【摘要】針對目前在國家智能電網(wǎng)建設中現(xiàn)場問題的分析，設計了一款適用于山西呂梁市的用電信息采集掌上調試設備，該設備使用低電壓供電，具有現(xiàn)在呂梁市使用的五種載波通信廠家的模塊調試、集中器問題處理功能。該設備使用最新的ARM Cortex-A9處理器配備Android操作系統(tǒng)，最高主頻為1.5GHz，支持多芯片選擇，高速接口通信。本文通過對目前現(xiàn)場情況匯總分析對比，討論了現(xiàn)場調試設備的必要性和可行性，并對關鍵點進行設計。

【關鍵詞】電力線載波;現(xiàn)場調試;ARM;信息采集

引言

電力線載波通信（Power Line Communication）是以電力線為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式[1]，它依靠現(xiàn)有的電力線進行信號傳輸，在傳輸過程中，根據(jù)使用的技術不同，又可對信號進行一次或多次調制，降低信號在電力線上的衰減，從提升信號的抗噪性入手，以提升信號品質為標準，最終提高信息傳輸?shù)目煽啃浴Ｊ褂么朔N技術，由于借用了原有的電力網(wǎng)絡，使得整個智能電網(wǎng)的建設成本得以降低，同時，隨著智能電網(wǎng)建設的逐步深入，電力線載波技術成為智能化綠色電網(wǎng)的有力組成部分。但電力線通信也有不可忽視的弊端，即受電力線本底噪聲影響、用電終端負荷干擾較大，致使其通信環(huán)境十分惡劣，使得電力線載波的發(fā)展受到一定限制。早在20世紀20年代，西方國家已經將電力線載波技術應用于10kV配電網(wǎng)線路的通信中，我國的電力線載波技術起步較晚，該技術在國內最早應用是在在1996年，但當時無論是通信技術，還是電網(wǎng)建設的整體環(huán)境都缺乏可靠的外部支撐。近些年，隨著國家對國家智能電網(wǎng)建設的投入加大，使得我國電力線載波技術得到了迅猛發(fā)展。以山西省為例，截止到2014年7月份，全省已經完成累計完成716萬載波智能電表的安裝工作，載波方案由全國各家廠商競標完成，具體安裝量見圖1。

圖1中，山西省2014年7月整體載波模塊安裝量達到716萬，圖中列出了現(xiàn)在在山西應用量最大的四家載波方案供應商，各廠家使用的技術不同，載波通信頻率也有差異，其中曉程20kHz，帶寬15KHz;東軟270kHz，帶寬30KHz;瑞斯康132kHz，帶寬6KHz;彌亞微76.8kHz，帶寬16KHz;鼎信421kHz，帶寬30KHz[2]。

1、現(xiàn)場調試設備功能分析

各個載波方案廠家從自身產品出發(fā)，設計了具有各自特點的現(xiàn)場調試方法，盡管這些方法各有千秋，但對于國家電網(wǎng)的現(xiàn)場調試人員而言，則要保證學會和掌握在負責區(qū)域內的全部載波方案調試方法，只有這樣才能保證載波電表的安全穩(wěn)定運行。以山西省呂梁市為例，呂梁市目前有載波通信方案五家，集中器廠家七家（具體分配方案見表1），想要全部掌握這些廠家的載波通信調試技巧與方法，需要大量時間和經驗的積累，況且各廠家之間的互相配合也有細微差別，同時，隨著智能電表推廣力度的加大，多供貨競爭機制的引進，未來可能有更多方案提供商進駐呂梁地區(qū)，這就導致了現(xiàn)場調試工作難度倍增。針對這種情況，急需研制一種能將所有在現(xiàn)場運行的設備和裝置統(tǒng)一起來進行調試的設備，該設備要求不區(qū)分方案提供商、集中器廠、表廠，只要符合一個統(tǒng)一的規(guī)范，使用同一種操作方式即可進行全部設置。

表 1

如表1所示，呂梁市國網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)有安裝量46萬，由五家載波方案供應商提供，對應的集中器廠家有七家，共有考核終端2700余臺。因此，研發(fā)的設備必須能針對以上廠家進行應用，同時也要留出功能擴展端口，以便再增加其他廠家設備能方便擴展。

