基于EPON系統(tǒng)的電力ONU模塊設(shè)計*

屠思遠， 吳 濱， 虞致國， 顧曉峰

(物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心 江南大學(xué) 電子系，江蘇 無錫 214122)

基于EPON系統(tǒng)的電力ONU模塊設(shè)計*

屠思遠， 吳 濱， 虞致國， 顧曉峰

(物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心 江南大學(xué) 電子系，江蘇 無錫 214122)

針對當前電力通信方式在穩(wěn)定性與安全性方面的不足，設(shè)計了基于以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)系統(tǒng)的電力光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)模塊。采用電力ONU設(shè)備模塊化的方法簡化了電力通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用電力ONU模塊精簡組合設(shè)計降低了成本。闡述了電力ONU模塊的硬件設(shè)計實現(xiàn)方法，對主控芯片、光收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及外圍電路進行了分析；軟件部分給出了操作系統(tǒng)移植與應(yīng)用程序設(shè)計流程。測試結(jié)果表明，電力ONU模塊滿足電力通信的要求。

電力通信； 以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)； 電力光網(wǎng)絡(luò)單元； 模塊化

0 引 言

隨著我國建設(shè)堅強智能電網(wǎng)計劃的開展，對電力通信網(wǎng)絡(luò)運行的穩(wěn)定性及安全性提出了更高的要求，需要一個面向用戶的高速可靠的網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)之間的實時性交互，從而提升電網(wǎng)綜合服務(wù)能力[1～4]?，F(xiàn)有的主流通信方式有2種：電力線載波(power line carrier,PLC)方式與RS—485總線方式。 PLC方式通過載波將數(shù)字或者模擬信號加載到電力線進行通信，是電力系統(tǒng)所特有的通信方式，但容易受噪聲干擾，長距離通信會出現(xiàn)很大偏差。RS—485總線方式是采用專線進行數(shù)據(jù)收發(fā)，需要鋪設(shè)專線且使用銅芯，造價昂貴不適宜長距離通信；此外，當整條專線中任何一點發(fā)生故障還會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，如要構(gòu)建堅強智能電網(wǎng)，需對現(xiàn)有電力通信結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，于是，人們嘗試將以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(ethernet passive optical network,EPON)技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)[5]。

EPON是一種點到多點(point 2 multiple point,P2MP)拓撲結(jié)構(gòu)的光接入技術(shù)，采用無源光器件連接，由光線路終端(optical line terminal,OLT)、光分配網(wǎng)絡(luò)(optical distribution network,ODN)與光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit,ONU)組成[6]。相比于傳統(tǒng)的電力通信方式，EPON技術(shù)具有成本低、帶寬高、組網(wǎng)易、安全性強、擴容性好、升級便利、傳輸距離遠及維護方便等優(yōu)勢，更加能適應(yīng)對可靠性要求較高的電力通信網(wǎng)絡(luò)。

要實現(xiàn)將EPON技術(shù)引入電力通信網(wǎng)絡(luò)，首先需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行修改，從傳統(tǒng)的集中器+采集器組合模式轉(zhuǎn)變?yōu)镋PON系統(tǒng)的OLT+ONU組合模式；其次，由于市場上大部分的ONU設(shè)備主要適用于普通網(wǎng)絡(luò)通信，其模塊結(jié)構(gòu)并不匹配電力通信方案的需求，同時以太網(wǎng)模塊在電力通信方案中并未使用，因此，可以精簡ONU設(shè)備，從而控制產(chǎn)品成本與體積。

本文針對電力通信的特點，在普通ONU設(shè)備的基礎(chǔ)上簡化冗余并增加電力通信必要的配置，縮減尺寸大小，通過模塊化的方法嵌入智能電表。本文具體給出了ONU模塊的硬件組合設(shè)計，并通過軟件設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀解析與轉(zhuǎn)換以滿足電力通信的要求。

