電能量遠方終端串口通信實時性研究

◆夏浩軍

電能量遠方終端串口通信實時性研究

◆夏浩軍

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 712100）

電能量遠方終端通過串口與多功能電能表進行通信，通過對電能量數(shù)據(jù)進行實測并采集，從而證明了串口通信的實時性是衡量終端性能的重要指標。為了進一步證實，本文研究了電能量遠方終端串口通信的實時性建模方法，通過采集實測數(shù)據(jù)進而驗證了串口數(shù)據(jù)的傳輸實時性及處理的準確性，分析并研究數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間誤差，從而實現(xiàn)電能量遠方終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r通信。

電能量；遠方終端；串口通信；實時性

0 前言

作為電能量計量計費系統(tǒng)（TMR）中的重要核心設(shè)備，電能量遠方終端（ERTU）能夠根據(jù)計費系統(tǒng)的要求，將抄錄取得的數(shù)據(jù)進行存儲并進行預(yù)處理和遠傳[1]，從而保障計費系統(tǒng)計量和結(jié)算數(shù)據(jù)的準確、完整、可靠和安全[2]，進一步保證電力市場中各方在供應(yīng)、銷售等過程中對于電量計費的公平與公正。

電能量計量計費系統(tǒng)（以下簡稱計量系統(tǒng)）通過對各計量點計量數(shù)據(jù)的采集、存儲，以及處理。為用電系統(tǒng)提供準確、可靠的電量計量數(shù)據(jù)；在實際電力調(diào)度過程中為用電管理、電網(wǎng)及設(shè)備管理、建設(shè)與分析提供了科學(xué)依據(jù)和管理手段，并為電力市場的商業(yè)管理提供強有力的技術(shù)支撐。作為計量系統(tǒng)核心設(shè)備之一，電能量數(shù)據(jù)采集遠方終端非常重要[3]，為深入分析研究系統(tǒng)串行通信的實時性能，根據(jù)以太網(wǎng)和串行口的特點，針對串行數(shù)據(jù)包產(chǎn)生傳輸時延建立了數(shù)學(xué)模型。在試驗中，通過對實測數(shù)據(jù)的采集來驗證所建立的模型的準確性，最終分析研究了電能量遠方終端串口通信的實時性。

1 工作原理

通過在以太網(wǎng)里接收串口數(shù)據(jù)幀，并將實時數(shù)據(jù)上傳給計量系統(tǒng)主站是電能量遠方終端的主要任務(wù)和功能[4]。數(shù)據(jù)傳輸方法為:裝置通過串行口接收電能量數(shù)據(jù)包，按先進先出的規(guī)則對數(shù)據(jù)包進行排列并存入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)存放的數(shù)據(jù)達到一定的限度時，裝置開始處理串口數(shù)據(jù)包并采用數(shù)據(jù)幀的形式將數(shù)據(jù)上傳給計量系統(tǒng)主站；反之，當(dāng)有數(shù)據(jù)幀到達時，通過裝置把獲得的數(shù)據(jù)幀解包，并作相應(yīng)處理。在固定的硬件條件下，多功能電能表在單位時間內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)不變，而且在處理器處理頻率不變的情況下，電能量遠方終端在單位時間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)包也是恒定的。由于裝置對數(shù)據(jù)的處理是以數(shù)據(jù)包為單位進行的，因此終端處理數(shù)據(jù)包使用的時間是單調(diào)連續(xù)函數(shù)[5]，處理時間與數(shù)據(jù)包的長度成正比。除此以外，裝置發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時，是通過TCP/IP協(xié)議與計量系統(tǒng)主站進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 實驗?zāi)Ｐ?/h2>

為了進一步檢測串口傳輸數(shù)據(jù)包的實時性能，通過搭建如下圖1所示的設(shè)備連接平臺來進行測試。在該平臺中配置了兩臺性能相對比較高的計算機和一臺工業(yè)控制計算機，其中一臺高性能計算機作為主站，通過100M以太網(wǎng)連接到以太網(wǎng)交換機（CISCO2610XM 10/100 Ethernet Router w/ Cisco IOS IP），數(shù)據(jù)終端服務(wù)器采用的是一臺80386工業(yè)控制計算機，另外一臺高性能計算機作為串口數(shù)據(jù)生成器與數(shù)據(jù)終端服務(wù)器之間通過RS485線路連接，并通過傳統(tǒng)的以太網(wǎng)連接方式連到交換機上。

圖1中數(shù)據(jù)終端服務(wù)器的軟件平臺采用的是嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II，可采用兩種通信協(xié)議:TCP/IP協(xié)議和UDP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)中（包括互聯(lián)網(wǎng)）普遍使用的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，是一種面向連接的通訊協(xié)議，采用其傳輸數(shù)據(jù)可靠性較高。該協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中如發(fā)現(xiàn)某個數(shù)據(jù)幀沒有收到時，數(shù)據(jù)發(fā)送方會一直發(fā)送該數(shù)據(jù)直到對方接收，繼而才處理下一個數(shù)據(jù)幀。對于UDP/IP協(xié)議則采用的是一種無連接的方式進行通訊，它的數(shù)據(jù)傳輸實時性能要比TCP/IP高的多，但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)流量較大時很難能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性與可靠性。由于電能量計量計費系統(tǒng)中電能量遠方終端網(wǎng)絡(luò)里面的數(shù)據(jù)流量較小，但是它對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性要求較高，因此在本試驗中采用可靠性較高的TCP/IP協(xié)議作為數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

