摘要

本文檔介紹了采用C2000系列雙核（CM3+C28x）微控制器實現的，基于PRIME標準的電力線通信（PLC）數據集中器方案。本方案通過一顆Concerto MCU加SDRAM實現完整的PRIME協議棧，提供波特率115200bps的UART異步串行端口給客戶端主機進行網絡管理及數據通信，為需要低成本實現數據集中器功能的場合提供了有效的解決方案。

簡介

PRIME-PoweRline Intelligent Metering Evolution標準是由西班牙Iberdrola電力公司聯合有關的PLC芯片、系統(tǒng)、電表等廠商，為窄帶PLC電力線通信制定的遠程抄表技術標準，包括物理層和MAC層的數據傳輸標準。該技術的協議開放，實施無版權費用，不同廠商的產品能夠實現互聯互通。TI采用低成本的DSP控制器，以軟件的方式來實現PRIME協議，相較其他廠商以專用芯片ASIC的實現方式，提高了應用的靈活性。

事實上，早前TI已經采用OMAP1808實現了PRIME數據集中器的完整功能。本文介紹的方案，主要是將OMAP平臺的DC方案移植到單芯片Concerto上，實現一顆芯片完成PRIME的上層和底層MAC協議以及物理層協議，適用于低成本的嵌入式數據集中器應用，因此，我們也把該數據集中器方案簡稱為EDC，即Embedded Data Concentrate。
OMAP1808平臺的DC方案基于Linux操作系統(tǒng)，而本EDC方案基于TIRTOS操作系統(tǒng)，上層和下層MAC通信采用內部數據共享，不但系統(tǒng)精簡很多，占用資源少，而且數據更加可靠，除了沒有TCP/IP接口之外，所能管理及連接的節(jié)點數量與OMAP平臺的DC方案無異。

1 EDC系統(tǒng)架構

本方案采用Concerto系列芯片F28M35H52C1作為主芯片，處理PRIME協議的UPPER MAC及LOW MAC, PHY層協議。F28M35H52C1是一款雙核的MCU，它內部包含了Cortex m3主系統(tǒng)和TI C28x控制子系統(tǒng)兩個MCU系統(tǒng)，每個系統(tǒng)分別有512KB的Flash空間，Cortex m3獨立使用32KB RAM，TI C28x獨立使用36KB RAM，另外還有可配置使用權的 64KB的共享RAM（在EDC系統(tǒng)中全部被分配給C28x使用）和2KB的IPC Message RAM。在EDC系統(tǒng)應用中，Cortex m3核工作主頻為75MHz，它負責處理Upper MAC協議,C28x核工作主頻為150MHz，它負責處理Low MAC及PHY層協議，兩個核之間通過IPC內部數據共享區(qū)機制進行通信。主芯片MCU外加一個8M Bytes的SDRAM，由CM3核進行訪問，用來存儲節(jié)點信息數據庫等數據，目前系統(tǒng)使用的大小約為3M Bytes；另外有一個128KByts 的EEPROM，由C28x訪問，用來存儲系統(tǒng)掉電參數；模擬前端采用TI AFE031，支持三相和單相連接，由C28x核通過SPI接口對其進行控制。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。其中，CM3 通過1個GPIO口控制一個LED，在系統(tǒng)正常工作時以1Hz頻率進行顯示；C28x通過3個GPIO控制另外三個LED，分別指示C28x工作狀態(tài)及PLC通信狀態(tài)。

 

圖1 PRIME EDC系統(tǒng)架構示意圖

2 EDC方案特性

單芯片實現PLC PRIME DC完整功能。

 

提供UART接口與PC或用戶Host Processor進行通信，通信速率115200bps，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗。

提供PC(Ubuntu Linux OS)客戶端軟件進行模擬測試，客戶端軟件通過mgmt及IEC-432 API接口與EDC上運行的服務器端進行通信，用戶可參考這些客戶端軟件示例代碼實現Host代碼設計，客戶端軟件包括：

Management tool application

Base node conference tool application

IEC 61334-4-32 data transfer application

硬件設計保留C28x的SCIA UART通信接口，便于客戶使用TI提供的PC端ZCG工具軟件，通過連接PC的COM口或USB-UART轉接板至該接口來單獨對PLC PHY層參數進行測試。

3 硬件設計

3.1 參考原理圖

硬件相關的原理圖部分設計請參考圖2，圖3，圖4 所示。

 

圖2 主芯片MCU參考設計原理圖

 

 

圖3 SDRAM及UART接口參考設計原理圖

 

圖4 AFE031周邊電路參考設計原理圖

 

 

