TI 基于Concerto 双核MCU 的PRIME 电力线通信数据集中器方案

摘要

本文档介绍了采用C2000系列双核（CM3+C28x）微控制器实现的，基于PRIME标准的电力线通信（PLC）数据集中器方案。本方案通过一颗Concerto MCU加SDRAM实现完整的PRIME协议栈，提供波特率115200bps的UART异步串行端口给客户端主机进行网络管理及数据通信，为需要低成本实现数据集中器功能的场合提供了有效的解决方案。

简介

PRIME-PoweRline Intelligent Metering Evolution标准是由西班牙Iberdrola电力公司联合有关的PLC芯片、系统、电表等厂商，为窄带PLC电力线通信制定的远程抄表技术标准，包括物理层和MAC层的数据传输标准。该技术的协议开放，实施无版权费用，不同厂商的产品能够实现互联互通。TI采用低成本的DSP控制器，以软件的方式来实现PRIME协议，相较其他厂商以专用芯片ASIC的实现方式，提高了应用的灵活性。

事实上，早前TI已经采用OMAP1808实现了PRIME数据集中器的完整功能。本文介绍的方案，主要是将OMAP平台的DC方案移植到单芯片Concerto上，实现一颗芯片完成PRIME的上层和底层MAC协议以及物理层协议，适用于低成本的嵌入式数据集中器应用，因此，我们也把该数据集中器方案简称为EDC，即Embedded Data Concentrate。
OMAP1808平台的DC方案基于Linux操作系统，而本EDC方案基于TIRTOS操作系统，上层和下层MAC通信采用内部数据共享，不但系统精简很多，占用资源少，而且数据更加可靠，除了没有TCP/IP接口之外，所能管理及连接的节点数量与OMAP平台的DC方案无异。

1 EDC系统架构

本方案采用Concerto系列芯片F28M35H52C1作为主芯片，处理PRIME协议的UPPER MAC及LOW MAC, PHY层协议。F28M35H52C1是一款双核的MCU，它内部包含了Cortex m3主系统和TI C28x控制子系统两个MCU系统，每个系统分别有512KB的Flash空间，Cortex m3独立使用32KB RAM，TI C28x独立使用36KB RAM，另外还有可配置使用权的 64KB的共享RAM（在EDC系统中全部被分配给C28x使用）和2KB的IPC Message RAM。在EDC系统应用中，Cortex m3核工作主频为75MHz，它负责处理Upper MAC协议,C28x核工作主频为150MHz，它负责处理Low MAC及PHY层协议，两个核之间通过IPC内部数据共享区机制进行通信。主芯片MCU外加一个8M Bytes的SDRAM，由CM3核进行访问，用来存储节点信息数据库等数据，目前系统使用的大小约为3M Bytes；另外有一个128KByts 的EEPROM，由C28x访问，用来存储系统掉电参数；模拟前端采用TI AFE031，支持三相和单相连接，由C28x核通过SPI接口对其进行控制。系统框图如图1 所示。其中，CM3 通过1个GPIO口控制一个LED，在系统正常工作时以1Hz频率进行显示；C28x通过3个GPIO控制另外三个LED，分别指示C28x工作状态及PLC通信状态。

 

图1 PRIME EDC系统架构示意图

2 EDC方案特性

单芯片实现PLC PRIME DC完整功能。

 

提供UART接口与PC或用户Host Processor进行通信，通信速率115200bps，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。

提供PC(Ubuntu Linux OS)客户端软件进行模拟测试，客户端软件通过mgmt及IEC-432 API接口与EDC上运行的服务器端进行通信，用户可参考这些客户端软件示例代码实现Host代码设计，客户端软件包括：

Management tool application

Base node conference tool application

IEC 61334-4-32 data transfer application

硬件设计保留C28x的SCIA UART通信接口，便于客户使用TI提供的PC端ZCG工具软件，通过连接PC的COM口或USB-UART转接板至该接口来单独对PLC PHY层参数进行测试。

3 硬件设计

3.1 参考原理图

硬件相关的原理图部分设计请参考图2，图3，图4 所示。

 

图2 主芯片MCU参考设计原理图

 

 

图3 SDRAM及UART接口参考设计原理图

 

图4 AFE031周边电路参考设计原理图

 

 

3.2电路板

EDC电路板实物如图5及图6所示。电路板正面放置MCU, AFE031及变压器，电源IC等大部分器件，背面放置了一片SDRAM。MCU芯片左上方的彩色线连接部分为UART通信接口及UART打印信息输出接口，左侧为15V供电输入接口及电表连接接口，该22pin接口按照中国国家电网《Q／GDW 375.2-2009》标准第6.3.1节中对集中器载波模块的接口定义进行设计，其中的UART接口连接至MCU CM3核的UART0；右侧黑胶布遮盖部分为外接三相电力线接口，该接口同样按照中国国家电网《Q／GDW 375.2-2009》标准第6.3.2节中对集中器载波模块的载波耦合接口定义进行设计，Service node可以通过该三相电力线接口与EDC 进行单相或者三相的信号连接。EDC上电正常工作时，图5所示右下方的LED（LED-4）灯会以1Hz 的频率闪烁。

 

图5 EDC电路板正面图

 

图6 EDC电路板背面图

 

3.3 EDC与PLC节点组网连接

本例采用TI的TMDSPLCKIT-V3作为PLC节点，EDC与两个PLC节点的连接如图7所示，EDC的UART0接口与Linux PC 客户端通过一个UART-USB转接小板连接，连接如图8所示。

 

图7 EDC与PLC节点连接示意图

 

