组两规约的数据帧，并通过串口或以太网发送出去。(3)应用功能数据的映射与格式转化，将解析完成的电能表信息向相应的数据结构映射，并实现数据格式的转换。处理流程如下:自无源光网络通过TCP/IP通信方式获取到符合376.1协议帧数据包，首先对其进行帧正确性判定处理(包括起始位68H、长度L、控制域C、地址域A、链路用户数据、校验和 CS、结束符68H判定)不正确则放弃此帧，正确则进行376.1协议帧链路用户数据域处理，判定数据应用类型，无法识别则回复否认帧，有对应类型则判定属于哪类应用类型，若需要向智能终端做请求，则判断应用类型是否与645协议对应，无对应类型则上发否认帧处理，有对应类型则按照请求类型组成符合645协议的数据帧，通过串口发送至电能表，之后电能表回复数据，获取到符合645协议的数据帧，首先进行645协议帧信息处理(包括起始位68H、地址域A、数据域DATA、数据长度L、校验和CS、结束符68H判定)判断帧信息不正确则丢弃，正确若电表异常应答则上行回复否认帧，正常应答则对645数据帧数据域处理，判定是否有对应应用类型，无则丢弃不作处理，有则组成符合376.1帧格式数据帧上发送至OLT，即完成一次数据协议转换的整个过程。

2.2 硬件基本组成

该部分主要由处理器芯片(QCA8829)、启动加载Flash、RS-232收发器、电源芯片、看门狗芯片等几部分组成，组成如图3所示。UART(RS232)的任务是与电脑相连实现对系统、规约转换软件做控制和调试;SPI FLASH是用来存储本设计所用操作系统和转换模块的应用程序;EJTAG是对软硬件进行调试;Uart2与电能表相连，完成向电能表发送Q/GDW 376.1规约转换符合DL/T645规约的数据帧和接收电能表发来的符合DL/T645规约的数据帧，实现 ONU与电能表的通信;SFF Optical Module是本系统的光收发接口，完成接收OLT发来符合Q/GDW 376.1规约的数据帧和发送DL/T645规约转换的符合Q/GDW 376.1规约的数据帧，实现ONU与OLT之间的通信。

图3 硬件组成

2.3 测试环境及结果

在实验室环境搭建了整个光通路过程，系统测试环境如图4组成实验线路连接方式:网络线路连接局端OLT的G6口，单模光纤一端与OLT的PON2口连接，一端与无源分光器IN1口相连，另一条单模光纤从OUT1口连接，连接至光纤模块光纤接口，光纤模块与智能电能表以5 V TTL电平相连接，而且通过DB9-USB转换线与PC机连接，此时PC机可作为控制台平台，运用SecureCRT去操作光纤模块实验板系统以及使用国标376.1采集终端后台v2.6.2模拟OLT下发376.1协议数据包。

本设计主要针对ONU光模块重要性能指标功耗做了测试，使用E3631直流电源给实验板供12 V电压，电流值显示为150 mA，计算功耗值约1.8 W＜2 W。结果符合表1功耗要求，性能很好。ONU光模块符合YD/T 1475—2006中8所涉及ONU的功能要求及基本传输性能要求，模块上行通信协议符合Q/GDW 376.1—2009及备案文件的相关要求，对表端的通信协议遵循DL/T 645—2007协议及其备案文件。模块远程通信采用1路SC接口，上行工作波长使用1 260 nm～1 360 nm，下行工作波长使用1 480 nm～1 500 nm，符合各项要求。

图4 系统测试环境

表1 功耗等级测试列表

3 结束语

针对我国光纤到户的建设，智能电网现状，提出了采用嵌入式系统开发技术，在Linux2.6.x系统内核平台上，基于美国Qualcomm公司QCA8829嵌入式芯片采用可接入EPON系统的光纤接口技术，实现了智能光模块ONU，可以实现配电侧信息全采集，全覆盖，并使远程费控及负控到户，使得智能终端可以借助于此ONU模块接入网络。最后以DL/T645—2007规约和Q/GDW376.1—2009规约互换化为列，实现了该两个协议的互转化功能，使得上位机可以通过EPON网络采集电表侧信息，同时对电能表进行实时监测，互动。

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