摘要
本文檔介紹了采用C2000 系列雙核（CM3+C28x）微控制器實現(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。本方案通過一顆Concerto MCU 加SDRAM 實現(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進行網(wǎng)絡(luò)管理及數(shù)據(jù)通信，為需要低成本實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(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)議開放，實施無版權(quán)費用，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，以軟件的方式來實現(xiàn) PRIME 協(xié)議，相較其他廠商以專用芯片ASIC 的實現(xiàn)方式，提高了應(yīng)用的靈活性。
事實上，早前TI 已經(jīng)采用OMAP1808 實現(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 平臺的DC 方案移植到單芯片Concerto 上，實現(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(nèi)部數(shù)據(jù)共享，不但系統(tǒng)精簡很多，占用資源少，而且數(shù)據(jù)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(shù)量與OMAP 平臺的DC 方案無異。
1 EDC 系統(tǒng)架構(gòu)
本方案采用 Concerto 系列芯片 F28M35H52C1 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(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，兩個核之間通過 IPC 內(nèi)部數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)，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(shù)；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(gòu)示意圖
2 EDC 方案特性
單芯片實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(wù)器端進行通信，用戶可參考這些客戶端軟件示例代碼實現(xiàn) Host 代碼設(shè)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(shè)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(zhuǎn)接板至該接口來單獨對PLC PHY 層參數(shù)進行測試。
3 硬件設(shè)計
3.1 參考原理圖
硬件相關(guān)的原理圖部分設(shè)計請參考圖2，圖3，圖4 所示。
圖 2 主芯片MCU 參考設(shè)計原理圖
圖 3 SDRAM 及UART 接口參考設(shè)計原理圖
圖 4 AFE031 周邊電路參考設(shè)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(cè)為15V 供電輸入接口及電表連接接口，該22 pin 接口按照中國國家電網(wǎng)《Q／GDW 375.2-2009》標(biāo)準(zhǔn)第 6.3.1 節(jié)中對集中器載波模塊的接口定義進行設(shè)計，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國家電網(wǎng)《Q／GDW 375.2-2009》標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(wǎng)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(zhuǎn)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(xiàn)的功能
· 支持多達(dá)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(diào)節(jié)Keep Alive 檢查間隔時間
· IEC-61334-4-32 邏輯鏈路層
· Appemu 數(shù)據(jù)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(wù)的外部應(yīng)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(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PRIME 網(wǎng)絡(luò)進行，該網(wǎng)絡(luò)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(xié)議進行數(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)將自動完成網(wǎng)絡(luò)連接。通過在Linux PC 端的進行對應(yīng)的命令行操作，即可實現(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 端命令行操作說明
準(zhǔn)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(fù)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(dāng)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(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)管理及DC 一致性檢查等客戶端進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(dāng)前路徑下，鍵入以下命令運行網(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，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(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)點信息。
示例：
7.2.5 get-ka-tmo
功能：獲取當(dāng)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(shè)置當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(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(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)議來與網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行通信。本方案提供了Linux 平臺的應(yīng)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(dāng)前路徑下，鍵入以下命令啟動數(shù)據(jù)通信進程：
/pdc_app432 –p 57777 –l 64 –ds 1 –da 2
參數(shù)說明:
-l 用來指定要下發(fā)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，參數(shù)取值范圍為1~200；
-ds 用來指定目標(biāo)節(jié)點的SAP 地址，參數(shù)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(dāng)Linux 客戶端執(zhí)行pdc_app432 命令后，PLC Module 就會將收到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包時，運行結(jié)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(shù)據(jù)傳輸測試運行結(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》