摘要

本文檔介紹了采用C2000系列雙核（CM3+C28x）微控制器實(shí)現(xiàn)的，基于PRIME標(biāo)準(zhǔn)的電力線通信（PLC）數(shù)據(jù)集中器方案。本方案通過(guò)一顆Concerto MCU加SDRAM實(shí)現(xiàn)完整的PRIME協(xié)議棧，提供波特率115200bps的UART異步串行端口給客戶端主機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理及數(shù)據(jù)通信，為需要低成本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器功能的場(chǎng)合提供了有效的解決方案。

簡(jiǎn)介

PRIME-PoweRline Intelligent Metering Evolution標(biāo)準(zhǔn)是由西班牙Iberdrola電力公司聯(lián)合有關(guān)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(yuǎn)程抄表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括物理層和MAC層的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)的協(xié)議開(kāi)放，實(shí)施無(wú)版權(quán)費(fèi)用，不同廠商的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通。TI采用低成本的DSP控制器，以軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PRIME協(xié)議，相較其他廠商以專用芯片ASIC的實(shí)現(xiàn)方式，提高了應(yīng)用的靈活性。

事實(shí)上，早前TI已經(jīng)采用OMAP1808實(shí)現(xiàn)了PRIME數(shù)據(jù)集中器的完整功能。本文介紹的方案，主要是將OMAP平臺(tái)的DC方案移植到單芯片Concerto上，實(shí)現(xiàn)一顆芯片完成PRIME的上層和底層MAC協(xié)議以及物理層協(xié)議，適用于低成本的嵌入式數(shù)據(jù)集中器應(yīng)用，因此，我們也把該數(shù)據(jù)集中器方案簡(jiǎn)稱為EDC，即Embedded Data Concentrate。
OMAP1808平臺(tái)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(nèi)部數(shù)據(jù)共享，不但系統(tǒng)精簡(jiǎn)很多，占用資源少，而且數(shù)據(jù)更加可靠，除了沒(méi)有TCP/IP接口之外，所能管理及連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與OMAP平臺(tái)的DC方案無(wú)異。

1 EDC系統(tǒng)架構(gòu)

本方案采用Concerto系列芯片F(xiàn)28M35H52C1作為主芯片，處理PRIME協(xié)議的UPPER MAC及LOW MAC, PHY層協(xié)議。F28M35H52C1是一款雙核的MCU，它內(nèi)部包含了Cortex m3主系統(tǒng)和TI C28x控制子系統(tǒng)兩個(gè)MCU系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)分別有512KB的Flash空間，Cortex m3獨(dú)立使用32KB RAM，TI C28x獨(dú)立使用36KB RAM，另外還有可配置使用權(quán)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(yīng)用中，Cortex m3核工作主頻為75MHz，它負(fù)責(zé)處理Upper MAC協(xié)議,C28x核工作主頻為150MHz，它負(fù)責(zé)處理Low MAC及PHY層協(xié)議，兩個(gè)核之間通過(guò)IPC內(nèi)部數(shù)據(jù)共享區(qū)機(jī)制進(jìn)行通信。主芯片MCU外加一個(gè)8M Bytes的SDRAM，由CM3核進(jìn)行訪問(wèn)，用來(lái)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)，目前系統(tǒng)使用的大小約為3M Bytes；另外有一個(gè)128KByts 的EEPROM，由C28x訪問(wèn)，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)掉電參數(shù)；模擬前端采用TI AFE031，支持三相和單相連接，由C28x核通過(guò)SPI接口對(duì)其進(jìn)行控制。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。其中，CM3 通過(guò)1個(gè)GPIO口控制一個(gè)LED，在系統(tǒng)正常工作時(shí)以1Hz頻率進(jìn)行顯示；C28x通過(guò)3個(gè)GPIO控制另外三個(gè)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(gòu)示意圖

2 EDC方案特性

單芯片實(shí)現(xiàn)PLC PRIME DC完整功能。

提供UART接口與PC或用戶Host Processor進(jìn)行通信，通信速率115200bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。

提供PC(Ubuntu Linux OS)客戶端軟件進(jìn)行模擬測(cè)試，客戶端軟件通過(guò)mgmt及IEC-432 API接口與EDC上運(yùn)行的服務(wù)器端進(jìn)行通信，用戶可參考這些客戶端軟件示例代碼實(shí)現(xiàn)Host代碼設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)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(guò)連接PC的COM口或USB-UART轉(zhuǎn)接板至該接口來(lái)單獨(dú)對(duì)PLC PHY層參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 參考原理圖

硬件相關(guān)的原理圖部分設(shè)計(jì)請(qǐng)參考圖2，圖3，圖4 所示。

圖2 主芯片MCU參考設(shè)計(jì)原理圖

圖3 SDRAM及UART接口參考設(shè)計(jì)原理圖

圖4 AFE031周邊電路參考設(shè)計(jì)原理圖

3.2電路板

EDC電路板實(shí)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(cè)為15V供電輸入接口及電表連接接口，該22pin接口按照中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)《Q／GDW 375.2-2009》標(biāo)準(zhǔn)第6.3.1節(jié)中對(duì)集中器載波模塊的接口定義進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中的UART接口連接至MCU CM3核的UART0；右側(cè)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(guó)國(guó)家電網(wǎng)《Q／GDW 375.2-2009》標(biāo)準(zhǔn)第6.3.2節(jié)中對(duì)集中器載波模塊的載波耦合接口定義進(jìn)行設(shè)計(jì)，Service node可以通過(guò)該三相電力線接口與EDC 進(jìn)行單相或者三相的信號(hào)連接。EDC上電正常工作時(shí)，圖5所示右下方的LED（LED-4）燈會(huì)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(diǎn)組網(wǎng)連接

