一种电能表通讯缓存处理方式

顾小峰 肖五生

摘 要：从2016年开始，电能表引入了面向对象通信协议《DL/T 698.45面向对象的用电信息数据交换协议》，而此协议与原有电能表通信协议《DL/T 645—2007多功能电能表通信协议》相比，对电能表的资源需求有了一个明显提高。主要体现是通讯缓存和记录数据的需求量大幅提升。

关键词：面向对象通讯协议；动态RAM；链路层分帧

中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0098-02

1 背景描述

从2016年开始，电能表引入了面向对象通信协议《DL/T 698.45面向对象的用电信息数据交换协议》，而此协议与原有电能表通信协议《DL/T 645—2007多功能电能表通信协议》相比，对电能表的资源需求有了一个明显提高。主要体现是通讯缓存和记录数据的需求量大幅提升。

而我们这里主要讲的是通讯缓存。通讯缓存从原先每通道212字节（数据域最大200+帧头、帧尾等帧格式数据），上升到每通道512字节；而DL/T 698.45协议还支持链路层分帧，最到可处理APDU为2000字节，而这些帧数据都用RAM的话，那么每通道RAM需求量就至少需要2000+帧头帧尾字节数据，又由于DL/T 698.45帧格式相对灵活，我们一般会预留到2K字节。这样的话，一个通道的通讯缓存RAM需求，DL/T 698.45就比DL/T 645协议增加1836字节。对三相电能表来说，可能会有4个通讯通道，要保证各通道能同时通讯，RAM需求量就需要增加1836*4=7344字节；单相表会少1个通道，需增加1836*3=5508字节。

RAM的大幅度增加，势必需要更换RAM更大的MCU，而对于成本要求很高的电能表来说，这势必又是雪上加霜。

当然我们也可以考虑将缓存数据放到其它存储器，比如EEPROM、FLASH等，但这里毕竟是通讯，要保证传输速度，而EEPROM、FLASH的存储和读取速度是相对较慢的，另外它们的使用寿命相对较小，要保证使用寿命，必须预留更多倍的存储空间，这样是非常不划算的。

2 方案设计

不管是单相电能表，还是三相电能表，虽然都设计有多个通信通道，但现场应用时，一般只有一个通信通道在使用；如模块表，基本是采用模块进行数据传输，485表只采用485口。当然也不排除现场表型混用，如模块表用于485口通讯的场合；由于通信模块即使没有采集终端对其通讯，它也会经常从电能表获取数据，这时对电能表来说，就有可能涉及到2个通讯通道同时通讯。

由此，我们可以看出，对于电能表经常通讯的通道其实顶多就2个。另外，其实我们也知道平常通讯时每次操作（读取、设置等）时，APDU数据并不会达到最大可处理APDU的数据量。这样我们完全可考虑，分配一块并不是很大的RAM缓存用动态分配的形式，供各个通道使用，先到先得，用完立即释放。下面我们就对这种通讯缓存的分配方式进行详细说明。

2.1 动态RAM的分配

由于电能表一般都采用普通单片机，基本不使用操作系统设计，因此我们这里需要单独分配一块RAM区作为动态RAM。这块区域可以根据系统RAM资源进行适当调整，这个区域不能小于一个通道所需要的缓存（2Kbyte）。为了便于内存的分配和回收，可以建立两张信息表：内存分配表、空闲分区表。

2.1.1 内存分配表

（1）此表可存储M条信息；

（2）每条信息内容包括：标识、分区起始地址、长度；

标识：某作业内存名称（1字节）；用非0数据表示，0-空栏目；

分区起始地址：该作业区内存起始地址（2字节）；当标识为0时，无效；

长度：该作业区内存分配长度（2字节）；当标识为0时，无效；

2.1.2 空闲分区表

（1）此表可存储N条信息；

（2）每条信息内容包括：分区起始地址、长度、标识；

标识：某空闲内存标志（1字节）；0-空栏目，1-未分配；

分区起始地址：该空闲区内存起始地址（2字节）；当标识为0时，无效；

长度：该空闲区内存分配长度（2字节）；当标识为0时，无效；

2.1.3 分配内存

分配内存步骤如下：

（1）从“空闲分区表”中找到标识为“1”（未分配）且满足作业需求内存大小的最小空闲区。

（2）判别该空闲区大小与作业所需内存的差值是否小于最小值MinSize；如果小于，那么将该空闲区标识改为“0”，同时在“内存分配区”中找到标识为“0”的空栏目，并将新的作业名称、起始地址、长度登记进去；如果差值大于等于MinSize，将该部分区域分成两部分，一部分做为作业区内存，另一部分仍旧做空闲区，这时只要更改该空闲区长度，并把新装入的作业内存登记到“内存分配区”。

