電力物聯(lián)網(wǎng)通信模塊規(guī)模化升級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹 波，欒治偉，羅 丹，肖德勇，王賢輝

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 昌平 100192）

0 引言

伴隨智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)，我國已逐步建立和完善了電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)，電力物聯(lián)網(wǎng)本地通信模塊是支撐用電信息采集系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[1]，主要有中央?yún)f(xié)調(diào)器（central coordinator，CCO）、代理協(xié)調(diào)器（proxy coordinator，PCO）、終端站點(diǎn)（station，STA）等。通信模塊生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜，其中模塊程序升級(jí)作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，完成升級(jí)后將會(huì)在使用現(xiàn)場安裝調(diào)試。同時(shí)，由于模塊需求、生產(chǎn)規(guī)模較大，對(duì)于如何提高升級(jí)效率及準(zhǔn)確率，就成為亟需解決的問題。

對(duì)于通信模塊升級(jí)，當(dāng)前采用主要方式有3 種。第一，可通過在線升級(jí)的方法實(shí)現(xiàn)通信模塊的升級(jí)。通過多個(gè)通信模塊組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過廣播升級(jí)的方式進(jìn)行升級(jí)[2]。該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)批量化升級(jí)，但存在以下一些缺點(diǎn)：升級(jí)前須要組網(wǎng)；升級(jí)過程中網(wǎng)絡(luò)沖突、通信誤碼等均會(huì)導(dǎo)致丟包，由此存在一定概率的升級(jí)不能成功的情況；須要系統(tǒng)不斷地進(jìn)行查詢和補(bǔ)包，升級(jí)效率低下；多個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)升級(jí)時(shí)，存在嚴(yán)重的相互干擾情況。第二，離線式升級(jí)方法。針對(duì)通信模塊上存儲(chǔ)固件的Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行直接擦寫操作。該方法將對(duì)通信模塊保存的序列號(hào)、通信參數(shù)等過程信息一并擦除，導(dǎo)致產(chǎn)品可追溯性丟失，而且離線升級(jí)工具一般最多為4～8 通道，無法支持通信模塊的批量化升級(jí)工作，升級(jí)效率較低。第三，通過PC 和工裝板直接對(duì)通信模塊進(jìn)行逐個(gè)升級(jí)，若須要批量化升級(jí)，則須要多臺(tái)PC 和多個(gè)工裝板同時(shí)操作，由于此方法的升級(jí)效率低，且須要的設(shè)備多，不利于規(guī)?；a(chǎn)的使用。當(dāng)前眾多學(xué)者的研究多集中于嵌入式模塊端升級(jí)策略[3-5]，針對(duì)電力通信模塊升級(jí)的實(shí)現(xiàn)主要針對(duì)通信模塊在線升級(jí)，通過組網(wǎng)的方式進(jìn)行升級(jí)，通過集中器將升級(jí)程序傳輸給終端模塊[6-7]。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電力物聯(lián)網(wǎng)本地通信模塊規(guī)?；?jí)系統(tǒng)包含升級(jí)軟件、升級(jí)工裝設(shè)備、模塊端程序擴(kuò)展，通過升級(jí)工裝設(shè)備一拖多連接模塊業(yè)務(wù)串口進(jìn)行升級(jí)，具有自動(dòng)化、批量化、效率高等特點(diǎn)，能夠很好地滿足生產(chǎn)中的需求。

1 升級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

通信模塊批量升級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，有線程調(diào)度、通信控制、文件解析、文件傳輸、波特率協(xié)商、版本驗(yàn)證、數(shù)據(jù)庫交互以及外部系統(tǒng)接口等模塊。在通信模塊程序獲取方面有2 種方式：一是通過外部系統(tǒng)接口模塊與外部生產(chǎn)管理系統(tǒng)，如過程控制或制造執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接交互，通過模塊ID與版本匹配進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)，并返回升級(jí)結(jié)果；二是在沒有外部系統(tǒng)情況下，可以人工手動(dòng)進(jìn)行選擇保存版本，后續(xù)模塊將升級(jí)到該版本。通信控制模塊用來與升級(jí)工裝設(shè)備下接模塊建立連接，然后給各個(gè)模塊分配不同的地址。線程調(diào)度模塊確保升級(jí)工裝設(shè)備下接多個(gè)模塊同時(shí)升級(jí)并且互不影響。文件解析模塊通過對(duì)外部系統(tǒng)獲取模塊或者人工選擇模塊程序的頭文件進(jìn)行解析，在保證升級(jí)文件合法同時(shí)，獲取升級(jí)程序版本號(hào)，以便后續(xù)驗(yàn)證升級(jí)結(jié)果。波特率協(xié)商模塊支持軟件系統(tǒng)與模塊程序進(jìn)行波特率協(xié)商，以獲取模塊最大支持串口波特率，以最大波特率進(jìn)行傳輸，提高文件傳輸效率。版本驗(yàn)證模塊用來驗(yàn)證升級(jí)結(jié)果是否正確。