1 電力ONU模塊工作系統(tǒng)方案

基于EPON的電力通信方案采用電力ONU模塊取代了傳統(tǒng)的集中器與采集器，將兩者的功能合并，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時使智能電表具有光纖通信的能力。電力通信方案的EPON系統(tǒng)由OLT設(shè)備接入核心網(wǎng)至電力中心主站，通過ODN分光設(shè)備至各ONU模塊，ONU模塊嵌入智能電表可直接進行命令控制操作。ONU模塊所屬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ONU模塊的上行方向采用時分多址接入(time division multiple access,TDMA)技術(shù)，使用1 310 nm波長。每個ONU模塊在不同的時間窗口向OLT發(fā)送數(shù)據(jù)以避免碰撞[7]，工作于突發(fā)模式。ONU模塊在EPON系統(tǒng)中的下行方向使用1490 nm波長，處于被動接收模式。由OLT向所有ONU模塊廣播發(fā)送Q/GDW 376.1—2009[8]數(shù)據(jù)幀，其幀頭存在一個唯一邏輯鏈路標識(logical link identity,LLID)，ONU模塊根據(jù)此LLID判斷是否匹配從而進行提取操作或摒棄操作，ONU與OLT之間的傳輸速率可達1.25 Gb/s。

ONU模塊通過RS—485總線方式連接智能電表，兩者之間鏈路使用的是多功能電能表通信協(xié)議DL/T 645—2007[10]。

2 電力ONU模塊的硬件設(shè)計

電力ONU模塊包括主控芯片、光收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、RS—485轉(zhuǎn)換模塊、模式選擇模塊，外加由JTAG調(diào)試與復(fù)位模塊、電源模塊及時鐘模塊組成的外圍電路。電力ONU模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電力ONU模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主控芯片

主控芯片采用CORTINA公司第四代EPON解決方案CS8032，該芯片支持中國電信CTCv2.1操作維護管理標準，兼容IEEE 802.3—2008規(guī)約，符合電力通信的要求。CS8032內(nèi)部集成了32位精簡指令集ARM926EJ—S微處理器，內(nèi)核總線掛有多個外設(shè)接口，具有很好的功能擴展性。CS8032包含了一個片上幀緩沖區(qū)(on-chip frame buffer)對堆棧緩存管理模塊處理的數(shù)據(jù)包進行存儲，可優(yōu)化對數(shù)據(jù)包分類、流量監(jiān)控，隊列管理等任務(wù)。

2.2 光收發(fā)模塊

光收發(fā)模塊采用海信公司的光收發(fā)一體化模塊LTB34D2—SC，光收發(fā)模塊與主芯片CS8032連接原理圖如圖3所示。

圖3 光收發(fā)模塊與CS8032連接原理圖

光收發(fā)模塊LTB34D2—SC與主芯片CS8032之間采用兩對差分信號進行高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率最高可達1.25 Gb/s。光收發(fā)模塊采用一對3.3 V驅(qū)動的通用I/O用于控制收、發(fā)模式下的傳輸功率。CS8032集成一個丟光報錯接口ERX_SIGLOSS，正常情況下LTB34D2—SC收發(fā)2～3.5 dB的正光，當此模塊不能正常接收該范圍的光信號時則報錯。ETX_BURST與TX_BURST用于支持高速光口突發(fā)模式。LTB34D2—SC 與CS8032使用I2C總線方式對控制與狀態(tài)信息進行交互。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

CS8032型ONU模塊架構(gòu)適用于多種解決方案，除電力通信方案外也適用于家用光纖入網(wǎng)、電話入網(wǎng)等。在本方案中對不需要的模塊進行了適當裁剪，選擇SDRAM+Parallel Flash組合作為數(shù)據(jù)存儲部分，SDRAM采用MICRON公司的4 M×16 bit×4 banks規(guī)格的MT48LCM16A2P—7E型芯片，用于存儲實時系統(tǒng)中可讀寫變量、數(shù)據(jù)及堆棧。Parallel Flash采用Macronix公司的1 M×16 bit規(guī)格的MX29LV160DB型芯片，用于保存用戶配置參數(shù)、Bootloader鏡像、操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序鏡像。

