應(yīng)用于山西呂梁市的用電信息采集現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備設(shè)計(jì)

【摘要】針對(duì)目前在國(guó)家智能電網(wǎng)建設(shè)中現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的分析，設(shè)計(jì)了一款適用于山西呂梁市的用電信息采集掌上調(diào)試設(shè)備，該設(shè)備使用低電壓供電，具有現(xiàn)在呂梁市使用的五種載波通信廠家的模塊調(diào)試、集中器問(wèn)題處理功能。該設(shè)備使用最新的ARM Cortex-A9處理器配備Android操作系統(tǒng)，最高主頻為1.5GHz，支持多芯片選擇，高速接口通信。本文通過(guò)對(duì)目前現(xiàn)場(chǎng)情況匯總分析對(duì)比，討論了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備的必要性和可行性，并對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】電力線載波;現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試;ARM;信息采集

引言

電力線載波通信（Power Line Communication）是以電力線為信息傳輸媒介進(jìn)行語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式[1]，它依靠現(xiàn)有的電力線進(jìn)行信號(hào)傳輸，在傳輸過(guò)程中，根據(jù)使用的技術(shù)不同，又可對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次或多次調(diào)制，降低信號(hào)在電力線上的衰減，從提升信號(hào)的抗噪性入手，以提升信號(hào)品質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)，最終提高信息傳輸?shù)目煽啃?。使用此種技術(shù)，由于借用了原有的電力網(wǎng)絡(luò)，使得整個(gè)智能電網(wǎng)的建設(shè)成本得以降低，同時(shí)，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步深入，電力線載波技術(shù)成為智能化綠色電網(wǎng)的有力組成部分。但電力線通信也有不可忽視的弊端，即受電力線本底噪聲影響、用電終端負(fù)荷干擾較大，致使其通信環(huán)境十分惡劣，使得電力線載波的發(fā)展受到一定限制。早在20世紀(jì)20年代，西方國(guó)家已經(jīng)將電力線載波技術(shù)應(yīng)用于10kV配電網(wǎng)線路的通信中，我國(guó)的電力線載波技術(shù)起步較晚，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)最早應(yīng)用是在在1996年，但當(dāng)時(shí)無(wú)論是通信技術(shù)，還是電網(wǎng)建設(shè)的整體環(huán)境都缺乏可靠的外部支撐。近些年，隨著國(guó)家對(duì)國(guó)家智能電網(wǎng)建設(shè)的投入加大，使得我國(guó)電力線載波技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。以山西省為例，截止到2014年7月份，全省已經(jīng)完成累計(jì)完成716萬(wàn)載波智能電表的安裝工作，載波方案由全國(guó)各家廠商競(jìng)標(biāo)完成，具體安裝量見(jiàn)圖1。

圖1中，山西省2014年7月整體載波模塊安裝量達(dá)到716萬(wàn)，圖中列出了現(xiàn)在在山西應(yīng)用量最大的四家載波方案供應(yīng)商，各廠家使用的技術(shù)不同，載波通信頻率也有差異，其中曉程20kHz，帶寬15KHz;東軟270kHz，帶寬30KHz;瑞斯康132kHz，帶寬6KHz;彌亞微76.8kHz，帶寬16KHz;鼎信421kHz，帶寬30KHz[2]。

1、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備功能分析

各個(gè)載波方案廠家從自身產(chǎn)品出發(fā)，設(shè)計(jì)了具有各自特點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方法，盡管這些方法各有千秋，但對(duì)于國(guó)家電網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員而言，則要保證學(xué)會(huì)和掌握在負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的全部載波方案調(diào)試方法，只有這樣才能保證載波電表的安全穩(wěn)定運(yùn)行。以山西省呂梁市為例，呂梁市目前有載波通信方案五家，集中器廠家七家（具體分配方案見(jiàn)表1），想要全部掌握這些廠家的載波通信調(diào)試技巧與方法，需要大量時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的積累，況且各廠家之間的互相配合也有細(xì)微差別，同時(shí)，隨著智能電表推廣力度的加大，多供貨競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的引進(jìn)，未來(lái)可能有更多方案提供商進(jìn)駐呂梁地區(qū)，這就導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作難度倍增。針對(duì)這種情況，急需研制一種能將所有在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的設(shè)備和裝置統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備，該設(shè)備要求不區(qū)分方案提供商、集中器廠、表廠，只要符合一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范，使用同一種操作方式即可進(jìn)行全部設(shè)置。

表 1

如表1所示，呂梁市國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)有安裝量46萬(wàn)，由五家載波方案供應(yīng)商提供，對(duì)應(yīng)的集中器廠家有七家，共有考核終端2700余臺(tái)。因此，研發(fā)的設(shè)備必須能針對(duì)以上廠家進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)也要留出功能擴(kuò)展端口，以便再增加其他廠家設(shè)備能方便擴(kuò)展。

