光纤通讯的采取器研习与运用范文

作者：邹和平黄俐萍王晋 郑安刚单位：中国电力科学研究院上海市电力公司

工作原理

光通信网络采用一种点到多点的以太网无源光网络(EPON)技术，可以灵活组成星型、树型、总线型等拓扑结构。OLT支持以太网/IP业务，ONU为用户提供光纤网络接口，ODN完成光信号功率的分配。OLT下行到ONU采用广播方式，信号经ODN到达ONU;ONU上行到OLT则采用TDMA多址接入方式，信号只到达OLT。

采集器通过以太网接口连接到ONU设备，经光纤传输后到达变电站端的OLT设备，再接入骨干光纤网络，从而建立与主站的通信连接。采集器与用户电能表采用可靠的RS485总线方式通信，根据预设的参数，采集用户用电信息，通过上述通信连接与主站实现数据交互。

采集器的研制

1硬件设计

采集器选用外设丰富的工业级ARM9内核AT91SAM9260芯片，辅以内存、存储器、状态量输入、实时时钟、安全模块、以太网接口、RS485接口、红外接口、电源、指示灯等电路，硬件总体框图如图2所示。AT91SAM9260具有丰富的片上外设，除实时时钟外，几乎不用任何扩展。时钟芯片采用高精度的RX8025S;通过SDRAM接口，设计64MB内存，满足大型操作系统运行需要;设计一片8位K9F2G08芯片，提供256MB的存储器，保证数据存储深度;通过4个串行口，分别用作红外及3路RS485接口，其中红外接口用作现场维护，RS485接口用来抄表或与其他的采集器级联，以拓展抄表数量;安全模块采用国家密码管理局的SM1算法，确保数据传输安全;通过片上EMAC控制器，外接物理层芯片，实现以太网接口，并与ONU设备相连，经分光器后到变电站端OLT设备，最终接入到骨干光纤网络，从而实现与主站的高速通信。

2软件开发

采集器软件在Linux系统平台上开发。Linux是开放源码的操作系统，易于移植资源丰富、免费，在嵌入式领域越来越流行。Linux内核对TCP/IP协议有非常完备的支持，可大大降低开发难度和工作量。基于芯片AT91SAM9260的硬件平台可以很好地支持Linux。软件采用模块化方法设计，各功能模块互相独立、实现简单、重用性高。除明确定义各功能模块要完成的功能和接口外，每个模块都可以独立开发，从而降低开发难度，并提高终端功能扩展能力。主要功能模块按多进程设计，各进程空间与完成功能独立，互不影响。每个进程独占操作系统的地址空间，编程实现简单。进程空间独立，可提高系统稳定性。在每个进程内部，对于各个子模块，采用多线程方式。线程可以并发执行，创建和切换的费用相对于进程来说要少得多。进程间通信采用最快速的共享内存方式实现，多个进程之间共享同一块内存空间，实现进程间的信息交互，在大量数据共享时，具有简单和快速两个特点。为防止冲突，对共享内存的访问采用同步锁等互斥机制。

应用程序分为多任务数据采集模块、上行通信模块、FTP远程下载模块、本地维护模块，分别以不同的线程运行。多任务数据采集模块流程如图3所示，首先读取相关参数，按设定的采集规则算处理和数据存储等。上行通信模块流程如图4所示，根据已配置的通信参数监听以太网端口，登录主站服务器，发送心跳报文，接收主站的请求帧，并对其进行解析，根据请求准备相关的数据或执行相关的操作。抄表，包括下行报文组帧、接收报文解析、数据运FTP远程下载模块在收到远程下载请求后，按预先配置好的通信参数，发起登录远程服务器、查找目标文件的操作，找到文件后开始下载。下载完成后对本地同名文件进行更新。本地维护模块用来通过红外接口，在本地与采集器通信，设置相关参数、读取数据、现场升级程序等。

试点工程应用

研制的采集器已在上海某大型智能用电小区应用，通信网络配置如图5所示，其中C代表采集器，M代表智能电能表，G代表ONU设备。在已铺设光纤的3#、4#、5#单元配电间各安装一个ONU设备和一个采集器，通过光纤以太网接入到供电分公司的骨干光纤网络，实现与主站的通信。采集器下行通过RS485总线直接抄读单元内各楼层用户智能电能表，完成3#单元20层80户、4#单元23层69户、5#单元23层69户，共计218户用户的接入数据采集。试点工程于2011年9月建成并投入运行，已累计运行6个月。试运行过程中，分别对抄读成功率和响应速度做了统计分析。抄读成功率的统计方法是，记录每一次抄读的成功与否，按月统计计算成功次数与总次数的百分比，结果如表1所示。响应速度的统计方法是主站分别下发抄读1类数据、2类数据、3类数据的命令，记录下发时刻和成功接收时刻，两个时刻的间隔即单次响应时间，再统计6个月以来的平均响应时间，结果如表2所示。平均抄读成功率达到100%，说明系统一次采集成功率和周期采集成功率非常高，系统可靠性好。

1类数据是实时数据，采集器接收到抄读命令后，需要即时通过RS485总线从智能电能表中采集相应数据，然后打包传输到主站。由于RS485总线的半双工及低速率特点，这个过程耗时较多。2类数据和3类数据是采集器内部储存的数据，主站抄读时直接从内存中取出，不需要与智能电能表交互，节省了时间。从2类数据和3类数据的抄读响应时间基本一致来看，通信报文的长短对这两类数据的响应速度几乎没有影响。

通过近6个月的试运行，采集器运行稳定可靠，通信响应迅速，采集成功率高。该试点应用为智能用电小区提供了基础用电信息数据，可靠地实现了远程预付费，为客户与供电公司双向互动提供了良好的技术支撑。

结语

电力光纤到户建设工程为电力用户用电信息采集系统提供了一种理想的通信资源，借助EPON网络的高带宽、高安全性、高速率、高可靠性的特点，基于光纤通信方式的采集器凭借ARM9高级硬件平台的超强性能，Linux系统强大的TCP/IP协议支持，以及应用软件各模块流程的合理设计，通过现场应用测试，证明其设计达到了系统要求。采集器硬件平台功能强大，技术先进，通信速度快，安全性高，应用效果好，在进一步降低成本的情况下，可以加快技术推广和应用。