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

简介PRIME-PoweRlineIntelligentMeteringEvoluTIon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EmbeddedDataConcentrate。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。1EDC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UPPERMAC及LOWMAC,PHY层协议。F28M35H52C1是一款双核的MCU，它内部包含了Cortexm3主系统和TIC28x控制子系统两个MCU系统，每个系统分别有512KB的Flash空间，Cortexm3独立使用32KBRAM，TIC28x独立使用36KBRAM，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IPCMessageRAM。在EDC系统应用中，Cortexm3核工作主频为75MHz，它负责处理UpperMAC协议,C28x核工作主频为150MHz，它负责处理LowMAC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8MBytes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3MBytes；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TIAFE031，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1PRIMEEDC系统架构示意图2EDC方案特性傲壹电子(AO-Electronics)—电子元器件分销商，官网：中文网：完整功能。提供UART接口与PC或用户HostProcessor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(UbuntuLinuxOS)客户端软件进行模拟测试，客户端软件通过mgmt及IEC-432API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：ManagementtoolapplicaTIonBasenodeconferencetoolapplicaTIonIEC61334-4-32datatransferapplicaTIon硬件设计保留C28x的SCIAUART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PLCPHY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3SDRAM及UART接口参考设计原理图图4AFE031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22pin接口按照中国国家电网《Q／GDW375.2-2009》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MCUCM3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／GDW375.2-2009》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，Servicenode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5EDC电路板正面图图6EDC电路板背面图3.3EDC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LinuxPC客户端通过一个UART-USB转接小板连接，连接如图8所示。图7EDC与PLC节点连接示意图图8EDC与PC连接示意图4EDC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UnicastMAC连接/释放KeepAlive功能及自动调节KeepAlive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demoTIonMulTIcastMAC连接/释放单点和多点firmwareupgrade支持使用IEC61334-4-32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5EDC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.outprime_dc_concerto_c28x.outLinux客户端软件：uart_intf,mgmt_cli,ext432App,bn_conf_tool6PRIMEEDC基本功能演示PRIMEEDC的功能演示基于一个PRIME网络进行，该网络由一个basenode和几个servicenode组成，EDC就是其中的basenode。功能演示包括以下几个部分：节点注册、节点注销KeepAlive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LinuxPC，给EDC及servicenode加电后，系统将自动完成网络连接。通过在LinuxPC端的进行对应的命令行操作，即可实现以上功能演示。LinuxPC端的命令行操作参考后续章节介绍。7LinuxPC端命令行操作说明准备一台安装ubuntuLinuxOS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LinuxPC上打开一个Terminal，进入uart_intf路径，执行“makeclean”命令，清除旧的可执行文件，然后执行“makePREFIX=”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9LinuxUART连接提示其中的TCPport57777,TCPport56666,TCPport58888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。7.2mgmt网络管理工具客户端及其常用命令参考在LinuxPC上打开一个新的Terminal，进入mgmt_cli路径，执行“makeclean”命令，清除旧的可执行文件，然后执行“makePREFIX=”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–p56666命令正常执行后，显示以下提示：connecTIngto127.0.0.1:56666connected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-stdget-node-infoget-switch-infoget-terminal-infoget-mac-uc-conn-infounreg-nodeclose-mac-uc-connpro-termdem-switchset-ka-tmoget-ka-tmoena-ka-auto-adjdis-ka-auto-adjstart-uc-fustart-mc-fushow-uc-fushow-mc-fucancel-fuadd-to-black-listrm-from-black-listshow-black-listena-eventdis-eventget-pibset-pibreboot-snsend-new-imagedel-curr-imageshow-curr-imageadd-node-to-fu-mc-gprm-node-from-fu-mc-gpdel-fu-mc-gpshow-fu-mc-gpget-phy-tx-parasset-phy-tx-parasset-alv-paramsget-alv-params7.2.2CTRL+c功能：退出mgmt客户端，回到Linux命令行7.2.3get-dc-std功能：获取DC执行的标准示例：get-dc-stdPRIME7.2.4get-node-info功能：获取当前连接到PRIME网络的节点信息。示例：7.2.5get-ka-tmo功能：获取当前KeepAlive检查超时时间示例：get-ka-tmo128seconds7.2.6set-ka-tmo功能：设置当前KeepAlive检查超时时间示例：set-ka-tmo–t32KeepaliveTImeoutisnow32seconds.7.2.7pro-term功能：将终端节点升级为中继节点示例：pro-term-l2–s0Requestsent…7.2.8send-new-image功能：下载固件到DC示例：send-new-image–f/filefolder/prime_7.6.1.sbin–p1287.2.9show-curr-image功能：查看当前DC中存储的固件信息示例：show-curr-imageImagefilename:/filefolder/prime_7.6.1.sbinImageCRC:0xa57439b1Imagesize:187958bytes7.2.10del-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-image7.2.11start-uc-fu功能：启动unicast固件更新示例：start-uc-fu–fdrunk.sbin–e55:55:55:55:55:55–p1287.2.12cancel-fu功能：取消当前固件更新示例：cancel-fu7.2.13show-uc-fu功能：显示当前固件更新状态及信息示例：show-uc-fuImageFileName:/filefolder/prime_7