2.4 RS—485轉(zhuǎn)換模塊

普通ONU設(shè)備由于工作對象的特點，大多未集成RS—485模塊與接口，需要外接轉(zhuǎn)換器，增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。為此，CS8032型ONU模塊設(shè)計了RS—485轉(zhuǎn)換電路，通過RS—485轉(zhuǎn)換芯片SP3485將CS8032的一路專用GPIO復(fù)用，用于連接智能電表。

2.5 模式選擇模塊

從CS8032引出6個需要的模式選擇引腳，調(diào)試狀態(tài)下可對不同模式進行測試與選擇模式選擇共有3組引腳排針，一組高電平，一組低電平，還有一組模式選擇引腳接主芯片。其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 模式選擇結(jié)構(gòu)

2.5.1 啟動模式

BOOT_MODE_0與BOOT_MODE_1為一對CPU啟動模式選擇引腳，本文將兩者都拉低選擇從并行FLASH啟動。

2.5.2 鏡像下載模式

MAGE_DOWNLOAD_0與IMAGE_DOWNLOAD_1為一對鏡像下載模式選擇引腳，本文采用并行FLASH下載模式。

2.5.3 SDRAM模式

CS8032內(nèi)置一片2 MB大小的SIP SDRAM,并配上一塊外部SDRAM，當系統(tǒng)軟件內(nèi)核及數(shù)據(jù)不適應(yīng)SIP SDRAM時，由SDRAM接手處理，RAM_SHARE置0選擇優(yōu)先SIP SDRAM處理，置1選擇全部交由外部SDRAM處理。

2.5.4 狀態(tài)模式

PCM_FSYNC為工作環(huán)境選擇引腳，置0為正常工作模式，置1為測試模式。

2.6 外圍電路

要實現(xiàn)電力ONU模塊，還需要電源模塊、時鐘模塊、JTAG調(diào)試與復(fù)位模塊。選用TPS54873型電源芯片，可調(diào)輸出電壓范圍為0.9～3.3 V，通過調(diào)節(jié)輔助電壓監(jiān)控輸入端的電阻由外部5 V電壓輸入獲得3.3，2.5，1.0 V3種所需電壓。系統(tǒng)時鐘由25 MHz晶振統(tǒng)一提供，經(jīng)CS8032內(nèi)部PLL鎖相環(huán)5倍頻達到125 MHz作為CS8032工作頻率。

3 電力ONU模塊的軟件設(shè)計

3.1 操作系統(tǒng)移植

電力ONU模塊采用uClinux實時操作系統(tǒng)，uClinux具有支持多任務(wù)、內(nèi)核精簡、高效穩(wěn)定的特點。根據(jù)電力ONU模塊的硬件環(huán)境進行配置和修改uClinux啟動所用的Bootloader，然后在宿主機編譯并鏈接uClinux，編譯得到映像文件，通過JTAG燒寫至Flash，最后通過Bootloader啟動電力ONU模塊的uClinux實時操作系統(tǒng)。

3.2 應(yīng)用程序設(shè)計

軟件功能部分主要是完成多功能電能表通信協(xié)議DL/T 645—2007與主站與采集終端通信協(xié)議Q/GDW 376.1—2009之間的解析，然后對解析出的數(shù)據(jù)進行分類處理。圖4為從OLT發(fā)送的376.1數(shù)據(jù)幀對智能電表命令幀流程圖。

圖4 命令幀流程圖

一條完整的下行376.1數(shù)據(jù)幀從光口流入，經(jīng)由ONU模塊解析并判斷，如果是指令幀，則對ONU模塊自身進行操作，如果是數(shù)據(jù)幀，則按645數(shù)據(jù)幀格式進行封裝并通過RS—485發(fā)送，智能電表接收后自動解析并對做出應(yīng)答。最后由RS—485回傳至ONU模塊成為一條上行數(shù)據(jù)幀。

4 測試與分析

測試用EPON平臺包含OLT設(shè)備與一個1∶16分光器，智能電表采用符合國網(wǎng)標準DTSD422型三相四線多功能電能表，該表已引出一路RS—485用于連接ONU模塊。