3.2電路板

EDC電路板實物如圖5及圖6所示。電路板正面放置MCU, AFE031及變壓器，電源IC等大部分器件，背面放置了一片SDRAM。MCU芯片左上方的彩色線連接部分為UART通信接口及UART打印信息輸出接口，左側為15V供電輸入接口及電表連接接口，該22pin接口按照中國國家電網《Q／GDW 375.2-2009》標準第6.3.1節(jié)中對集中器載波模塊的接口定義進行設計，其中的UART接口連接至MCU CM3核的UART0；右側黑膠布遮蓋部分為外接三相電力線接口，該接口同樣按照中國國家電網《Q／GDW 375.2-2009》標準第6.3.2節(jié)中對集中器載波模塊的載波耦合接口定義進行設計，Service node可以通過該三相電力線接口與EDC 進行單相或者三相的信號連接。EDC上電正常工作時，圖5所示右下方的LED（LED-4）燈會以1Hz 的頻率閃爍。

 

圖5 EDC電路板正面圖

 

圖6 EDC電路板背面圖

 

3.3 EDC與PLC節(jié)點組網連接

本例采用TI的TMDSPLCKIT-V3作為PLC節(jié)點，EDC與兩個PLC節(jié)點的連接如圖7所示，EDC的UART0接口與Linux PC 客戶端通過一個UART-USB轉接小板連接，連接如圖8所示。

 

圖7 EDC與PLC節(jié)點連接示意圖

 

圖8 EDC與PC連接示意圖

4 EDC可以實現的功能

• 支持多達1200個節(jié)點的注冊/注銷
• 支持最多3600路的Unicast MAC連接/釋放
• Keep Alive功能及自動調節(jié)Keep Alive檢查間隔時間
• IEC-61334-4-32邏輯鏈路層
• Appemu數據傳輸測試
• 支持節(jié)點中繼
• 節(jié)點promotion和demotion
• Multicast MAC連接/釋放
• 單點和多點firmware upgrade
• 支持使用IEC 61334-4-32服務的外部應用
• 支持外部管理GUI
• 支持Linux客戶端命令進行DC一致性測試

 

5 EDC運行需要的目標代碼及Linux客戶端軟件

Concerto目標代碼：prime_dc_concerto_cm3.out prime_dc_concerto_c28x.out

Linux客戶端軟件：uart_intf, mgmt_cli, ext432App, bn_conf_tool

6 PRIME EDC基本功能演示

PRIME EDC的功能演示基于一個PRIME網絡進行，該網絡由一個base node和幾個service node組成，EDC就是其中的base node。功能演示包括以下幾個部分：

1.節(jié)點注冊、節(jié)點注銷

2.Keep Alive監(jiān)測

3.節(jié)點連接、斷開連接

4.節(jié)點升級（至中繼節(jié)點），節(jié)點降級（至終端節(jié)點）

5.按照IEC-61334-4-32協議進行數據傳輸

6.固件在線更新（單播和群播）

參考圖7的網絡連接示意圖搭建演示網絡，參考圖8連接EDC的UART1至Linux PC，給EDC及service node加電后，系統(tǒng)將自動完成網絡連接。通過在Linux PC端的進行對應的命令行操作，即可實現以上功能演示。Linux PC端的命令行操作參考后續(xù)章節(jié)介紹。

7 Linux PC端命令行操作說明

準備一臺安裝ubuntu Linux OS的PC，將提供的Linux客戶端軟件：uart_intf, mgmt_cli, ext432App, bn_conf_tool復制到Home路徑下。

 

 

7.1 打開UART中繼

在Linux PC上打開一個Terminal，進入uart_intf路徑，執(zhí)行“make clean”命令，清除舊的可執(zhí)行文件，然后執(zhí)行“make PREFIX=”命令，生成適合本系統(tǒng)的可執(zhí)行文件uart_intf。在當前路徑下，鍵入以下命令開啟UART 中繼：

sudo./uart_info–c/dev/ttyUSB0

命令被正常執(zhí)行后，顯示以下提示：

 

圖9 Linux UART連接提示

其中的TCP port<57777>, TCP port<56666>, TCP port<58888>為后續(xù)數據傳輸，網絡管理及DC一致性檢查等客戶端進程所要用到的端口參數。

7.2 mgmt網絡管理工具客戶端及其常用命令參考

在Linux PC上打開一個新的Terminal，進入mgmt_cli路徑，執(zhí)行“make clean”命令，清除舊的可執(zhí)行文件，然后執(zhí)行“make PREFIX=”命令，生成適合本系統(tǒng)的可執(zhí)行文件pdc_mgmt_cli。

在當前路徑下，鍵入以下命令運行網絡管理工具客戶端：

./pdc_mgmt_cli–p 56666

命令正常執(zhí)行后，顯示以下提示：

connecting to 127.0.0.1:56666

connected

>>

在>>提示符下鍵入?后回車，即可列出該客戶端支持的所有命令列表；在使用某一命令時，如不知道如何使用參數，也可在命令后加空格和？，命令所需要的參數及參數范圍就會顯示出來。

