丁宏林，周立忠，周桐，王筠韻，張晟愷，李亞東

（國網(wǎng)陜西省電力有限公司商洛供電公司，陜西商洛 726000）

智能設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)[1]，設(shè)備的功能越強(qiáng)大，操作也就越簡單便捷?，F(xiàn)在幾乎所有的電力設(shè)備都具備了通信功能，有相應(yīng)的通信接口[2]，但是設(shè)備的用途、分類各不相同，廠家的技術(shù)水平也各有高低，導(dǎo)致除國家強(qiáng)制要求的接口外，特別是一些專用設(shè)備，其接口不統(tǒng)一，例如電能表現(xiàn)場校驗儀就有232 接口、網(wǎng)口、USB 等不同硬件接口的設(shè)備。隨著國家電網(wǎng)信息化要求的不斷提升，需要將這些設(shè)備也納入到信息化應(yīng)用中[3]，以往的做法都是由廠家提供對應(yīng)的連接線纜和PC 端的應(yīng)用程序，實現(xiàn)設(shè)備的通信，這種方式導(dǎo)致的后果就是設(shè)備的專有性太強(qiáng)，一旦更換其他廠家的設(shè)備，整個流程和應(yīng)用軟件就全部需要調(diào)整，而且設(shè)備的更新?lián)Q代速度很快，導(dǎo)致這些設(shè)備的數(shù)字化應(yīng)用一直未能有效實現(xiàn)。

為了解決計量設(shè)備驗收工作的自動化、信息化問題，應(yīng)用無線通信技術(shù)，實現(xiàn)不同規(guī)約和硬件接口檢驗設(shè)備的數(shù)據(jù)訪問，設(shè)計了“關(guān)口計量設(shè)備一鍵式驗收及故障診斷裝置”項目，對電能表現(xiàn)場校驗儀、電壓互感器校驗儀、電流互感器校驗儀、二次回路接線、負(fù)荷檢測儀、標(biāo)準(zhǔn)電能表等多種設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集[4]，最終在手持終端（安卓平臺）進(jìn)行展示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

“關(guān)口計量設(shè)備一鍵式驗收及故障診斷裝置”項目需要解決的主要問題是與現(xiàn)場使用的不同廠家、不同硬件接口和規(guī)約的設(shè)備進(jìn)行通信并讀取數(shù)據(jù)。如果這些工作全部由軟件實現(xiàn)會使項目不可控，因為在不考慮硬件接口的情況下，每種設(shè)備的通信規(guī)約和數(shù)據(jù)均不相同，必須針對每種設(shè)備開發(fā)專門的接口程序，雖然采用模塊化設(shè)計可以有效地降低工作量，但是每加入一種新的設(shè)備都需要軟件人員再次進(jìn)行開發(fā)，而軟件項目的開發(fā)都需要一個團(tuán)隊的合作，要求有明確的目標(biāo)，以最高的效率來完成，這樣可以有效降低成本，不可能針對某項功能提供長期的反復(fù)開發(fā)和設(shè)計[5]，否則項目的周期和成本將顯著增加，最終失控。

因此該項目設(shè)計使用硬件接口裝置將應(yīng)用APP的開發(fā)和底層硬件分開，針對每類設(shè)備，確定其需要交互的數(shù)據(jù)，并考慮一定的擴(kuò)展需求。先確定APP與接口裝置的連接方式，明確通信協(xié)議，則APP 的開發(fā)與硬件就可以獨立進(jìn)行，將硬件設(shè)備的接入交由接口裝置來實現(xiàn)，這樣軟件開發(fā)人員可以集中精力在軟件的功能和設(shè)計上，直接啟動軟件的開發(fā)，提升效率。

針對不同的設(shè)備，從便攜性和易用性考慮，決定將整個接口裝置再分為轉(zhuǎn)換裝置和接口模塊。這樣的好處是連接的端口單一，電路的設(shè)計簡化，代碼簡化，可靠性提升，可以使裝置的體積比較小，設(shè)想裝置和模塊最終組合的成品類似一個U 盤，需要采集數(shù)據(jù)時連接到設(shè)備上，即插即用，用完即走。且所連接的設(shè)備基本為低速設(shè)備，傳遞的數(shù)據(jù)量小，傳輸時間短，這樣裝置的工作時間也短，可以優(yōu)先考慮電池供電，進(jìn)一步提升便攜性。接口模塊獨立也便于后期的維護(hù)和二次開發(fā)，對于新的設(shè)備，僅需要對接口模塊進(jìn)行調(diào)整，匹配對應(yīng)設(shè)備的規(guī)約，即可實現(xiàn)接入。項目的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 功能結(jié)構(gòu)圖

1.1 接口轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計

接口轉(zhuǎn)換裝置部分主要實現(xiàn)各個設(shè)備的接入，并與APP按預(yù)定的協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，各種設(shè)備的接入由對應(yīng)的接口模塊來實現(xiàn)，與接口裝置之間也定義標(biāo)準(zhǔn)的硬件通信接口和協(xié)議，主要實現(xiàn)硬件之間的數(shù)據(jù)交互，并可以緩存部分?jǐn)?shù)據(jù)，確保通信的可靠。

