基于EPON通信技术的计量自动化终端的设计与实现

邓广昌　杨悦辉　李慧　张捷　陈恺妍

摘要：针对计量终端存在的数据通信实时性和可靠性较差的问题，基于EPON通信技术提出了一种计量自动化终端的设计。该计量终端的设计采用双光模块的通讯接口设计，以支持EPON通信组网形式，并采用单片机和专用计量芯片的硬件设计，以提高计量终端的使用可靠性和低功耗性能。配合实时操作系统，对计量终端的软件系统进行了优化设计，使其实现了电能自动计量、数据上传、终端状态监测、人机交互等功能。最后通过性能测试证明，该计量终端具有良好的数据通信效率和可靠性，能够满足设计要求。

关键字：EPON;ONU;计量终端;光纤通信;电力通信

中图分类号：TP391

文献标识码：A

随着通讯技术的发展，基于光纤通信的电力三网融合业务正在逐步展开。目前多数IIOKV变电站至小区配电站的光缆建设已经完成，EPON设备能够通过光缆连接电力公司综合数据网进行数据交互的[1]。因此利用已经成熟的光纤通信资源和EPON通信技术实现用计量自动化终端的高效率接人，提高计量数据采集的稳定性和可靠性成为必然趋势。相对于其他通讯技术手段光纤通信方式具有更快的传输速率和更好数据的安全性。由于处于电网供配电以及数据采集的末端的计量终端数量巨大且分布面广，显然难以采用点对点方式进行组网。基于通信性能与成本核算的平衡考虑，采用EPON通信技术对计量自动化终端进行组网逐渐成为被广泛接收的最优选择[2-3]。文献[4]面向电网终端计量，基于双向计量与设备监控的实际需求，提出了一种包括光纤通信接口在内的多接口的具备智能电表和智能终端的多用途终端设计。文献[5]采用配用点专用ONU芯片，结合计量自动化通信技术，提出一种嵌入式配电光通信终端的设计方案，并在设计充分考虑了配电信息安全问题。

通过对上述研究成果的总结，基于光纤通信原理、现有设备和计量自动化业务功能原理，采用E-PON通信技术，结合计量自动化系统的通信需求，进行计量自动化终端的优化设计，在实现电能自动计量、数据上传、终端状态监测以及人机交互等功能的基础，提升数据通信的速度和可靠性，实现终端电力数据智能采集和高效上传的目的。

1 计量终端的设计需求

目前计量自动化系统由主站、通信网、计量终端以及电表组成[6]。计量终端实现对多个电表电量信息的集中采集，然后通过电力通信网络把数据上传到主站系统，为电力电能决策部门提供准确实时的原始数据，实现电力计量的自动化过程[7]。

为支撑计量自动化系统诸多功能的实现，计量自动化终端应当具备计量功能、监测与通信功能、人机交互管理等功能，还应具备设备状态监测的功能[8]。针对计量自动化终端的设计，本文着重研究和实现以下问题：

（1）采用EPON（Etherent Passive Optical Net-work）通信技术，保证数据能够高效、准确传输。

（2）有效实现对终端用户的电能自动计量、用电监测以及计量终端的状态检测。

2 硬件设计

2.1 硬件架构

依据设计需求，结合相关设计案列，计量自动化终端采用MCU作为系统控制核心，辅以专用计量芯片的硬件架构[9]。该架构主要由计量模块，CAN总线、存储模块、人机交互模块等构成，如图1所示。

图1中，安全模块包括保证实现安全认证的ESAM电路以及保证终端可靠工作的掉电保护电路;为了保证计量终端的适用性，计量模块包含三相计量电路和单相计量电路。人机交互模块中设计了用于显示基本信息的触摸屏模块，此外还提供基本的显示功能、唤醒、切换等操作。存储模块提供用于配置信息、事件记录、数据存储、历史记录的存储空间。通讯模块主要由EPON通信單元组成。

2.2 计量模块

为保证计量数据的准确，计量模块采用功能成熟的专用电能计量芯片。本设计使用四片CS5460实现四路电量信号的分时采集。CS5460的运用可在实现对模拟信号的高精度采集和转换的基础上使得电路变得更加精简，以有效减少系统功耗[1O-11]。

CS5460是一种专用电能计量芯片，由一个可编程增益放大器、两个16位分辨率2kHz信号带宽并同时取样的ADC组成。该芯片有高通滤波、数字滤波、系统校准以及相位补偿等功能，具有完成转换精度高、测量能量强、线路简单等优点，能够充分满足本设计的需求[12-13]。

2.3 通讯模块

将目前市场已有的通用ONU、OLT产品集成到计量自动化终端的通讯模块中，会存在抗干扰能力差、功耗高、性价比低、数据安全难以保证等问题[14-15]。为此，本方案设计了嵌入式ONU电路方案，原理如图2所示。

为支持EPON的环形、链形及分支等组网形式，计量终端ONU电路采用2片ONU芯片、2个光电转换模块的设计。此外ONU电路还包含加密电路、控制电路、交换电路及与接口电路等部分。

在在计量终端的ONU电路中终下行和上行数据都由交换电路调度，并通过控制模块设置两个光口的主从关系。通讯模块的数据处理过程可描述如下：

1）主站与计量终端的通信数据经由控制电路进行判断是否为需加、解密操作;

2）具体加、解密操作的算法和密钥交互由MCU负责与主站进行协调;