部分常用命令說明：

7.2.1 ？

功能：列出所有命令列表如下：

get-dc-std

get-node-info

get-switch-info

get-terminal-info

get-mac-uc-conn-info

unreg-node

close-mac-uc-conn

pro-term

dem-switch

set-ka-tmo

get-ka-tmo

ena-ka-auto-adj

dis-ka-auto-adj

start-uc-fu

start-mc-fu

show-uc-fu

show-mc-fu

cancel-fu

add-to-black-list

rm-from-black-list

show-black-list

ena-event

dis-event

get-pib

set-pib

reboot-sn

send-new-image

del-curr-image

show-curr-image

add-node-to-fu-mc-gp

rm-node-from-fu-mc-gp

del-fu-mc-gp

show-fu-mc-gp

get-phy-tx-paras

set-phy-tx-paras

set-alv-params

get-alv-params

7.2.2 CTRL+c

功能：退出mgmt客戶端，回到Linux命令行

7.2.3 get-dc-std

功能：獲取DC執(zhí)行的標準

示例：

>>get-dc-std

PRIME

7.2.4 get-node-info

功能：獲取當前連接到PRIME網絡的節(jié)點信息。

示例：

 

7.2.5 get-ka-tmo

功能：獲取當前Keep Alive檢查超時時間

示例：

>>get-ka-tmo

128 seconds

7.2.6 set-ka-tmo

功能：設置當前Keep Alive檢查超時時間

示例：

>>set-ka-tmo–t 32

Keep alive timeout is now 32 seconds.

7.2.7 pro-term

功能：將終端節(jié)點升級為中繼節(jié)點

示例：

>>pro-term-l 2 –s 0

Request sent…

7.2.8 send-new-image

功能：下載固件到DC

示例：

>>send-new-image –f /filefolder/prime_7.6.1.sbin–p 128

7.2.9 show-curr-image

功能：查看當前DC 中存儲的固件信息

示例：

>>show-curr-image

Image file name: /filefolder/prime_7.6.1.sbin

Image CRC: 0xa57439b1

Image size: 187958 bytes

7.2.10 del-curr-image

功能：刪除當前DC 中存儲的固件。下載新的固件之前，必須先執(zhí)行該命令刪除當前固件。

示例：

>>del-curr-image

7.2.11 start-uc-fu

功能：啟動unicast固件更新

示例：

>>start-uc-fu–f drunk.sbin–e 55:55:55:55:55:55–p 128

7.2.12 cancel-fu

功能：取消當前固件更新

示例：

>>cancel-fu

7.2.13 show-uc-fu

功能：顯示當前固件更新狀態(tài)及信息

示例：

 

>>show-uc-fu

Image File Name: /filefolder/prime_7.6.1.sbin

Node: 55:55:55:55:55:55

Image CRC: 0xa57439b1

Page Size: 128 bytes

Image Size: 187958 bytes

Page Count: 1469

Pgae Sent: 980

Communication State: CONNECTED

Upgrade FSM State: PAGE TRANSFER

 

 

7.3 IEC61334-4-32數據通信上層應用示例

PRIME EDC允許外部應用遵循IEC61334-4-32協議來與網絡中的節(jié)點進行通信。本方案提供了Linux平臺的應用程序參考代碼。

在Linux PC上打開一個新的Terminal，進入ext432app路徑，執(zhí)行“make clean”命令，清除舊的可執(zhí)行文件，然后執(zhí)行“make PREFIX=”命令，生成適合本系統(tǒng)的可執(zhí)行文件pdc_app432。

在當前路徑下，鍵入以下命令啟動數據通信進程：

/pdc_app432–p 57777–l 64–ds 1–da 2

參數說明:

 

• -l用來指定要下發(fā)的數據字節(jié)數，參數取值范圍為1~200；
• -ds用來指定目標節(jié)點的SAP地址，參數取值范圍0~191；
• -da用來指定通信連接的節(jié)點432地址，該地址從get-node-info命令所獲得的節(jié)點信息中獲取。

 

執(zhí)行pdc_app432命令之前，需要參考圖10，用ZGUI工具將TI PLC V3-KIT配置為AppEmu-LLC模式。在該模式下，當Linux客戶端執(zhí)行pdc_app432命令后，PLC Module就會將收到的數據回傳給DC，DC再通過UART上傳到PC，并在pdc_app432所在的Terminal上顯示出來。傳輸190個字節(jié)的數據包時，運行結果參考圖11所示。

 

圖10 用ZGUI工具配置節(jié)點為AppEMU-LLC模式

 

圖11 數據傳輸測試運行結果

參考文檔

1.TI PRIME DC Software User Guide
2.TI PRIME DC IEC-61334-4-32 API SPEC
3.Concerto F28M35x Technical Reference Manual（SPRUH22B）
4.Concerto Microcontrollers （SPRS742C）
5.Q／GDW 375.2-2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)型式規(guī)范：集中器型式規(guī)范》