因為APP 最終的運行環(huán)境為安卓平臺的掌機(jī)，為此必須選擇易于在安卓平臺上實現(xiàn)的接口，所以裝置的上行接口采用藍(lán)牙和WiFi 雙通道，該項目中采用樂鑫的ESP32 模組[6]來實現(xiàn)，該模組支持藍(lán)牙和WiFi[7]，是成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品，成本低，可靠性高，而且其接口豐富，有SPI 接口、串口，還有有線網(wǎng)絡(luò)接口，便于實現(xiàn)與接口模塊的連接。

項目中選擇使用串口來實現(xiàn)與接口模塊的本地連接，主要考慮到使用的設(shè)備對數(shù)據(jù)通信的實時性要求不高，且串口結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性好，ESP32 模組內(nèi)置串口最高速率可達(dá)5 Mbps，支持硬件流控，完全滿足需要。

1.2 接口模塊的設(shè)計

接口模塊的功能是實現(xiàn)與各個設(shè)備的硬件連接，根據(jù)設(shè)備接口的不同，匹配不同的接口模塊，可以為232 接口、485 接口、有線網(wǎng)口或USB 接口等，該項目中先實現(xiàn)各種硬件接口的連接，匹配對應(yīng)的設(shè)備，后期可以安排專人進(jìn)行維護(hù)，對新設(shè)備僅需完成相應(yīng)通信協(xié)議的二次開發(fā)，不用再次開發(fā)硬件，有效地減少工作量，降低維護(hù)成本。

1.3 通信協(xié)議的設(shè)計

轉(zhuǎn)換裝置與APP 通信協(xié)議的設(shè)計是該項目的重點，因為要接入不同的設(shè)備，設(shè)備的種類不同，讀寫的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)長度等各不相同，不能每接入一種設(shè)備就修改一次通信協(xié)議或者上層的軟件，必須使其具有強(qiáng)大的兼容性和擴(kuò)展性[8]。

協(xié)議設(shè)計首先是對設(shè)備的操作流程和傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這是實現(xiàn)不同設(shè)備兼容的關(guān)鍵，結(jié)合相關(guān)設(shè)備的具體使用場景，設(shè)備操作流程如圖2所示。

圖2 設(shè)備操作流程圖

針對交互的數(shù)據(jù)，按所有設(shè)備最大信息量進(jìn)行設(shè)計，此外預(yù)留部分?jǐn)U展字段，可以通過軟件進(jìn)行調(diào)整，增加程序的靈活性。

協(xié)議設(shè)計以上述標(biāo)準(zhǔn)化流程為基礎(chǔ)，首先按功能對命令進(jìn)行劃分，具體分為控制、讀取、設(shè)置（寫入）三種。其中控制命令主要實現(xiàn)對設(shè)備的管理，包括上電、復(fù)位、啟動等操作；讀取命令即對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，可以是設(shè)備描述符、檢測數(shù)據(jù)，也可以是相關(guān)參數(shù)；設(shè)置命令主要對設(shè)備的運行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這幾種操作使用命令字的方式來區(qū)分。

針對數(shù)據(jù)的傳遞，規(guī)約中確定每項數(shù)據(jù)傳遞都必須同時傳遞數(shù)據(jù)的類型和長度，具體為一個字節(jié)的數(shù)據(jù)類型，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)長度，后續(xù)為具體的數(shù)據(jù)，規(guī)約中包含數(shù)組和結(jié)構(gòu)體兩種類型，數(shù)組類型為多個相同類型數(shù)據(jù)的集合，而結(jié)構(gòu)體則可以是不同數(shù)據(jù)類型的集合，提升了整體的靈活性。

規(guī)約中幀格式的定義如表1 所示，其中控制字實現(xiàn)了功能的劃分。

表1 幀格式定義

規(guī)約中數(shù)據(jù)區(qū)定義如表2 所示，其中數(shù)據(jù)標(biāo)識給出數(shù)據(jù)的定義，數(shù)據(jù)類型說明數(shù)據(jù)的格式，數(shù)據(jù)長度說明有多少個相同類型的數(shù)據(jù)，可以看到靈活性很高，只需要定義新的數(shù)據(jù)標(biāo)識以及數(shù)據(jù)類型，即可引入新的數(shù)據(jù)項，便于后期進(jìn)行擴(kuò)展。

表2 數(shù)據(jù)區(qū)定義

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 接口轉(zhuǎn)換裝置的硬件設(shè)計

裝置設(shè)計了電源管理部分，采用鋰電池作為電源，使用鋰電的充放電管理芯片TP5400[9]，電源管理部分原理圖如圖3 所示。下行模塊的接口使用具備硬件流控的串口實現(xiàn)，同時設(shè)計了模塊插入檢測和硬件復(fù)位引腳，檢測到模塊插入后，才開始對模塊進(jìn)行供電，同時可以對模塊的硬件進(jìn)行復(fù)位，提升其可靠性。

