一種電能表通訊緩存處理方式

顧小峰 肖五生

摘 要：從2016年開(kāi)始，電能表引入了面向?qū)ο笸ㄐ艆f(xié)議《DL/T 698.45面向?qū)ο蟮挠秒娦畔?shù)據(jù)交換協(xié)議》，而此協(xié)議與原有電能表通信協(xié)議《DL/T 645—2007多功能電能表通信協(xié)議》相比，對(duì)電能表的資源需求有了一個(gè)明顯提高。主要體現(xiàn)是通訊緩存和記錄數(shù)據(jù)的需求量大幅提升。

關(guān)鍵詞：面向?qū)ο笸ㄓ崊f(xié)議；動(dòng)態(tài)RAM；鏈路層分幀

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）14-0098-02

1 背景描述

從2016年開(kāi)始，電能表引入了面向?qū)ο笸ㄐ艆f(xié)議《DL/T 698.45面向?qū)ο蟮挠秒娦畔?shù)據(jù)交換協(xié)議》，而此協(xié)議與原有電能表通信協(xié)議《DL/T 645—2007多功能電能表通信協(xié)議》相比，對(duì)電能表的資源需求有了一個(gè)明顯提高。主要體現(xiàn)是通訊緩存和記錄數(shù)據(jù)的需求量大幅提升。

而我們這里主要講的是通訊緩存。通訊緩存從原先每通道212字節(jié)（數(shù)據(jù)域最大200+幀頭、幀尾等幀格式數(shù)據(jù)），上升到每通道512字節(jié)；而DL/T 698.45協(xié)議還支持鏈路層分幀，最到可處理APDU為2000字節(jié)，而這些幀數(shù)據(jù)都用RAM的話，那么每通道RAM需求量就至少需要2000+幀頭幀尾字節(jié)數(shù)據(jù)，又由于DL/T 698.45幀格式相對(duì)靈活，我們一般會(huì)預(yù)留到2K字節(jié)。這樣的話，一個(gè)通道的通訊緩存RAM需求，DL/T 698.45就比DL/T 645協(xié)議增加1836字節(jié)。對(duì)三相電能表來(lái)說(shuō)，可能會(huì)有4個(gè)通訊通道，要保證各通道能同時(shí)通訊，RAM需求量就需要增加1836*4=7344字節(jié)；單相表會(huì)少1個(gè)通道，需增加1836*3=5508字節(jié)。

RAM的大幅度增加，勢(shì)必需要更換RAM更大的MCU，而對(duì)于成本要求很高的電能表來(lái)說(shuō)，這勢(shì)必又是雪上加霜。

當(dāng)然我們也可以考慮將緩存數(shù)據(jù)放到其它存儲(chǔ)器，比如EEPROM、FLASH等，但這里畢竟是通訊，要保證傳輸速度，而EEPROM、FLASH的存儲(chǔ)和讀取速度是相對(duì)較慢的，另外它們的使用壽命相對(duì)較小，要保證使用壽命，必須預(yù)留更多倍的存儲(chǔ)空間，這樣是非常不劃算的。

2 方案設(shè)計(jì)

不管是單相電能表，還是三相電能表，雖然都設(shè)計(jì)有多個(gè)通信通道，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，一般只有一個(gè)通信通道在使用；如模塊表，基本是采用模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，485表只采用485口。當(dāng)然也不排除現(xiàn)場(chǎng)表型混用，如模塊表用于485口通訊的場(chǎng)合；由于通信模塊即使沒(méi)有采集終端對(duì)其通訊，它也會(huì)經(jīng)常從電能表獲取數(shù)據(jù)，這時(shí)對(duì)電能表來(lái)說(shuō)，就有可能涉及到2個(gè)通訊通道同時(shí)通訊。

由此，我們可以看出，對(duì)于電能表經(jīng)常通訊的通道其實(shí)頂多就2個(gè)。另外，其實(shí)我們也知道平常通訊時(shí)每次操作（讀取、設(shè)置等）時(shí)，APDU數(shù)據(jù)并不會(huì)達(dá)到最大可處理APDU的數(shù)據(jù)量。這樣我們完全可考慮，分配一塊并不是很大的RAM緩存用動(dòng)態(tài)分配的形式，供各個(gè)通道使用，先到先得，用完立即釋放。下面我們就對(duì)這種通訊緩存的分配方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 動(dòng)態(tài)RAM的分配

由于電能表一般都采用普通單片機(jī)，基本不使用操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此我們這里需要單獨(dú)分配一塊RAM區(qū)作為動(dòng)態(tài)RAM。這塊區(qū)域可以根據(jù)系統(tǒng)RAM資源進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，這個(gè)區(qū)域不能小于一個(gè)通道所需要的緩存（2Kbyte）。為了便于內(nèi)存的分配和回收，可以建立兩張信息表：內(nèi)存分配表、空閑分區(qū)表。