圖1 實時性能試驗平臺

在圖1所示平臺中，作為系統(tǒng)主站的一方完成數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送，當(dāng)它每接收到一個數(shù)據(jù)包時，就會立刻將該數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。數(shù)據(jù)終端服務(wù)器立刻會將數(shù)據(jù)通過串口接收和處理，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主站。而串口數(shù)據(jù)生成器會定時發(fā)送單位數(shù)據(jù)包，并啟動計數(shù)器,在接收返回數(shù)據(jù)包同時計算傳輸時間。也就是說通過對串口數(shù)據(jù)生成器（途經(jīng)數(shù)據(jù)終端服務(wù)器和交換機）到主站的數(shù)據(jù)傳輸往返時間的計算,來對串口通信系統(tǒng)的實時性進行評估。

3 串口通信實時性建模

系統(tǒng)假設(shè):（1）由于使用交換機的同時數(shù)據(jù)包流量以及長度都較小，故而網(wǎng)絡(luò)里幾乎不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包沖突及碰撞現(xiàn)象；（2）串行線上數(shù)據(jù)包的傳輸時間tc（μs）是數(shù)據(jù)包大小l的連續(xù)函數(shù)，并設(shè)其二階可導(dǎo)。

3.1 實時性問題

串口數(shù)據(jù)生成器發(fā)送的數(shù)據(jù)包到主站的往返時間t可用下列公式表示:

式（1）中:ti（μs）表示以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸使用的時間，ti= ti1+ ti2，ti1為以太網(wǎng)交換機對數(shù)據(jù)包的處理時間，ti2為數(shù)據(jù)包在傳輸介質(zhì)上傳輸使用的時間；td（μs）:數(shù)據(jù)終端服務(wù)器數(shù)據(jù)包處理時間與長度成正比；tc（μs）:數(shù)據(jù)包在串行線上傳輸使用的時間。

假設(shè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量很小并且交換機的處理時間可以忽略不計，故而設(shè)ti1= 0；以此來計算一個數(shù)據(jù)幀在該以太網(wǎng)中的傳輸時間ti2，如下圖2 所示[6]，數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝過程并進入?yún)f(xié)議棧。

圖2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式

圖2中，該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的傳輸時間為[7]:

式（2）中:max（576，8l+432）作為網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定數(shù)據(jù)包傳輸?shù)拇笮?，根?jù)上圖2中所要求的數(shù)據(jù)幀格式確定；tf=96為傳輸數(shù)據(jù)幀相鄰的幀間距，在IEEE802.13中作為96位數(shù)據(jù)的傳輸時間；tb為以太網(wǎng)上一位數(shù)據(jù)的傳輸時間，100Mbps以太網(wǎng)tb=0.01μs/bit。

串行線中長度為l的數(shù)據(jù)包其傳輸時間為:

式（3）中:l（bytes）為數(shù)據(jù)包的大小（長度范圍0bytes～48bytes）；λ（bps）為串口波特率；h為數(shù)據(jù)頭部位數(shù)，是除去數(shù)據(jù)位以外的位數(shù)；C為串口轉(zhuǎn)換器對數(shù)據(jù)包進行處理時所附加的固定長度的標志，通常情況下可假設(shè)為常數(shù)；td=f(l)為數(shù)據(jù)終端服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行處理的時間，其與數(shù)據(jù)包的長度成正比（一般低至微秒級）[8]。

由式（1）～（3）可知:

式（4）中:vt（Mbps）以太網(wǎng)的傳輸速度（vt= 100Mbps）；f(l)為隱式函數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模型

假設(shè)有兩組實測數(shù)據(jù):其中L為數(shù)據(jù)包的長度向量，另外兩組數(shù)據(jù)的串口波特率依次為λ1和λ2，即:

對上述兩組數(shù)據(jù)做差值，有:

把式（4）代入式（5）得:

式（6）中Y為C的常量，若Y＝［C1,C2,C3,···,Cn］，則（取整）。已知Y，由式（4）可求出差值函數(shù):

由式（7）得到函數(shù)點列（L，f(L)），作為響應(yīng)函數(shù)，描述的是串口服務(wù)器數(shù)據(jù)幀的處理時間。f(L)為隨L成正比的單調(diào)連續(xù)函數(shù)，采用多項式函數(shù)逼近。對數(shù)據(jù)使用最小二乘二階多項式進行擬合，得到f(L)函數(shù):

通過構(gòu)建的試驗平臺實測得兩組實驗數(shù)據(jù)，在實驗中對裝置串口轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)幀頭部進行設(shè)置:一個作為停止位、一個作為奇偶校驗位以及八位數(shù)據(jù)位，因此h= 2。在圖1所示試驗系統(tǒng)中，假設(shè)兩組數(shù)據(jù)使用的波特率分別為1λ= 4800bps和2λ= 2400bps，其每組數(shù)據(jù)樣本的具體個數(shù)為3000個。對這3000個數(shù)據(jù)進行取均值，得到以下實驗數(shù)據(jù):