圖1 升級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)圖

升級(jí)工裝包含主控裝置和從控裝置，升級(jí)軟件與主控裝置相連接，多個(gè)從控裝置以一一對(duì)應(yīng)的方式與所述多個(gè)通信模塊相連接。升級(jí)軟件啟動(dòng)后，通過與各個(gè)從控裝置下的模塊建立連接、查詢版本、協(xié)商波特率等操作后，開始下發(fā)文件傳輸指令，進(jìn)行升級(jí)。

2 升級(jí)軟件

2.1 軟件功能設(shè)計(jì)

升級(jí)軟件的詳細(xì)功能主要有升級(jí)文件獲取及解析、與下接模塊建立連接、波特率自適應(yīng)協(xié)商、查詢版本號(hào)、文件傳輸、串口-插槽匹配、升級(jí)結(jié)果驗(yàn)證等。

2.1.1 升級(jí)文件解析及分塊

升級(jí)文件頭中有該升級(jí)文件對(duì)應(yīng)的版本號(hào)、廠家等信息標(biāo)識(shí)。在升級(jí)軟件中選擇升級(jí)文件后，一是解析文件頭中文件信息，獲取相應(yīng)版本信息，如果不能解析，則提示升級(jí)文件格式不正確，如果解析成功，將保存升級(jí)文件版本號(hào)，以備后期升級(jí)驗(yàn)證使用，判定模塊是否升級(jí)成功；二是升級(jí)文件分塊，升級(jí)系統(tǒng)采用擴(kuò)展的DL/T-698.45 文件傳輸協(xié)議，支持報(bào)文長度較大，為提高文件傳輸速度，減少與模塊端交互，將升級(jí)文件按報(bào)文最大容納長度進(jìn)行分塊。

2.1.2 建立連接

與通信模塊建立連接，升級(jí)軟件啟動(dòng)后就開始對(duì)各個(gè)串口開啟監(jiān)聽，收到STA 地址報(bào)文后，給STA 分配地址，按照串口編號(hào)將STA 分配地址，保證STA 地址不會(huì)重復(fù)，分配地址后建立連接。

2.1.3 波特率自適應(yīng)

本地通信模塊啟動(dòng)后業(yè)務(wù)串口是以一定的波特率（2 400、9 600、115 200 Baud）進(jìn)行輪番發(fā)出搜表幀以獲取地址，對(duì)于后期文件傳輸，該波特率傳輸文件較慢，升級(jí)軟件給模塊分配表地址后，開始啟動(dòng)波特率自適應(yīng)協(xié)商功能，將模塊業(yè)務(wù)口波特率以460 800、230 400、115 200 Baud，按照從高到低波特率進(jìn)行協(xié)商，以探測模塊端支持的最大波特率，以此波特率進(jìn)行文件傳輸，提升文件傳輸速度。

2.1.4 查詢版本號(hào)

與模塊端通信建立之后，將查詢模塊端的版本號(hào)。對(duì)于升級(jí)而言，如果通信模塊版本號(hào)和升級(jí)文件版本號(hào)一致，則不用升級(jí)，直接可以判斷該模塊程序符合需求，避免后續(xù)一系列無效操作，提高效率。

2.1.5 串口與插槽匹配

升級(jí)軟件通過將識(shí)別到USB 擴(kuò)展器端口與工裝設(shè)備插槽進(jìn)行匹配，方便操作人員能夠?qū)?yīng)升級(jí)軟件與模塊的升級(jí)進(jìn)度。升級(jí)工裝每個(gè)插槽升級(jí)是通過獨(dú)立串口與USB 擴(kuò)展器連接，然后連接到升級(jí)軟件，插槽之間相互獨(dú)立，互不影響，避免由于組網(wǎng)造成的干擾。

