◆夏浩軍

電能量遠(yuǎn)方終端串口通信實(shí)時(shí)性研究

◆夏浩軍

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 712100）

電能量遠(yuǎn)方終端通過(guò)串口與多功能電能表進(jìn)行通信，通過(guò)對(duì)電能量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)并采集，從而證明了串口通信的實(shí)時(shí)性是衡量終端性能的重要指標(biāo)。為了進(jìn)一步證實(shí)，本文研究了電能量遠(yuǎn)方終端串口通信的實(shí)時(shí)性建模方法，通過(guò)采集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)而驗(yàn)證了串口數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)時(shí)性及處理的準(zhǔn)確性，分析并研究數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間誤差，從而實(shí)現(xiàn)電能量遠(yuǎn)方終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)通信。

電能量；遠(yuǎn)方終端；串口通信；實(shí)時(shí)性

0 前言

作為電能量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)（TMR）中的重要核心設(shè)備，電能量遠(yuǎn)方終端（ERTU）能夠根據(jù)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的要求，將抄錄取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并進(jìn)行預(yù)處理和遠(yuǎn)傳[1]，從而保障計(jì)費(fèi)系統(tǒng)計(jì)量和結(jié)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、完整、可靠和安全[2]，進(jìn)一步保證電力市場(chǎng)中各方在供應(yīng)、銷(xiāo)售等過(guò)程中對(duì)于電量計(jì)費(fèi)的公平與公正。

電能量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)計(jì)量系統(tǒng)）通過(guò)對(duì)各計(jì)量點(diǎn)計(jì)量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，以及處理。為用電系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、可靠的電量計(jì)量數(shù)據(jù)；在實(shí)際電力調(diào)度過(guò)程中為用電管理、電網(wǎng)及設(shè)備管理、建設(shè)與分析提供了科學(xué)依據(jù)和管理手段，并為電力市場(chǎng)的商業(yè)管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。作為計(jì)量系統(tǒng)核心設(shè)備之一，電能量數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)方終端非常重要[3]，為深入分析研究系統(tǒng)串行通信的實(shí)時(shí)性能，根據(jù)以太網(wǎng)和串行口的特點(diǎn)，針對(duì)串行數(shù)據(jù)包產(chǎn)生傳輸時(shí)延建立了數(shù)學(xué)模型。在試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采集來(lái)驗(yàn)證所建立的模型的準(zhǔn)確性，最終分析研究了電能量遠(yuǎn)方終端串口通信的實(shí)時(shí)性。

1 工作原理

通過(guò)在以太網(wǎng)里接收串口數(shù)據(jù)幀，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳給計(jì)量系統(tǒng)主站是電能量遠(yuǎn)方終端的主要任務(wù)和功能[4]。數(shù)據(jù)傳輸方法為:裝置通過(guò)串行口接收電能量數(shù)據(jù)包，按先進(jìn)先出的規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排列并存入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)存放的數(shù)據(jù)達(dá)到一定的限度時(shí)，裝置開(kāi)始處理串口數(shù)據(jù)包并采用數(shù)據(jù)幀的形式將數(shù)據(jù)上傳給計(jì)量系統(tǒng)主站；反之，當(dāng)有數(shù)據(jù)幀到達(dá)時(shí)，通過(guò)裝置把獲得的數(shù)據(jù)幀解包，并作相應(yīng)處理。在固定的硬件條件下，多功能電能表在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)不變，而且在處理器處理頻率不變的情況下，電能量遠(yuǎn)方終端在單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)包也是恒定的。由于裝置對(duì)數(shù)據(jù)的處理是以數(shù)據(jù)包為單位進(jìn)行的，因此終端處理數(shù)據(jù)包使用的時(shí)間是單調(diào)連續(xù)函數(shù)[5]，處理時(shí)間與數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度成正比。除此以外，裝置發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀時(shí)，是通過(guò)TCP/IP協(xié)議與計(jì)量系統(tǒng)主站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

為了進(jìn)一步檢測(cè)串口傳輸數(shù)據(jù)包的實(shí)時(shí)性能，通過(guò)搭建如下圖1所示的設(shè)備連接平臺(tái)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。在該平臺(tái)中配置了兩臺(tái)性能相對(duì)比較高的計(jì)算機(jī)和一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其中一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)作為主站，通過(guò)100M以太網(wǎng)連接到以太網(wǎng)交換機(jī)（CISCO2610XM 10/100 Ethernet Router w/ Cisco IOS IP），數(shù)據(jù)終端服務(wù)器采用的是一臺(tái)80386工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，另外一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)作為串口數(shù)據(jù)生成器與數(shù)據(jù)終端服務(wù)器之間通過(guò)RS485線路連接，并通過(guò)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)連接方式連到交換機(jī)上。