2.1.1 內(nèi)存分配表

（1）此表可存儲(chǔ)M條信息；

（2）每條信息內(nèi)容包括：標(biāo)識(shí)、分區(qū)起始地址、長(zhǎng)度；

標(biāo)識(shí)：某作業(yè)內(nèi)存名稱(chēng)（1字節(jié)）；用非0數(shù)據(jù)表示，0-空欄目；

分區(qū)起始地址：該作業(yè)區(qū)內(nèi)存起始地址（2字節(jié)）；當(dāng)標(biāo)識(shí)為0時(shí)，無(wú)效；

長(zhǎng)度：該作業(yè)區(qū)內(nèi)存分配長(zhǎng)度（2字節(jié)）；當(dāng)標(biāo)識(shí)為0時(shí)，無(wú)效；

2.1.2 空閑分區(qū)表

（1）此表可存儲(chǔ)N條信息；

（2）每條信息內(nèi)容包括：分區(qū)起始地址、長(zhǎng)度、標(biāo)識(shí)；

標(biāo)識(shí)：某空閑內(nèi)存標(biāo)志（1字節(jié)）；0-空欄目，1-未分配；

分區(qū)起始地址：該空閑區(qū)內(nèi)存起始地址（2字節(jié)）；當(dāng)標(biāo)識(shí)為0時(shí)，無(wú)效；

長(zhǎng)度：該空閑區(qū)內(nèi)存分配長(zhǎng)度（2字節(jié)）；當(dāng)標(biāo)識(shí)為0時(shí)，無(wú)效；

2.1.3 分配內(nèi)存

分配內(nèi)存步驟如下：

（1）從“空閑分區(qū)表”中找到標(biāo)識(shí)為“1”（未分配）且滿(mǎn)足作業(yè)需求內(nèi)存大小的最小空閑區(qū)。

（2）判別該空閑區(qū)大小與作業(yè)所需內(nèi)存的差值是否小于最小值MinSize；如果小于，那么將該空閑區(qū)標(biāo)識(shí)改為“0”，同時(shí)在“內(nèi)存分配區(qū)”中找到標(biāo)識(shí)為“0”的空欄目，并將新的作業(yè)名稱(chēng)、起始地址、長(zhǎng)度登記進(jìn)去；如果差值大于等于MinSize，將該部分區(qū)域分成兩部分，一部分做為作業(yè)區(qū)內(nèi)存，另一部分仍舊做空閑區(qū)，這時(shí)只要更改該空閑區(qū)長(zhǎng)度，并把新裝入的作業(yè)內(nèi)存登記到“內(nèi)存分配區(qū)”。

2.1.4 回收內(nèi)存

回收內(nèi)存步驟如下：

（1）先將“內(nèi)存分配表”對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)改為“0”（空欄目）；

（2）檢查“空閑分區(qū)表”中標(biāo)識(shí)為“1”（未分配）的欄目，查找是否有相鄰的空閑區(qū)；如果有，合并處理，修改該空閑區(qū)起始地址和長(zhǎng)度；如果沒(méi)有，在“空閑分區(qū)表”中找到標(biāo)識(shí)為“0”的欄目，將該欄目標(biāo)識(shí)改為“1”，同時(shí)將回收的內(nèi)存起始地址和長(zhǎng)度記錄到相應(yīng)位置。

內(nèi)存分配表和空閑分區(qū)表的信息條數(shù)，可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際使用情況分配。

2.2 鏈路層分幀數(shù)據(jù)的管理

上面提到用動(dòng)態(tài)RAM來(lái)維持正常情況下的通訊緩存開(kāi)銷(xiāo)，但也會(huì)有偶爾出現(xiàn)這樣的情況，動(dòng)態(tài)RAM已被占用完，這時(shí)又有其它通道有通訊產(chǎn)生（如現(xiàn)場(chǎng)紅外抄讀數(shù)據(jù)）；為了保證這種情況下通訊正常，這時(shí)我們就需要啟動(dòng)備用緩存方案，而備用緩存可以采用非易失性存儲(chǔ)器（如EEPROM、FLASH等）。由于備用緩存應(yīng)用頻率較低，只要預(yù)留少部分資源就可以滿(mǎn)足壽命需求。

考慮到鏈路層分幀時(shí)完整的APDU數(shù)據(jù)是通過(guò)一幀幀的數(shù)據(jù)組成的，而每一幀的數(shù)據(jù)小于512字節(jié)；另外，鏈路層分幀每幀包含的APDU片段都是不可自解析的，因此在所有幀接收完成前，是不知道的APDU數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度的。為了不浪費(fèi)資源，我們需要根據(jù)接收幀逐塊申請(qǐng)緩存。

由于是逐塊申請(qǐng)緩存，那么一個(gè)完整的APDU緩存就可能是幾個(gè)地址不連續(xù)的塊組成，這樣我們就需要有一個(gè)管理信息來(lái)表達(dá)每個(gè)通道的APDU緩存。

本方案每個(gè)通道數(shù)據(jù)管理信息包括：數(shù)據(jù)信息緩存、數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度。