2.1.4 回收内存

回收内存步骤如下：

（1）先将“内存分配表”对應的标识改为“0”（空栏目）；

（2）检查“空闲分区表”中标识为“1”（未分配）的栏目，查找是否有相邻的空闲区；如果有，合并处理，修改该空闲区起始地址和长度；如果没有，在“空闲分区表”中找到标识为“0”的栏目，将该栏目标识改为“1”，同时将回收的内存起始地址和长度记录到相应位置。

内存分配表和空闲分区表的信息条数，可以根据系统实际使用情况分配。

2.2 链路层分帧数据的管理

上面提到用动态RAM来维持正常情况下的通讯缓存开销，但也会有偶尔出现这样的情况，动态RAM已被占用完，这时又有其它通道有通讯产生（如现场红外抄读数据）；为了保证这种情况下通讯正常，这时我们就需要启动备用缓存方案，而备用缓存可以采用非易失性存储器（如EEPROM、FLASH等）。由于备用缓存应用频率较低，只要预留少部分资源就可以满足寿命需求。

考虑到链路层分帧时完整的APDU数据是通过一帧帧的数据组成的，而每一帧的数据小于512字节；另外，链路层分帧每帧包含的APDU片段都是不可自解析的，因此在所有帧接收完成前，是不知道的APDU数据总长度的。为了不浪费资源，我们需要根据接收帧逐块申请缓存。

由于是逐块申请缓存，那么一个完整的APDU缓存就可能是几个地址不连续的块组成，这样我们就需要有一个管理信息来表达每个通道的APDU缓存。

本方案每个通道数据管理信息包括：数据信息缓存、数据总长度。

数据信息缓存：4字节数组（接收时最小申请内存大小为512byte），用来存放内存块标识名；此数组长度可以根据实际情况调整。每个字节最高位表示存储类型，0表示动态RAM，1表示非易失性存储器；低7位为标识名，最高位为1時（空间分配在非易失性存储器），标识名不做识别，分配空间统一按2K大小处理；信息字节为0xFF，表示未使用；要求信息从第一个字节开始放置，没用到的信息字节填0xFF，建议使用前将信息初始化为0xFF。动态RAM类型的标识名，每个标识代表一个数据块，前面数据块内数据都是有效数据，最后一个有效标识的有效数据数是与数据总长度有关的，即：L末=L总-L前；

L末：最后有效标识代表的数据块的有效数据长度；

L总：数据总长度；

L前：前面所有数据块长度之和。

数据总长度：保存数据的总长度。

2.3 链路层分帧数据存储实现

698通讯上用到的链路层分帧有两种情况：接收链路层分帧和发送链路层分帧。接收时数据存储内存需要一块一块申请，发送时可以根据需要发送数据的长度一次性申请。下面就具体说明一下这两种情况的处理方法（以下都是按通道单独处理）：

（1）接收：当需要保存接收分帧的APDU片段时，先识别是否有已分配空间，如果有且够用就直接保存数据并更改存储信息；如果没有已分配空间或不够用，就申请空间，再保存数据且更改存信息。

（2）发送：需要分帧发送时，存储相对就简单了，只要根据需要发送数据的长度，申请存储空间，进行数据保存且更改存储信息就可以了。

不管是接收保存还是发送保存，其中都会涉及到申请存储空间的操作。由于存储RAM空间有限，申请存储空间时不一定能申请到动态RAM，这时申请到的存储空间就会是非易失性存储器的存储空间。

需要注意的是，接收申请存储空间过程中，在申请动态RAM时，由于不知道后面具体有多少数据，且接收一帧最大长度为512byte，为了减少浪费RAM的使用，每次申请都只申请512byte的内存。

另外，在每次保存数据后，都需要更改管理信息，申请空间需要增加一个数据信息队列数据并更改存储数据总长度，不申请空间只需要更改存储数据总长度。

分帧数据存储功能对外接口参数：通道号、保存数据指针、数据长度、数据偏移。

2.4 链路层分帧数据读取

上面讲的是存储链路层分帧的APDU数据，这里就需要说一下如何读取这些存储的数据。

由于根据上面数据的存储方式，这些存储数据并不是连续的，而是分块的，甚至是不同设备中存储的，因此读取就不可能像我们平时读取其它数据一样，简单地根据起始地址和数

据长度得到。我们需要根据存储信息队列，找到待读数据的存储位置，然后再从找到的位置开始逐块读取，直到读到需要的数据量为止。

分帧数据读取对外接口参数：通道号、输出数据指针、数据长度、数据偏移。

3 结语

本方案宗旨是在通讯时尽量采用动态RAM资源，使用完成后，需及时释放资源。在RAM资源紧缺时临时采用非易失性存储器，保证在这种情况下的通讯成功率。另外需注意，如果在使用非易失性存储器存储或者读取失败时，也需要做好合理的应答，不能产生不可预知的错误。

参考文献

[1]郑天，曹凯，杨东华，贺云隆.智能电能表的发展与应用探讨[J].科技展望，2015，（27）105.