圖1中數(shù)據(jù)終端服務(wù)器的軟件平臺(tái)采用的是嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II，可采用兩種通信協(xié)議:TCP/IP協(xié)議和UDP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)中（包括互聯(lián)網(wǎng)）普遍使用的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，是一種面向連接的通訊協(xié)議，采用其傳輸數(shù)據(jù)可靠性較高。該協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)某個(gè)數(shù)據(jù)幀沒(méi)有收到時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送方會(huì)一直發(fā)送該數(shù)據(jù)直到對(duì)方接收，繼而才處理下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。對(duì)于UDP/IP協(xié)議則采用的是一種無(wú)連接的方式進(jìn)行通訊，它的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性能要比TCP/IP高的多，但是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)里的數(shù)據(jù)流量較大時(shí)很難能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與可靠性。由于電能量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中電能量遠(yuǎn)方終端網(wǎng)絡(luò)里面的數(shù)據(jù)流量較小，但是它對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性要求較高，因此在本試驗(yàn)中采用可靠性較高的TCP/IP協(xié)議作為數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

圖1 實(shí)時(shí)性能試驗(yàn)平臺(tái)

在圖1所示平臺(tái)中，作為系統(tǒng)主站的一方完成數(shù)據(jù)包的接收與發(fā)送，當(dāng)它每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，就會(huì)立刻將該數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。數(shù)據(jù)終端服務(wù)器立刻會(huì)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口接收和處理，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主站。而串口數(shù)據(jù)生成器會(huì)定時(shí)發(fā)送單位數(shù)據(jù)包，并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,在接收返回?cái)?shù)據(jù)包同時(shí)計(jì)算傳輸時(shí)間。也就是說(shuō)通過(guò)對(duì)串口數(shù)據(jù)生成器（途經(jīng)數(shù)據(jù)終端服務(wù)器和交換機(jī)）到主站的數(shù)據(jù)傳輸往返時(shí)間的計(jì)算,來(lái)對(duì)串口通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行評(píng)估。

3 串口通信實(shí)時(shí)性建模

系統(tǒng)假設(shè):（1）由于使用交換機(jī)的同時(shí)數(shù)據(jù)包流量以及長(zhǎng)度都較小，故而網(wǎng)絡(luò)里幾乎不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包沖突及碰撞現(xiàn)象；（2）串行線上數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間tc（μs）是數(shù)據(jù)包大小l的連續(xù)函數(shù)，并設(shè)其二階可導(dǎo)。

3.1 實(shí)時(shí)性問(wèn)題

串口數(shù)據(jù)生成器發(fā)送的數(shù)據(jù)包到主站的往返時(shí)間t可用下列公式表示:

式（1）中:ti（μs）表示以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸使用的時(shí)間，ti= ti1+ ti2，ti1為以太網(wǎng)交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包的處理時(shí)間，ti2為數(shù)據(jù)包在傳輸介質(zhì)上傳輸使用的時(shí)間；td（μs）:數(shù)據(jù)終端服務(wù)器數(shù)據(jù)包處理時(shí)間與長(zhǎng)度成正比；tc（μs）:數(shù)據(jù)包在串行線上傳輸使用的時(shí)間。

假設(shè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流量很小并且交換機(jī)的處理時(shí)間可以忽略不計(jì)，故而設(shè)ti1= 0；以此來(lái)計(jì)算一個(gè)數(shù)據(jù)幀在該以太網(wǎng)中的傳輸時(shí)間ti2，如下圖2 所示[6]，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)封裝過(guò)程并進(jìn)入?yún)f(xié)議棧。

圖2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式

圖2中，該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)間為[7]:

式（2）中:max（576，8l+432）作為網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定數(shù)據(jù)包傳輸?shù)拇笮?，根?jù)上圖2中所要求的數(shù)據(jù)幀格式確定；tf=96為傳輸數(shù)據(jù)幀相鄰的幀間距，在IEEE802.13中作為96位數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間；tb為以太網(wǎng)上一位數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間，100Mbps以太網(wǎng)tb=0.01μs/bit。

串行線中長(zhǎng)度為l的數(shù)據(jù)包其傳輸時(shí)間為:

式（3）中:l（bytes）為數(shù)據(jù)包的大?。ㄩL(zhǎng)度范圍0bytes～48bytes）；λ（bps）為串口波特率；h為數(shù)據(jù)頭部位數(shù)，是除去數(shù)據(jù)位以外的位數(shù)；C為串口轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理時(shí)所附加的固定長(zhǎng)度的標(biāo)志，通常情況下可假設(shè)為常數(shù)；td=f(l)為數(shù)據(jù)終端服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)間，其與數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度成正比（一般低至微秒級(jí)）[8]。

由式（1）～（3）可知:

式（4）中:vt（Mbps）以太網(wǎng)的傳輸速度（vt= 100Mbps）；f(l)為隱式函數(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模型