數(shù)據(jù)信息緩存：4字節(jié)數(shù)組（接收時(shí)最小申請(qǐng)內(nèi)存大小為512byte），用來(lái)存放內(nèi)存塊標(biāo)識(shí)名；此數(shù)組長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。每個(gè)字節(jié)最高位表示存儲(chǔ)類(lèi)型，0表示動(dòng)態(tài)RAM，1表示非易失性存儲(chǔ)器；低7位為標(biāo)識(shí)名，最高位為1時(shí)（空間分配在非易失性存儲(chǔ)器），標(biāo)識(shí)名不做識(shí)別，分配空間統(tǒng)一按2K大小處理；信息字節(jié)為0xFF，表示未使用；要求信息從第一個(gè)字節(jié)開(kāi)始放置，沒(méi)用到的信息字節(jié)填0xFF，建議使用前將信息初始化為0xFF。動(dòng)態(tài)RAM類(lèi)型的標(biāo)識(shí)名，每個(gè)標(biāo)識(shí)代表一個(gè)數(shù)據(jù)塊，前面數(shù)據(jù)塊內(nèi)數(shù)據(jù)都是有效數(shù)據(jù)，最后一個(gè)有效標(biāo)識(shí)的有效數(shù)據(jù)數(shù)是與數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度有關(guān)的，即：L末=L總-L前；

L末：最后有效標(biāo)識(shí)代表的數(shù)據(jù)塊的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；

L總：數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度；

L前：前面所有數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度之和。

數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度：保存數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度。

2.3 鏈路層分幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)

698通訊上用到的鏈路層分幀有兩種情況：接收鏈路層分幀和發(fā)送鏈路層分幀。接收時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)存需要一塊一塊申請(qǐng)，發(fā)送時(shí)可以根據(jù)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度一次性申請(qǐng)。下面就具體說(shuō)明一下這兩種情況的處理方法（以下都是按通道單獨(dú)處理）：

（1）接收：當(dāng)需要保存接收分幀的APDU片段時(shí)，先識(shí)別是否有已分配空間，如果有且夠用就直接保存數(shù)據(jù)并更改存儲(chǔ)信息；如果沒(méi)有已分配空間或不夠用，就申請(qǐng)空間，再保存數(shù)據(jù)且更改存信息。

（2）發(fā)送：需要分幀發(fā)送時(shí)，存儲(chǔ)相對(duì)就簡(jiǎn)單了，只要根據(jù)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，申請(qǐng)存儲(chǔ)空間，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存且更改存儲(chǔ)信息就可以了。

不管是接收保存還是發(fā)送保存，其中都會(huì)涉及到申請(qǐng)存儲(chǔ)空間的操作。由于存儲(chǔ)RAM空間有限，申請(qǐng)存儲(chǔ)空間時(shí)不一定能申請(qǐng)到動(dòng)態(tài)RAM，這時(shí)申請(qǐng)到的存儲(chǔ)空間就會(huì)是非易失性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間。

需要注意的是，接收申請(qǐng)存儲(chǔ)空間過(guò)程中，在申請(qǐng)動(dòng)態(tài)RAM時(shí)，由于不知道后面具體有多少數(shù)據(jù)，且接收一幀最大長(zhǎng)度為512byte，為了減少浪費(fèi)RAM的使用，每次申請(qǐng)都只申請(qǐng)512byte的內(nèi)存。

另外，在每次保存數(shù)據(jù)后，都需要更改管理信息，申請(qǐng)空間需要增加一個(gè)數(shù)據(jù)信息隊(duì)列數(shù)據(jù)并更改存儲(chǔ)數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度，不申請(qǐng)空間只需要更改存儲(chǔ)數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度。

分幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能對(duì)外接口參數(shù)：通道號(hào)、保存數(shù)據(jù)指針、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)偏移。

2.4 鏈路層分幀數(shù)據(jù)讀取

上面講的是存儲(chǔ)鏈路層分幀的APDU數(shù)據(jù)，這里就需要說(shuō)一下如何讀取這些存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

由于根據(jù)上面數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，這些存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并不是連續(xù)的，而是分塊的，甚至是不同設(shè)備中存儲(chǔ)的，因此讀取就不可能像我們平時(shí)讀取其它數(shù)據(jù)一樣，簡(jiǎn)單地根據(jù)起始地址和數(shù)

據(jù)長(zhǎng)度得到。我們需要根據(jù)存儲(chǔ)信息隊(duì)列，找到待讀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置，然后再?gòu)恼业降奈恢瞄_(kāi)始逐塊讀取，直到讀到需要的數(shù)據(jù)量為止。

分幀數(shù)據(jù)讀取對(duì)外接口參數(shù)：通道號(hào)、輸出數(shù)據(jù)指針、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)偏移。

3 結(jié)語(yǔ)

本方案宗旨是在通訊時(shí)盡量采用動(dòng)態(tài)RAM資源，使用完成后，需及時(shí)釋放資源。在RAM資源緊缺時(shí)臨時(shí)采用非易失性存儲(chǔ)器，保證在這種情況下的通訊成功率。另外需注意，如果在使用非易失性存儲(chǔ)器存儲(chǔ)或者讀取失敗時(shí)，也需要做好合理的應(yīng)答，不能產(chǎn)生不可預(yù)知的錯(cuò)誤。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭天，曹凱，楊東華，賀云隆.智能電能表的發(fā)展與應(yīng)用探討[J].科技展望，2015，（27）105.