針對(duì)以上需求，將在現(xiàn)場(chǎng)遇見(jiàn)的問(wèn)題以及處理方式列成表格，需要研制的調(diào)試設(shè)備只要解決表格中的問(wèn)題即可，而在硬件層則可根據(jù)不同廠家進(jìn)行擴(kuò)展。現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題匯總?cè)缦拢?/p>

表 2

表2中匯總了目前在呂梁地區(qū)采集成功率非100%的臺(tái)區(qū)故障。包括集中器故障、戶表故障和485總表故障。針對(duì)以上故障進(jìn)行有針對(duì)性的研究，設(shè)計(jì)一款現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備，專門(mén)用于解決以上問(wèn)題，則將極大提升用戶用電信息采集系統(tǒng)的成功率，同時(shí)也會(huì)降低現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的時(shí)間成本和人工成本。

2、硬件系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備由于其應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，對(duì)功耗和性能的要求較高，另外，便攜性也決定其產(chǎn)品的體積不能過(guò)大。伴隨著二十世紀(jì)90年代ARM的興起，作為一種優(yōu)良的低功耗、高性能處理器的杰出代表，ARM在近幾年取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。本文采用ARM系列中高端產(chǎn)品——Samsung Exynos 4 Quad 芯片完成設(shè)計(jì)，這是韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的第一款四核處理器，基于ARM Cortex-A9架構(gòu)，采用了最新的32nm HKMG工藝，該芯片主頻1.5GHz，內(nèi)置ARM Mali-400雙核GPU，32bit數(shù)據(jù)總線，最低3.7V電壓供電，同時(shí)支持睡眠喚醒模式。該處理器最高可支持1080p@30fps硬件解碼，能夠通過(guò)簡(jiǎn)單LCD接口實(shí)現(xiàn)液晶顯示屏的接入。同時(shí)，對(duì)于Linux系統(tǒng)有良好的兼容性，通過(guò)合理剪裁，能夠開(kāi)發(fā)出適合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備使用的應(yīng)用程序，另外，該款處理器的功耗比上一代4210產(chǎn)品功耗降低40%，此種優(yōu)勢(shì)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備的意義重大?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備電氣特性如圖2所示。

圖2中，圍繞Cortex-A9架構(gòu)的Exynos 4芯片構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)搭載剪裁后的android操作系統(tǒng)，并選用7寸電阻式液晶屏?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備需要輸入相應(yīng)表號(hào)等信息數(shù)據(jù)，信息輸入可通過(guò)觸摸屏虛擬按鍵實(shí)現(xiàn)。

Samsung Exynos 4芯片最多配備四個(gè)串口，在實(shí)際工作中，使用了其中的3個(gè)UART端口，這三路UART的功能分別是：

進(jìn)行集中器設(shè)置，集中器內(nèi)部參數(shù)可通過(guò)UART1進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員可通過(guò)設(shè)備對(duì)集中器內(nèi)部的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)差異，可重新對(duì)集中器進(jìn)行設(shè)置。

使用MAX3485芯片將UART信號(hào)轉(zhuǎn)換成485信號(hào)，由于整個(gè)系統(tǒng)供電采用3.3V電壓，所以在相關(guān)芯片選型上，必須滿足3.3V正常工作的要求。RS485接口主要用于總表的報(bào)文傳輸，信息采集。還可以通過(guò)報(bào)文來(lái)判斷總表的表號(hào)、電量等內(nèi)部信息，也間接判斷了采集端口的電氣性能。

多芯片UART切換電路，各廠家盡管使用的芯片不同，但是基本思路相同，即使用UART進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，根據(jù)此原理，在調(diào)試設(shè)備上對(duì)各方案進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇處理，即可處理不同臺(tái)區(qū)。原理如圖3所示：

圖3中顯示了各廠家方案切換的基本原理。所有芯片統(tǒng)一連接到一個(gè)UART端口，然后使用數(shù)據(jù)選擇器對(duì)各廠家芯片進(jìn)行選通控制，考慮到未來(lái)增加載波方案廠家的可能性，同時(shí)，各廠家芯片驅(qū)動(dòng)能力有差異，此處不能使用I/O口直接驅(qū)動(dòng)，而要利用NMOS電路進(jìn)行控制，通過(guò)各個(gè)NMOS連接到不同廠家芯片的電源端進(jìn)行選通。選通后可進(jìn)行串口通信、數(shù)據(jù)傳輸。

3、軟件系統(tǒng)