針對以上需求，將在現(xiàn)場遇見的問題以及處理方式列成表格，需要研制的調試設備只要解決表格中的問題即可，而在硬件層則可根據(jù)不同廠家進行擴展?，F(xiàn)場問題匯總如下：

表 2

表2中匯總了目前在呂梁地區(qū)采集成功率非100%的臺區(qū)故障。包括集中器故障、戶表故障和485總表故障。針對以上故障進行有針對性的研究，設計一款現(xiàn)場調試設備，專門用于解決以上問題，則將極大提升用戶用電信息采集系統(tǒng)的成功率，同時也會降低現(xiàn)場維護的時間成本和人工成本。

2、硬件系統(tǒng)

現(xiàn)場調試設備由于其應用場合的特殊性，對功耗和性能的要求較高，另外，便攜性也決定其產品的體積不能過大。伴隨著二十世紀90年代ARM的興起，作為一種優(yōu)良的低功耗、高性能處理器的杰出代表，ARM在近幾年取得突飛猛進的發(fā)展。本文采用ARM系列中高端產品——Samsung Exynos 4 Quad 芯片完成設計，這是韓國三星公司生產的第一款四核處理器，基于ARM Cortex-A9架構，采用了最新的32nm HKMG工藝，該芯片主頻1.5GHz，內置ARM Mali-400雙核GPU，32bit數(shù)據(jù)總線，最低3.7V電壓供電，同時支持睡眠喚醒模式。該處理器最高可支持1080p@30fps硬件解碼，能夠通過簡單LCD接口實現(xiàn)液晶顯示屏的接入。同時，對于Linux系統(tǒng)有良好的兼容性，通過合理剪裁，能夠開發(fā)出適合現(xiàn)場調試設備使用的應用程序，另外，該款處理器的功耗比上一代4210產品功耗降低40%，此種優(yōu)勢對于現(xiàn)場調試設備的意義重大?，F(xiàn)場調試設備電氣特性如圖2所示。

圖2中，圍繞Cortex-A9架構的Exynos 4芯片構成整個系統(tǒng)，系統(tǒng)搭載剪裁后的android操作系統(tǒng)，并選用7寸電阻式液晶屏。現(xiàn)場調試設備需要輸入相應表號等信息數(shù)據(jù)，信息輸入可通過觸摸屏虛擬按鍵實現(xiàn)。

Samsung Exynos 4芯片最多配備四個串口，在實際工作中，使用了其中的3個UART端口，這三路UART的功能分別是：

進行集中器設置，集中器內部參數(shù)可通過UART1進行檢測，現(xiàn)場調試人員可通過設備對集中器內部的相關參數(shù)進行檢測，若發(fā)現(xiàn)差異，可重新對集中器進行設置。

使用MAX3485芯片將UART信號轉換成485信號，由于整個系統(tǒng)供電采用3.3V電壓，所以在相關芯片選型上，必須滿足3.3V正常工作的要求。RS485接口主要用于總表的報文傳輸，信息采集。還可以通過報文來判斷總表的表號、電量等內部信息，也間接判斷了采集端口的電氣性能。

多芯片UART切換電路，各廠家盡管使用的芯片不同，但是基本思路相同，即使用UART進行數(shù)據(jù)收發(fā)，根據(jù)此原理，在調試設備上對各方案進行數(shù)據(jù)選擇處理，即可處理不同臺區(qū)。原理如圖3所示：

圖3中顯示了各廠家方案切換的基本原理。所有芯片統(tǒng)一連接到一個UART端口，然后使用數(shù)據(jù)選擇器對各廠家芯片進行選通控制，考慮到未來增加載波方案廠家的可能性，同時，各廠家芯片驅動能力有差異，此處不能使用I/O口直接驅動，而要利用NMOS電路進行控制，通過各個NMOS連接到不同廠家芯片的電源端進行選通。選通后可進行串口通信、數(shù)據(jù)傳輸。

3、軟件系統(tǒng)

Android是Google于2007年聯(lián)合OHA（Open Handset Alliance）發(fā)布的一款基于Linux平臺的移動終端開源操作系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)不依賴與設備甚至平臺，其開放性允許任何終端廠商加入到Android聯(lián)盟中來，顯著的開放性隨之而來的就是應用軟件的日新月異。對于本設備而言，良好的開放性使得各個設備廠商能夠互相學習與借鑒，更好的為產品本身服務。