2.1.6 文件傳輸

升級(jí)軟件文件傳輸功能，首先是將文件按照協(xié)議支持最大報(bào)文長度進(jìn)行分塊，將每一塊內(nèi)容進(jìn)行編號(hào)，附加在報(bào)文里，然后按順序依次將分塊內(nèi)容及分塊編號(hào)傳輸給通信模塊，通信模塊成功收到報(bào)文后，將報(bào)文編號(hào)返回給升級(jí)軟件，升級(jí)軟件收到編號(hào)后開始發(fā)送下一塊內(nèi)容，升級(jí)軟件如果沒有收到模塊端返回的信息，會(huì)啟動(dòng)重傳機(jī)制，當(dāng)重傳達(dá)到上限后，則認(rèn)為與模塊端通信失敗，判定升級(jí)失??；然后，升級(jí)軟件該串口開始重新監(jiān)聽機(jī)制，等待新模塊或者該模塊再次重新升級(jí)。

2.1.7 升級(jí)結(jié)果判定

傳輸文件成功后，升級(jí)軟件開始監(jiān)聽，等待模塊端重新啟動(dòng)，以驗(yàn)證升級(jí)結(jié)果，保證升級(jí)的可靠性；模塊啟動(dòng)后，升級(jí)軟件會(huì)主動(dòng)查詢模塊版本號(hào)，和升級(jí)文件版本號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如果一致，則判定升級(jí)成功，否則判斷升級(jí)失敗。

升級(jí)軟件功能流程如圖2 所示。

圖2 升級(jí)流程

2.2 軟件界面設(shè)計(jì)

工具欄能夠較好地實(shí)現(xiàn)軟件功能，在升級(jí)面板中能實(shí)時(shí)顯示每個(gè)串口升級(jí)進(jìn)度、狀態(tài)。升級(jí)面板中有10 個(gè)子窗體，顯示每個(gè)串口連接設(shè)備的文件傳輸進(jìn)度。子窗體中會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的串口編號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別對(duì)應(yīng)升級(jí)工裝的串口，并按照順序進(jìn)行展示；如果不能識(shí)別，則須要進(jìn)行手動(dòng)匹配串口，可在下拉框內(nèi)選擇設(shè)備對(duì)應(yīng)的串口。升級(jí)狀態(tài)欄會(huì)顯示該模塊所處于的升級(jí)狀態(tài)，升級(jí)狀態(tài)如表1 所示，能夠清晰展示該串口從模塊插入建立連接到最后升級(jí)成功或失敗的過程。

表1 升級(jí)狀態(tài)明細(xì)

3 模塊端功能

通信模塊安裝在升級(jí)工裝插槽內(nèi)，上電后開始以默認(rèn)波特率發(fā)送搜表報(bào)文，與升級(jí)軟件建立連接，接受升級(jí)軟件修改波特率指令，切換到相同波特率。然后上位機(jī)將拆分好的升級(jí)文件通過擴(kuò)展工裝命令進(jìn)行下發(fā)。升級(jí)軟件和STA 所有交互都是一問一答方式。通信模塊業(yè)務(wù)串口接收到升級(jí)文件后，從第一包數(shù)據(jù)中找到升級(jí)文件頭信息，對(duì)廠商代碼、版本號(hào)進(jìn)行信息校驗(yàn)，若檢驗(yàn)成功，則將文件塊編號(hào)返回給升級(jí)軟件，開始繼續(xù)文件傳輸；否則結(jié)返回給升級(jí)軟件的標(biāo)志為失敗，結(jié)束升級(jí)，以保證安全性。模塊端在接收文件時(shí)，考慮模塊的存儲(chǔ)空間，使用4 KB 緩存，每接收滿2 KB 寫入一次flash。升級(jí)文件全部接收完成，重新從flash 中讀取出來，進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確更新imageinfo 信息，立即重啟，若校驗(yàn)不正確則直接重啟。通信模塊接收文件時(shí)超過1 min 無報(bào)文交互、或報(bào)文交互一直錯(cuò)誤，執(zhí)行結(jié)束升級(jí)流程。在升級(jí)過程中不可避免出現(xiàn)升級(jí)文件傳輸以及斷電等故障，模塊端具有良好的容錯(cuò)機(jī)制，如文件信息校驗(yàn)、版本校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)等，有助于保障模塊系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、可用性。