4.1 功能性測試

測試部分分為功能性測試與穩(wěn)定性測試。功能性測試通過上位機模擬電力中心主站發(fā)出下行數(shù)據(jù)幀，經(jīng)由EPON系統(tǒng)與ONU模塊解析達到智能電表，最后進行數(shù)據(jù)反饋，功能測試。

通過向ONU模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀的方式，分別對當前正向有功總電量、尖峰平谷四類電量、智能電表表號、地址、狀態(tài)、時間等進行了測試，成功得到智能電表DL/T 645數(shù)據(jù)幀回饋。經(jīng)測試表明，ONU模塊可以快速準確的完成DL/T 645—2007協(xié)議與Q/GDW 376.1—2009協(xié)議的解析與控制操作。

4.2 穩(wěn)定性測試

穩(wěn)定性測試使用512，768，1 024，1 536，2 048字節(jié)的 5種不同長度數(shù)據(jù)幀，同樣由上位機軟件模擬電力中心主站向EPON系統(tǒng)下ONU模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀，波特率采用2 400 bps，表2為該波特率下對不同長度幀進行的穩(wěn)定性測試。

表2 穩(wěn)定性測試

發(fā)送速度由PC軟件控制，根據(jù)不同幀長度而不同，發(fā)送數(shù)據(jù)由EPON系統(tǒng)吞吐速率決定，而整個EPON系統(tǒng)速率主要受最下一級ONU模塊與智能電表之間的RS—485通信方式所制約，結(jié)果表明，在測試環(huán)境下，ONU模塊的通信成功率為100 %。

5 結(jié)束語

EPON作為新一代電力通信技術(shù)支持方案，已逐步在試點區(qū)域推行。本文將電力ONU設(shè)備模塊化并嵌入智能電表，針對電力通信方案的特點配置電力ONU的各個模塊，設(shè)計并實現(xiàn)了具有良好功能與穩(wěn)定性的電力ONU模塊。目前該模塊已通過可靠性考核，并通過植入EPON系統(tǒng)測試，證明其指標滿足IEEE 802.3規(guī)范要求。

[1] 丁慧霞,滕 玲,許高雄.用于電力光纖到戶的光纖復(fù)合低壓電纜接續(xù)技術(shù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(11):222-227.

[2] 張 泰,顧曉峰,張大維,等.基于電力線載波通信的智能用電管理系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016,39(4):149-155.

[3] 范 宏,高 亮,周利俊,等.智能電網(wǎng)的電力光纖入戶技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備,2013,33(7):149-155.

[4] 袁超偉,張金波,姚建波.三網(wǎng)融合的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報,2010,33(6):1-12.

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[7] 熊 余,管建軍,王汝言.支持ONU模塊獨立不連續(xù)收發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)能方法[J].通信學(xué)報,2015,36(7):71-80.

[8] Q/GDW376.1—2009.主站與采集終端通信協(xié)議[S].2009.

[9] DL/T645—2007.多功能電能表通信協(xié)議[S].2007.

Design of power ONU modules based on EPON system*

TU Si-yuan, WU Bin, YU Zhi-guo, GU Xiao-feng

(Engineering Research Center of IoT Technology Applications of Ministry of Education,Department of Electronic Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China )

Aiming at the shortage of current power communication mode in terms of stability and security,power optical network unit(ONU)modules are designed based on ethernet passive optical network(EPON)system. A modularization method of ONU equipment is adopted to simplify the network structure of power communication, and the compact combination design of the power ONU modules is adopted to reduce the cost.In the hardware part, the design and implementation method of power ONU modules is described in detail, analyze the main control chip,optical transceiver module,data storage module and peripheral circuit; in the software part,the transplantation of operating system and the application program design process are given.Test results show that the power ONU modules meet the requirements of power communication.

power communication; EPON system; power optical network unit(ONU); modularization

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0134—03

2016—06—21

江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK20130156)；江蘇省六大人才高峰資助項目(DZXX—027)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(JUSRP51510)；江蘇省普通高校研究生實踐創(chuàng)新計劃項目(KYLX15—1192)

TN 913.7; TN 929.1

A

1000—9787(2017)05—0134—03

屠思遠(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。