假設(shè)有兩組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):其中L為數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度向量，另外兩組數(shù)據(jù)的串口波特率依次為λ1和λ2，即:

對(duì)上述兩組數(shù)據(jù)做差值，有:

把式（4）代入式（5）得:

式（6）中Y為C的常量，若Y＝［C1,C2,C3,···,Cn］，則（取整）。已知Y，由式（4）可求出差值函數(shù):

由式（7）得到函數(shù)點(diǎn)列（L，f(L)），作為響應(yīng)函數(shù)，描述的是串口服務(wù)器數(shù)據(jù)幀的處理時(shí)間。f(L)為隨L成正比的單調(diào)連續(xù)函數(shù)，采用多項(xiàng)式函數(shù)逼近。對(duì)數(shù)據(jù)使用最小二乘二階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，得到f(L)函數(shù):

通過(guò)構(gòu)建的試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)測(cè)得兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)裝置串口轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)幀頭部進(jìn)行設(shè)置:一個(gè)作為停止位、一個(gè)作為奇偶校驗(yàn)位以及八位數(shù)據(jù)位，因此h= 2。在圖1所示試驗(yàn)系統(tǒng)中，假設(shè)兩組數(shù)據(jù)使用的波特率分別為1λ= 4800bps和2λ= 2400bps，其每組數(shù)據(jù)樣本的具體個(gè)數(shù)為3000個(gè)。對(duì)這3000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行取均值，得到以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):

L= [6 12 24 36 48 ]為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的向量；

取C?50bits，將以上數(shù)據(jù)代入式（6），得:

Y= [ 50.0324 50.2453 50.1432 50.2112 50.1743 ]

取λ1=4800bps，將數(shù)據(jù)T1代入式（7）得:

f(L)=[88863.611 90711.432 100611.172 103220.329 110021.826]

應(yīng)用最小二乘二階多項(xiàng)式擬合上述數(shù)據(jù)，得擬合多項(xiàng)式函數(shù)f(l)，其表達(dá)式為:

通過(guò)（1）～（9）的分析可知，一個(gè)數(shù)據(jù)包在圖1所示設(shè)備連接系統(tǒng)中的傳輸時(shí)間為:

4 實(shí)時(shí)性分析

4.1 數(shù)據(jù)傳輸誤差

通過(guò)上述分析推導(dǎo)出波特率為1λ= 4800bps以及2λ= 2400bps的兩組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的均值公式。為進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算公式的準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)了串口通信數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得波特率為9600bps，L=[12 24 36 48]（單位:byte）時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。按前式（10）計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的理論值，實(shí)測(cè)值與理論均值對(duì)比如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論均值數(shù)據(jù)

由表1可知理論值和實(shí)測(cè)值基本一致，二者誤差可由式（11）計(jì)算，表示為:

式（11）中:?t為理論傳輸時(shí)間均值，?f為實(shí)測(cè)傳輸時(shí)間均值。由式（11）可得表1中數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間理論均值和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差最大為0.67%，表明數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性理論計(jì)算方法準(zhǔn)確。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性分析

通過(guò)上述理論分析發(fā)現(xiàn)，在串口數(shù)據(jù)生成器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸頻率恒定不變的情況下，數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間與其大小成正比，與它的傳送波特率成反比。但是，串口波特率對(duì)傳輸時(shí)間影響較大，當(dāng)波特率小于4800bps時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸延遲與波特率成反比。因此，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，為提高電能量遠(yuǎn)方終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性能，須盡可能提高電能量遠(yuǎn)方終端串口數(shù)據(jù)傳輸波特率。

在構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，假設(shè)?l=32bytes，其串口波特率為9600bps，得到它的數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間

由表2可知，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)間占總時(shí)間的0.28%，假定以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間約占數(shù)據(jù)終端服務(wù)器處理數(shù)據(jù)幀時(shí)間的10%，由此可知數(shù)據(jù)終端服務(wù)器軟件對(duì)數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為78.4sμ。上述分析表明，在設(shè)計(jì)電能量遠(yuǎn)方終端時(shí)，需縮短終端的通信線路，提高系統(tǒng)硬件平臺(tái)性能，能夠提高系統(tǒng)處理電能量數(shù)據(jù)的速度；此外，應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)軟件功能，選擇較高波特率，減小串口線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高電能量數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)電能量遠(yuǎn)方終端數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性模型的建立,分析并推導(dǎo)了基于TCP/IP通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的理論計(jì)算公式。

（2）通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，通過(guò)對(duì)電能量遠(yuǎn)方終端數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的實(shí)測(cè)，進(jìn)而討論并分析了電能量遠(yuǎn)方終端串口通信的實(shí)時(shí)性能。

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楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金計(jì)劃項(xiàng)目，編號(hào):A2015022。