L= [6 12 24 36 48 ]為數(shù)據(jù)包長度的向量；

取C?50bits，將以上數(shù)據(jù)代入式（6），得:

Y= [ 50.0324 50.2453 50.1432 50.2112 50.1743 ]

取λ1=4800bps，將數(shù)據(jù)T1代入式（7）得:

f(L)=[88863.611 90711.432 100611.172 103220.329 110021.826]

應(yīng)用最小二乘二階多項式擬合上述數(shù)據(jù)，得擬合多項式函數(shù)f(l)，其表達式為:

通過（1）～（9）的分析可知，一個數(shù)據(jù)包在圖1所示設(shè)備連接系統(tǒng)中的傳輸時間為:

4 實時性分析

4.1 數(shù)據(jù)傳輸誤差

通過上述分析推導(dǎo)出波特率為1λ= 4800bps以及2λ= 2400bps的兩組實測數(shù)據(jù)傳輸時間的均值公式。為進一步驗證計算公式的準確性，實測了串口通信數(shù)據(jù)傳輸時間。實驗中，測得波特率為9600bps，L=[12 24 36 48]（單位:byte）時的數(shù)據(jù)傳輸時間。按前式（10）計算數(shù)據(jù)傳輸時間的理論值，實測值與理論均值對比如表1所示。

表1 實測數(shù)據(jù)和理論均值數(shù)據(jù)

由表1可知理論值和實測值基本一致，二者誤差可由式（11）計算，表示為:

式（11）中:?t為理論傳輸時間均值，?f為實測傳輸時間均值。由式（11）可得表1中數(shù)據(jù)傳輸時間理論均值和實測值的相對誤差最大為0.67%，表明數(shù)據(jù)傳輸實時性理論計算方法準確。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸實時性分析

通過上述理論分析發(fā)現(xiàn)，在串口數(shù)據(jù)生成器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸頻率恒定不變的情況下，數(shù)據(jù)包傳輸時間與其大小成正比，與它的傳送波特率成反比。但是，串口波特率對傳輸時間影響較大，當(dāng)波特率小于4800bps時，數(shù)據(jù)的傳輸延遲與波特率成反比。因此，在實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，為提高電能量遠方終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性能，須盡可能提高電能量遠方終端串口數(shù)據(jù)傳輸波特率。

在構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)平臺中，假設(shè)?l=32bytes，其串口波特率為9600bps，得到它的數(shù)據(jù)幀傳輸時間如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)幀傳輸時間

由表2可知，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時間占總時間的0.28%，假定以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸時間約占數(shù)據(jù)終端服務(wù)器處理數(shù)據(jù)幀時間的10%，由此可知數(shù)據(jù)終端服務(wù)器軟件對數(shù)據(jù)的處理時間為78.4sμ。上述分析表明，在設(shè)計電能量遠方終端時，需縮短終端的通信線路，提高系統(tǒng)硬件平臺性能，能夠提高系統(tǒng)處理電能量數(shù)據(jù)的速度；此外，應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)軟件功能，選擇較高波特率，減小串口線數(shù)據(jù)傳輸時間，提高電能量數(shù)據(jù)傳輸實時性能。

5 結(jié)束語

（1）通過對電能量遠方終端數(shù)據(jù)傳輸實時性模型的建立,分析并推導(dǎo)了基于TCP/IP通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸時間的理論計算公式。

（2）通過對數(shù)據(jù)傳輸實驗平臺的搭建，通過對電能量遠方終端數(shù)據(jù)傳輸時間的實測，進而討論并分析了電能量遠方終端串口通信的實時性能。

[1]蔡利敏，劉國華，王勇.智能變電站電能量計量系統(tǒng)方案設(shè)計[J].中國電力，2011.

[2]童曉陽，廖晨淞，周立龍，等.基于IEC61850-9-2的變電站通信網(wǎng)絡(luò)仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2010.

[3]張勝.電能計量終端的遠程實時監(jiān)視[J].電力系統(tǒng)自動化，2006.

[4]Jim Turley.Missing μC/OS-II Other RTOSes[J].Embe dded Systems Programming，2005.

[5]孟憲偉，王曉輝.載人潛器串口設(shè)備轉(zhuǎn)接工業(yè)以太網(wǎng)的實時性建模與分析[J].儀器儀表學(xué)報，2006.

[6]佘小莉，唐禎敏.基于TCP/IP協(xié)議的串口網(wǎng)關(guān)實時性的建模與分析[J].計算機工程與設(shè)計，2007.

[7]尹迅雷，陳在平，姚曉偉.工業(yè)以太網(wǎng)時延分析與建模研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2005.

[8]裴瑋，鄧衛(wèi)，孔力等.分布式發(fā)電環(huán)境下的嵌入式電力負荷管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力自動化設(shè)備，2007.

楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金計劃項目，編號:A2015022。