本文研究的系統(tǒng)，以Linux內核為底層基礎，借助其原有的顯示、鍵盤、攝像頭、內存、電源管理等功能驅動，中間層使用C++完成自用函數(shù)庫Library和虛擬機Virtual Machine程序。以上兩層程序，對于現(xiàn)場調試設備而言，不需要改動，只需要在底層內核中添加各廠家芯片選擇驅動程序，同時合理設置各廠家抄控芯片和串口通信時序即可，至于具體功能實現(xiàn)，可以在Android應用層利用軟件實現(xiàn)。軟件流程圖如圖4所示。

Android內核采用目前流行的Linux 3.0.13版本，該版本無論是Bootloader，Yaffs都有較多參考資料，易于開發(fā)和維護，Android版本為4.0.4。在系統(tǒng)剪裁中，使用原有驅動，而java類的剪裁中，需要優(yōu)化一些選項，例如Android默認搜索SD卡，視頻處理等[4]。

根據(jù)圖3中的硬件設計，本文在驅動程序方面，增加數(shù)據(jù)選擇器IO端口驅動程序。

在kernel文件夾下的driver目錄中，新增sechips目錄。設置4個I/O口進行數(shù)據(jù)選擇。同時，在內核配置菜單中加入本驅動的配置項：

Arch/arm/Kconfig和drivers/Kconfig menu中添加：

Source”drivers/sechips /Kconfig”，

同時修改/drivers/Makefile文件

Obj-$（CONFIG_SECHIPS） +=sechips/

在kernel中進行編譯

#make menuconfig

這樣，就會在/drivers/sechips目錄下得到sechips.ko文件，該文件為驅動目標文件，包含此文件的內核燒錄開發(fā)板，開機后自動加載該文件，驅動設計即完成[5]。剩下主要工作集中在應用層串口程序開發(fā)。

4、結論

現(xiàn)場調試設備受工作條件限制、環(huán)境影響較大，很難設計一款能夠兼容所有現(xiàn)場問題的設備。本文采用最易移植和開源的Android系統(tǒng)，爭取最大程度上兼容所有載波方案供應商的軟件應用，在硬件層上采用各廠家單獨芯片配合Cortex-A9內核完成通信、數(shù)據(jù)采集工作。電源供電方面，使用TI公司LDO線性穩(wěn)壓電源管理芯片LM2941進行穩(wěn)壓處理，同時，在處理器程序設計上進行優(yōu)化，關閉不適用進程，啟用休眠模式，使得設備整體待機時間增長。由于本設備需要接入220V交流電上使用，因此在接入市電時，設備能自動切換到交流電供電，此方案變相增加了系統(tǒng)的運行時間。隨著呂梁地區(qū)方案提供商的增加（例如本文的研究中未增加青島東軟載波方案），現(xiàn)場調試設備需要根據(jù)實際應用再進行調整，根據(jù)現(xiàn)場出現(xiàn)的具體問題對調試程序進行微調，以便能為工作人員提供更加簡便易行的操作環(huán)境和測試手段。

參考文獻

[1]鮑琳.低壓電力線載波通信模擬實驗系統(tǒng)設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2007

[2]張忠興.淺談電力線載波技術在山西智能電網(wǎng)建設中的應用[J].科技資訊，2013（28）.

[3]宋杰，王書菊，曹竹冬等.基于ARM2440平臺的Android操作系統(tǒng)的移植[J].計算機技術與發(fā)展，2011，21（1）.

[4]賀馮良，張敏，馬玲芳.基于Android_ARM平臺的車載信息系統(tǒng)的應用[J].信息與電子工程，2012 10（3）.

[5]孟小華，黃宗軒.Android系統(tǒng)非標準設備驅動程序設計[J].微型機與應用，2011（14）.

作者簡介

高翔（1976—），男，山西省呂梁市中陽縣人，華北電力大學本科畢業(yè)，國網(wǎng)山西省電力公司呂梁供電公司營銷部，工程師，從事計量及用電信息采集管理工作。