4 升級(jí)工裝設(shè)備

一拖十升級(jí)工裝設(shè)備實(shí)物如圖3 所示，升級(jí)板設(shè)備主要有電源開關(guān)、電源開關(guān)指示燈、電源插座、單相模塊弱電插槽接口、三相模塊弱電插槽接口、模塊串口收發(fā)數(shù)據(jù)指示燈、USB 轉(zhuǎn)TTL 排針座子等元器件。使用TTL 轉(zhuǎn)USB 串口線，將模塊插槽與USB 擴(kuò)展器連接，將擴(kuò)展器接入到電腦端，能夠檢測USB 擴(kuò)展器上連接的串口設(shè)備，顯示到升級(jí)軟件指示面板中，并且升級(jí)面板與升級(jí)工裝設(shè)備插槽一一對(duì)應(yīng)。升級(jí)工裝設(shè)計(jì)中預(yù)留單相和三相插槽，兼容單相和三相模塊。工裝設(shè)備添加模塊串口收發(fā)數(shù)據(jù)指示燈，用戶使用過程中能夠清晰看到哪些模塊正在進(jìn)行文件傳輸，哪些模塊已經(jīng)完成。

圖3 一拖十升級(jí)工裝設(shè)備

升級(jí)工裝設(shè)計(jì)有10 個(gè)插槽，每個(gè)插槽獨(dú)立通過TTL 轉(zhuǎn)串口線與USB 擴(kuò)展器進(jìn)行連接，每個(gè)接口獨(dú)立，互不影響。在使用過程中可以單獨(dú)對(duì)具體某個(gè)插槽進(jìn)行升級(jí)，也可以對(duì)所有插槽進(jìn)行升級(jí)，升級(jí)完成之后，可以插入新的模塊進(jìn)行連續(xù)升級(jí)，以提高模塊升級(jí)效率。

5 升級(jí)系統(tǒng)測試及應(yīng)用

升級(jí)系統(tǒng)測試：升級(jí)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室做了批量規(guī)模測試，測試環(huán)境如下：3 種升級(jí)方式進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。批量升級(jí)系統(tǒng)在不同參數(shù)環(huán)境下對(duì)比，升級(jí)100 個(gè)模塊，記錄升級(jí)時(shí)間及結(jié)果如表3 所示。

表2 不同升級(jí)方式試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3 批量升級(jí)系統(tǒng)在不同參數(shù)下試驗(yàn)結(jié)果

測試結(jié)果分析：通過試驗(yàn)結(jié)果表2 可知，批量升級(jí)工具由于具有并行策略，同時(shí)可以批量升級(jí)多塊工裝，單塊平均耗用時(shí)間較少，僅僅是工裝板升級(jí)1/10；在線組網(wǎng)升級(jí)須要有大規(guī)模組網(wǎng)環(huán)境，升級(jí)前期準(zhǔn)備時(shí)間較長，后續(xù)文件廣播傳輸，受干擾較多，成功率相對(duì)較低。

通過試驗(yàn)結(jié)果表2 可知，該批量升級(jí)系統(tǒng)升級(jí)成功率較高，基本能保證100%升級(jí)成功率。得益于在該升級(jí)模式下，通信模塊受到的干擾較少，以及軟件端和模塊端健全的容錯(cuò)機(jī)制；在一拖十和一拖一情況下，升級(jí)完成時(shí)間接近，基本能保證在85 s 內(nèi)升級(jí)完成，升級(jí)效率較高；不同版本情況下時(shí)間差異較大，接近10 s 左右，主要是由于模塊端采用差分模式進(jìn)行讀寫操作，在版本差異較小情況下，模塊升級(jí)重啟耗費(fèi)時(shí)間較少；在差異較大情況下耗時(shí)較多。

該通信模塊批量升級(jí)系統(tǒng)的應(yīng)用，減少了模塊生產(chǎn)過程中所須升級(jí)時(shí)間，保證了升級(jí)準(zhǔn)確度，對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)通信模塊批量化、規(guī)模化生產(chǎn)具有重要意義。

6 結(jié)束語

在深入分析研究現(xiàn)有電力物聯(lián)網(wǎng)通信模塊升級(jí)模式的基礎(chǔ)上，為滿足生產(chǎn)中所需的通信模塊業(yè)務(wù)口批量升級(jí)要求，設(shè)計(jì)了一種包含軟件和硬件的通信模塊批量升級(jí)系統(tǒng)，包括升級(jí)軟件、模塊端嵌入式、升級(jí)工裝設(shè)備。該升級(jí)系統(tǒng)具有自動(dòng)化、高效率、高成功率的特點(diǎn)，在生產(chǎn)工廠實(shí)際使用過程中能夠較好滿足需求。