Android是Google于2007年聯(lián)合OHA（Open Handset Alliance）發(fā)布的一款基于Linux平臺(tái)的移動(dòng)終端開(kāi)源操作系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)不依賴與設(shè)備甚至平臺(tái)，其開(kāi)放性允許任何終端廠商加入到Android聯(lián)盟中來(lái)，顯著的開(kāi)放性隨之而來(lái)的就是應(yīng)用軟件的日新月異。對(duì)于本設(shè)備而言，良好的開(kāi)放性使得各個(gè)設(shè)備廠商能夠互相學(xué)習(xí)與借鑒，更好的為產(chǎn)品本身服務(wù)。

本文研究的系統(tǒng)，以Linux內(nèi)核為底層基礎(chǔ)，借助其原有的顯示、鍵盤(pán)、攝像頭、內(nèi)存、電源管理等功能驅(qū)動(dòng)，中間層使用C++完成自用函數(shù)庫(kù)Library和虛擬機(jī)Virtual Machine程序。以上兩層程序，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備而言，不需要改動(dòng)，只需要在底層內(nèi)核中添加各廠家芯片選擇驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)合理設(shè)置各廠家抄控芯片和串口通信時(shí)序即可，至于具體功能實(shí)現(xiàn)，可以在Android應(yīng)用層利用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件流程圖如圖4所示。

Android內(nèi)核采用目前流行的Linux 3.0.13版本，該版本無(wú)論是Bootloader，Yaffs都有較多參考資料，易于開(kāi)發(fā)和維護(hù)，Android版本為4.0.4。在系統(tǒng)剪裁中，使用原有驅(qū)動(dòng)，而java類(lèi)的剪裁中，需要優(yōu)化一些選項(xiàng)，例如Android默認(rèn)搜索SD卡，視頻處理等[4]。

根據(jù)圖3中的硬件設(shè)計(jì)，本文在驅(qū)動(dòng)程序方面，增加數(shù)據(jù)選擇器IO端口驅(qū)動(dòng)程序。

在kernel文件夾下的driver目錄中，新增sechips目錄。設(shè)置4個(gè)I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇。同時(shí)，在內(nèi)核配置菜單中加入本驅(qū)動(dòng)的配置項(xiàng)：

Arch/arm/Kconfig和drivers/Kconfig menu中添加：

Source”drivers/sechips /Kconfig”，

同時(shí)修改/drivers/Makefile文件

Obj-$（CONFIG_SECHIPS） +=sechips/

在kernel中進(jìn)行編譯

#make menuconfig

這樣，就會(huì)在/drivers/sechips目錄下得到sechips.ko文件，該文件為驅(qū)動(dòng)目標(biāo)文件，包含此文件的內(nèi)核燒錄開(kāi)發(fā)板，開(kāi)機(jī)后自動(dòng)加載該文件，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)即完成[5]。剩下主要工作集中在應(yīng)用層串口程序開(kāi)發(fā)。

4、結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備受工作條件限制、環(huán)境影響較大，很難設(shè)計(jì)一款能夠兼容所有現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的設(shè)備。本文采用最易移植和開(kāi)源的Android系統(tǒng)，爭(zhēng)取最大程度上兼容所有載波方案供應(yīng)商的軟件應(yīng)用，在硬件層上采用各廠家單獨(dú)芯片配合Cortex-A9內(nèi)核完成通信、數(shù)據(jù)采集工作。電源供電方面，使用TI公司LDO線性穩(wěn)壓電源管理芯片LM2941進(jìn)行穩(wěn)壓處理，同時(shí)，在處理器程序設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，關(guān)閉不適用進(jìn)程，啟用休眠模式，使得設(shè)備整體待機(jī)時(shí)間增長(zhǎng)。由于本設(shè)備需要接入220V交流電上使用，因此在接入市電時(shí)，設(shè)備能自動(dòng)切換到交流電供電，此方案變相增加了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。隨著呂梁地區(qū)方案提供商的增加（例如本文的研究中未增加青島東軟載波方案），現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用再進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的具體問(wèn)題對(duì)調(diào)試程序進(jìn)行微調(diào)，以便能為工作人員提供更加簡(jiǎn)便易行的操作環(huán)境和測(cè)試手段。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑琳.低壓電力線載波通信模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2007

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[4]賀馮良，張敏，馬玲芳.基于Android_ARM平臺(tái)的車(chē)載信息系統(tǒng)的應(yīng)用[J].信息與電子工程，2012 10（3）.

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作者簡(jiǎn)介

高翔（1976—），男，山西省呂梁市中陽(yáng)縣人，華北電力大學(xué)本科畢業(yè)，國(guó)網(wǎng)山西省電力公司呂梁供電公司營(yíng)銷(xiāo)部，工程師，從事計(jì)量及用電信息采集管理工作。