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

圖7 EDC與PLC節(jié)點(diǎn)連接示意圖

圖8 EDC與PC連接示意圖

4 EDC可以實(shí)現(xiàn)的功能

• 支持多達(dá)1200個(gè)節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)/注銷
• 支持最多3600路的Unicast MAC連接/釋放
• Keep Alive功能及自動(dòng)調(diào)節(jié)Keep Alive檢查間隔時(shí)間
• IEC-61334-4-32邏輯鏈路層
• Appemu數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試
• 支持節(jié)點(diǎn)中繼
• 節(jié)點(diǎn)promotion和demotion
• Multicast MAC連接/釋放
• 單點(diǎn)和多點(diǎn)firmware upgrade
• 支持使用IEC 61334-4-32服務(wù)的外部應(yīng)用
• 支持外部管理GUI
• 支持Linux客戶端命令進(jìn)行DC一致性測(cè)試

5 EDC運(yùn)行需要的目標(biāo)代碼及Linux客戶端軟件

Concerto目標(biāo)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(gè)PRIME網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，該網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)base node和幾個(gè)service node組成，EDC就是其中的base node。功能演示包括以下幾個(gè)部分：

1.節(jié)點(diǎn)注冊(cè)、節(jié)點(diǎn)注銷

2.Keep Alive監(jiān)測(cè)

3.節(jié)點(diǎn)連接、斷開(kāi)連接

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

5.按照IEC-61334-4-32協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

6.固件在線更新（單播和群播）

參考圖7的網(wǎng)絡(luò)連接示意圖搭建演示網(wǎng)絡(luò)，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(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)連接。通過(guò)在Linux PC端的進(jìn)行對(duì)應(yīng)的命令行操作，即可實(shí)現(xiàn)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(shuō)明

準(zhǔn)備一臺(tái)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(fù)制到Home路徑下。

7.1 打開(kāi)UART中繼

在Linux PC上打開(kāi)一個(gè)Terminal，進(jìn)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(dāng)前路徑下，鍵入以下命令開(kāi)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(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)管理及DC一致性檢查等客戶端進(jìn)程所要用到的端口參數(shù)。

7.2 mgmt網(wǎng)絡(luò)管理工具客戶端及其常用命令參考

在Linux PC上打開(kāi)一個(gè)新的Terminal，進(jìn)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(dāng)前路徑下，鍵入以下命令運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)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(shí)，如不知道如何使用參數(shù)，也可在命令后加空格和？，命令所需要的參數(shù)及參數(shù)范圍就會(huì)顯示出來(lái)。

部分常用命令說(shuō)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(biāo)準(zhǔn)

示例：

>>get-dc-std

PRIME

7.2.4 get-node-info

功能：獲取當(dāng)前連接到PRIME網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)信息。

示例：

7.2.5 get-ka-tmo

功能：獲取當(dāng)前Keep Alive檢查超時(shí)時(shí)間

示例：

>>get-ka-tmo

128 seconds

7.2.6 set-ka-tmo

功能：設(shè)置當(dāng)前Keep Alive檢查超時(shí)時(shí)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(diǎn)升級(jí)為中繼節(jié)點(diǎn)

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(dāng)前DC 中存儲(chǔ)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(dāng)前DC 中存儲(chǔ)的固件。下載新的固件之前，必須先執(zhí)行該命令刪除當(dāng)前固件。

示例：

>>del-curr-image

7.2.11 start-uc-fu

功能：?jiǎn)?dòng)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(dāng)前固件更新

示例：

>>cancel-fu

7.2.13 show-uc-fu

功能：顯示當(dāng)前固件更新?tīng)顟B(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(shù)據(jù)通信上層應(yīng)用示例

PRIME EDC允許外部應(yīng)用遵循IEC61334-4-32協(xié)議來(lái)與網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。本方案提供了Linux平臺(tái)的應(yīng)用程序參考代碼。

在Linux PC上打開(kāi)一個(gè)新的Terminal，進(jìn)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(dāng)前路徑下，鍵入以下命令啟動(dòng)數(shù)據(jù)通信進(jìn)程：

/pdc_app432–p 57777–l 64–ds 1–da 2

參數(shù)說(shuō)明:

• -l用來(lái)指定要下發(fā)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，參數(shù)取值范圍為1~200；
• -ds用來(lái)指定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的SAP地址，參數(shù)取值范圍0~191；
• -da用來(lái)指定通信連接的節(jié)點(diǎn)432地址，該地址從get-node-info命令所獲得的節(jié)點(diǎn)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(dāng)Linux客戶端執(zhí)行pdc_app432命令后，PLC Module就會(huì)將收到的數(shù)據(jù)回傳給DC，DC再通過(guò)UART上傳到PC，并在pdc_app432所在的Terminal上顯示出來(lái)。傳輸190個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包時(shí)，運(yùn)行結(jié)果參考圖11所示。

圖10 用ZGUI工具配置節(jié)點(diǎn)為AppEMU-LLC模式

圖11 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試運(yùn)行結(jié)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》