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

 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22 pin 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：

节点注册、节点注销

Keep Alive 监测

节点连接、断开连接

节点升级(至中继节点)，节点降级(至终端节点)

按照IEC-61334-4-32 协议进行数据传输

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》