裝置本身充電接口設(shè)計為TYPE-C 接口，并使用FDTI232RL 轉(zhuǎn)換芯片連接模組的本地調(diào)試接口，使用電腦方便充電的同時也可實現(xiàn)對模組的監(jiān)控、調(diào)試和升級，增強(qiáng)了設(shè)備的易用性，接口部分原理圖如圖4 所示。

ESP32模組本身支持FreeRTOS嵌入式系統(tǒng)[10]，支持多任務(wù)，因此軟件的設(shè)計采用多任務(wù)的方式實現(xiàn)，接口轉(zhuǎn)換裝置初始化流程圖如圖5 所示。當(dāng)裝置上電后，首先完成初始化操作，接著開啟兩個任務(wù)，一個為上行通信任務(wù)，一個是下行通信任務(wù)，下行通信任務(wù)首先檢查下行轉(zhuǎn)換模塊的連接情況，當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)換模塊后，讀取模塊的設(shè)備描述符，了解具體的設(shè)備類型，匹配對應(yīng)的數(shù)據(jù)項和數(shù)據(jù)內(nèi)容，做好數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)備，此時等待上行通信任務(wù)的進(jìn)一步操作；上行通信任務(wù)檢測到與APP 連接后，主動上報設(shè)備的類型和支持的數(shù)據(jù)項，APP 此時即可開始對設(shè)備數(shù)據(jù)的訪問和控制。

2.2 接口模塊的硬件設(shè)計

接口模塊的設(shè)計思路主要是低成本，易實現(xiàn)，因為與轉(zhuǎn)換裝置的接口為串口，這樣基本所有的嵌入式平臺都滿足需要，只需要針對設(shè)備的硬件接口，使用成熟的方案，實現(xiàn)接口和規(guī)約的轉(zhuǎn)換即可。

圖3 電源管理部分原理圖

圖4 充電及調(diào)試接口原理圖

圖5 轉(zhuǎn)換裝置初始化流程圖

實際應(yīng)用中同樣使用ESP32 模組實現(xiàn)了232 接口、485 接口、有線網(wǎng)口、藍(lán)牙[11]等設(shè)備的接入。針對USB 接口的設(shè)備，使用STM32 平臺進(jìn)行了連接[12]；針對CAN 總線設(shè)備，應(yīng)用Microchip 平臺進(jìn)行連接[13]，因為硬件均為成熟的電路，此處不做詳細(xì)描述。

2.3 可靠性設(shè)計

設(shè)計中需要考慮的是與APP 連接斷開的情況，因為轉(zhuǎn)換裝置與APP 之間為無線連接，設(shè)備的故障或者意外均有可能導(dǎo)致連接失效的情況。采取措施如下：1）應(yīng)用硬件設(shè)計的流控機(jī)制對下行數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行管理；2）在規(guī)約的設(shè)計中增加了斷點恢復(fù)重傳的功能，同時增加轉(zhuǎn)換裝置的緩存，可以將一次的試驗數(shù)據(jù)完整地保存在內(nèi)存，必要時保存到閃存中，連接恢復(fù)后重新傳輸?shù)绞謾C(jī)端，提升可靠性。

轉(zhuǎn)換裝置和接口模塊的設(shè)計均支持OTA 升級[14]，在APP 中預(yù)留接口，這樣可以針對不同的設(shè)備，現(xiàn)場直接更改對應(yīng)的固件，減少硬件的數(shù)量。

3 應(yīng)用效果

在實際工作中，使用裝置連接了山西互感器電測設(shè)備有限公司的HLE1-F 型電流互感器現(xiàn)場檢定裝置、山西互感器電測設(shè)備有限公司的HYE1-C 型電壓互感器現(xiàn)場檢定裝置、秦皇島海納電測儀器有限公司的HN-2K01B1 電壓互感器現(xiàn)場校驗裝置、浙江涵普電力科技有限公司的HPU-3030B 型電能表現(xiàn)場校驗儀、保定新云達(dá)電力設(shè)備有限責(zé)任公司的WDX-2NH 型智能電表校驗儀、武漢南電至誠電力設(shè)備有限公司的LYPT-C 型無線二次壓降及負(fù)荷測試儀，均實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的正常訪問，并使用APP 完成了對應(yīng)的驗收工作。

4 結(jié)論

該項目的設(shè)計思路與以往的嵌入式開發(fā)不同，以往出于成本考慮，總是盡量將嵌入式系統(tǒng)潛力發(fā)掘出來，一個平臺既實現(xiàn)上行通信，同時又匹配下行的各種接口[15]，硬件的復(fù)雜程度高，編程的工作量較大，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度大大降低，如今嵌入式芯片的集成度越來越高，外圍電路有效簡化，很多芯片只需要幾個元件，并提供電源即可正常工作[16]。這也是該項目的設(shè)計來源，不采用單一的平臺來實現(xiàn)全部的功能，而是由不同的平臺各完成部分的功能，硬件的開發(fā)工作也因此進(jìn)行了分解，可以由多人同步完成，有效提升了工作效率，所有的工作在接口上進(jìn)行統(tǒng)一?？此葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜了，但是每個模塊的工作卻簡化了，難度降低也意味著可靠性的提升，可以由不同的人員同時完成，效率得到有效的提升，更適合大型項目的需求。