3）MCU与ONU电路只进行应用层数据报文通信。

2.4 存储和人机交互模块

外设存储器包括一片2M x16 -bit的NorFLASH和一片IMx16-bit的PSRAM。复用MCU的外设存储器总线，工作频率为125Mhz。MCU的FLASH模块和PSRAM模块公用外部数据总线和地址总线，因此，在PCB中存在大量的分支走线。为防止信号在传输过程中出现分支反射，存储模块采用菊花链布线方式。通过这种方式的布线能够有效可知分支长度，使得信号的上升边不至于被掩盖，提高设备的工作可靠性。

计量自动化终端采用DGUS触摸屏作为人机交互的载体。DGUS触摸屏内部有自己的处理器、寄存器、存储区等，显示的内容与操作模式都是基于预先配置好的变量文件，配置文件通过DGUS组态软件生成，用SD卡下载到DGUS屏中。当DGUS屏接收到单片机发送过来的命令时，就根据命令和预先配置的模式对相关变量进行显示。DGUS触摸屏的使用使得人机交互设计与数据计量、数据存储以及网络通信等功能分离开来，减少MCU的代码量，降低了人机交互界面设计的难度，为开发带来了便利。

3 软件设计

计量自动化终端对数据采集、数据处理的实时性要求较高，选用μLC/OS II作为操作系统，将计量操作、通讯操作以及存储操作独立成线程，依据其优先级由系统调用。

3.1 总体流程

计量自动化终端的主要任务为电能计量、数据存储、人机交互以及和主站的通信[16]。因此将上述几个功能分割成独立线程，在实时操作系统的主流程中由不同优先级的中断分别调用。为了保证实时性要求不同的线程都能得到及时处理，需要对不同的线程设置不同的优先级[17]。

看门狗等保证系统安全运行的线程获得最高的优先级。数据存储线程需要处理掉电数据应急保存等实时要求高的操作，因此设定为仅次于看门狗的优先级。通信线程需要处理主站发送操作命令，而为人机交互的流畅性，因此这两个线程的优先级被设定高于计量线程。优先级的具体设置如图3所示。

在完成优先级设定的基础上，对系统的各个参数进行初始化，并在系统空闲线程中依据优先级响应各个线程中断请求。软件总体流程如图4所示。

3.2 计量线程

计量线程的主要工作是在完成对计量芯片的初始化的基础上，周期读取计量芯片集成的寄存器数据，并向主线程发送中断请求。在计量中断处理线程中，对计量中断存储单元中的电能数据进行及时更新，为主线程提供实时的计量数据。

计量线程的较表操作是在计量终端的操作指令下对校准数据进行自动计算，并将较正后参数存储在计量终端的外存储器中以备下次较表使用。计量流程如图5所示。

3.3 通信线程

计量终端的ONU模块上电后需要与主站建立连接，才能够完成数据通信。主站运行的计量自动化软件于服务监听模式，计量终端的ONU模块采用TCP协议主动发起socket连接，完成连接后依据376.1通讯协议进行握手操作，完成握手操作后主站与计量终端的通讯链路正式建立。流程如图6所示。

由中断线程触发的光口通信线程接收、提取主站发送的376.1数据帧，并通过对数据帧中的操作命令的识别，分别完成在线抄表、数据上传、参数配置等操作，并把操作完成的数据打包成376.1数据帧通过socket链路回传给主站。具体通信流程如图7所示。

3.4 数据存储线程

数据存储线程图如图8所示。该线程主要实现对计量终端的基本参数、电能信息和用户用电信息等数据的读写操作，同时在掉电和上电时进行数据存储和数据恢复操作。同时该线程还对计量终端的当前运行状态进行实时记录。

4 性能测试

4.1 通信性能测试

完成计量自动化终端的设计与实现后，选取具有代表性的以太网性能测试对设计方案的通讯性能进行分析。测试配置如图9所示。

将计量自动化终端的数据端口与流量发射器连接，进行300s吞吐量测试和背靠背测试。测试结果如表1所示。

由测试结果可以看出，计量终端数通信正常，吞吐量最大能够达到30Mbyte/s。吞吐量随着数据帧的变大而逐渐变小，最小值为16 Mbyte/s。显然这样的吞吐量能够充分满足设计要求。

通信时延测试时间为10分钟，测试结果如表2所示。

由表2可以看出，计量终端随着帧的变大，响应时延有所增加，但是即使在恶劣的通信负担的情形下，时延仍能够控制在50 μs以内，足以满足数据采集的实时性要求。在测试计量终端通信功能正常，没有出现丢包现象，有着较好的通信可靠性。

5.2 计量精度测试

首先对计量芯片CS5460内部各个寄存器进行校准，然后将较玩后计算出的电压电流有效值偏移量、电压电流增益、有功增益、相位偏移、无功增益等参数写入MCU。完成校正操作后，利用计量装置的脉冲输出对计量精度进行测试。测试条件为：外加电源的电压，功率因数依次为0.5L、0.8C、1.OL，输出电流依次为O.11n、0.41n、0.71n、1.OIn。测试结果如表1所示。

由表3所示数据可知，本文所设计的计量自动化终端的计量精度能够符合设计要求。

5 结论

以计量自动化终端的需求为基础，基于EPON通心技术，采用MCU核心，设计了支持光口通讯、具备自动电能计量和数据上传功能的计量终端的设计。在计量終端的软件设计中，采用μcios II嵌入式实时操作系统，通过对计量线程、通讯线程、数据存储线程的独立设计，使得计量终端的数据采集和数据通讯功能的实时性能更加凸显。通过性能测试表明，该计量终端的设计具有优异的通讯性能，能够满足设计需求。从软件和硬件设计上实现了计量自动化终端基于EPON的通信，但是没有对针对电力计量系统通信特点进行通讯协议的优化，下一步将在硬件设计的基础上继续对通讯协议进行解析和优化，以期实现更高效的计量自动化系统的数据通信。

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