图8 EDC与PC连接示意图

4 EDC可以实现的功能

• 支持多达1200个节点的注册/注销
• 支持最多3600路的Unicast MAC连接/释放
• Keep Alive功能及自动调节Keep Alive检查间隔时间
• IEC-61334-4-32逻辑链路层
• Appemu数据传输测试
• 支持节点中继
• 节点promotion和demotion
• Multicast MAC连接/释放
• 单点和多点firmware upgrade
• 支持使用IEC 61334-4-32服务的外部应用
• 支持外部管理GUI
• 支持Linux客户端命令进行DC一致性测试

 

5 EDC运行需要的目标代码及Linux客户端软件

Concerto目标代码：prime_dc_concerto_cm3.out prime_dc_concerto_c28x.out

Linux客户端软件：uart_intf, mgmt_cli, ext432App, bn_conf_tool

6 PRIME EDC基本功能演示

PRIME EDC的功能演示基于一个PRIME网络进行，该网络由一个base node和几个service node组成，EDC就是其中的base node。功能演示包括以下几个部分：

1.节点注册、节点注销

2.Keep Alive监测

3.节点连接、断开连接

4.节点升级（至中继节点），节点降级（至终端节点）

5.按照IEC-61334-4-32协议进行数据传输

6.固件在线更新（单播和群播）

参考图7的网络连接示意图搭建演示网络，参考图8连接EDC的UART1至Linux PC，给EDC及service node加电后，系统将自动完成网络连接。通过在Linux PC端的进行对应的命令行操作，即可实现以上功能演示。Linux PC端的命令行操作参考后续章节介绍。

7 Linux PC端命令行操作说明

准备一台安装ubuntu Linux OS的PC，将提供的Linux客户端软件：uart_intf, mgmt_cli, ext432App, bn_conf_tool复制到Home路径下。

 

 

7.1 打开UART中继

在Linux PC上打开一个Terminal，进入uart_intf路径，执行“make clean”命令，清除旧的可执行文件，然后执行“make PREFIX=”命令，生成适合本系统的可执行文件uart_intf。在当前路径下，键入以下命令开启UART 中继：

sudo./uart_info–c/dev/ttyUSB0

命令被正常执行后，显示以下提示：

 

图9 Linux UART连接提示

其中的TCP port<57777>, TCP port<56666>, TCP port<58888>为后续数据传输，网络管理及DC一致性检查等客户端进程所要用到的端口参数。

7.2 mgmt网络管理工具客户端及其常用命令参考

在Linux PC上打开一个新的Terminal，进入mgmt_cli路径，执行“make clean”命令，清除旧的可执行文件，然后执行“make PREFIX=”命令，生成适合本系统的可执行文件pdc_mgmt_cli。

在当前路径下，键入以下命令运行网络管理工具客户端：

./pdc_mgmt_cli–p 56666

命令正常执行后，显示以下提示：

connecting to 127.0.0.1:56666

connected

>>

在>>提示符下键入?后回车，即可列出该客户端支持的所有命令列表；在使用某一命令时，如不知道如何使用参数，也可在命令后加空格和？，命令所需要的参数及参数范围就会显示出来。

部分常用命令说明：

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客户端，回到Linux命令行

7.2.3 get-dc-std

功能：获取DC执行的标准

示例：

>>get-dc-std

PRIME

7.2.4 get-node-info

功能：获取当前连接到PRIME网络的节点信息。

示例：

 

7.2.5 get-ka-tmo

功能：获取当前Keep Alive检查超时时间

示例：

>>get-ka-tmo

128 seconds

7.2.6 set-ka-tmo

功能：设置当前Keep Alive检查超时时间

示例：

>>set-ka-tmo–t 32

Keep alive timeout is now 32 seconds.

7.2.7 pro-term

功能：将终端节点升级为中继节点

示例：

>>pro-term-l 2 –s 0

Request sent…

7.2.8 send-new-image

功能：下载固件到DC

示例：

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

7.2.9 show-curr-image

功能：查看当前DC 中存储的固件信息

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：删除当前DC 中存储的固件。下载新的固件之前，必须先执行该命令删除当前固件。

示例：

>>del-curr-image

7.2.11 start-uc-fu

功能：启动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：取消当前固件更新

示例：

>>cancel-fu

7.2.13 show-uc-fu

功能：显示当前固件更新状态及信息

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数据通信上层应用示例

PRIME EDC允许外部应用遵循IEC61334-4-32协议来与网络中的节点进行通信。本方案提供了Linux平台的应用程序参考代码。

在Linux PC上打开一个新的Terminal，进入ext432app路径，执行“make clean”命令，清除旧的可执行文件，然后执行“make PREFIX=”命令，生成适合本系统的可执行文件pdc_app432。

在当前路径下，键入以下命令启动数据通信进程：

/pdc_app432–p 57777–l 64–ds 1–da 2

参数说明:

 

• -l用来指定要下发的数据字节数，参数取值范围为1~200；
• -ds用来指定目标节点的SAP地址，参数取值范围0~191；
• -da用来指定通信连接的节点432地址，该地址从get-node-info命令所获得的节点信息中获取。

 

执行pdc_app432命令之前，需要参考图10，用ZGUI工具将TI PLC V3-KIT配置为AppEmu-LLC模式。在该模式下，当Linux客户端执行pdc_app432命令后，PLC Module就会将收到的数据回传给DC，DC再通过UART上传到PC，并在pdc_app432所在的Terminal上显示出来。传输190个字节的数据包时，运行结果参考图11所示。

 

图10 用ZGUI工具配置节点为AppEMU-LLC模式

 

图11 数据传输测试运行结果

参考文档

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《电力用户用电信息采集系统型式规范：集中器型式规范》