基于STM32 的電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張華健，吉宏生，于 波，高 鵬，崔 航

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司延安供電公司，陜西延安 716000；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司安監(jiān)部，陜西 西安 710048）

STM32 是一類低功耗、低成本、高性能型嵌入式ARM 元件的統(tǒng)稱，在電力應(yīng)用系統(tǒng)中，可與微控制器設(shè)備直接相連，從而使得存儲(chǔ)器性能得到有效促進(jìn)，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備引腳數(shù)量的較好控制。在CAN2.0B 與USB OTG 接口的作用下，STM32 元件外部增設(shè)了以太網(wǎng)型MAC 模塊，可在聯(lián)合MII 與RMII線型應(yīng)用結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)外部PHY 芯片內(nèi)的存儲(chǔ)信息進(jìn)行精準(zhǔn)讀取[1-2]。在整個(gè)執(zhí)行過(guò)程中，STM32 芯片始終能夠直接驅(qū)動(dòng)外部以太網(wǎng)PHY 層芯片，從而為客戶端主機(jī)節(jié)省多個(gè)附加晶振連接設(shè)備。

電力通信系統(tǒng)能夠較好維護(hù)電表設(shè)備與集中器元件之間的數(shù)據(jù)采集關(guān)系，從而使外部電力通信環(huán)境得到較好維護(hù)。傳統(tǒng)無(wú)線型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的支持下，對(duì)電力數(shù)據(jù)的通信安全性進(jìn)行定向統(tǒng)計(jì)，再借助DES 加密原理提升傳輸信息的安全通信能力。然而，該系統(tǒng)在應(yīng)用穩(wěn)定性方面的實(shí)用性能力較差，并不能較好滿足電力通信環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用需求。為解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于STM32 的電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，借助無(wú)線傳輸電路、微控制器模塊等硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)，對(duì)通信任務(wù)的有線級(jí)條件進(jìn)行設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通信任務(wù)傳輸量數(shù)值的精準(zhǔn)計(jì)算。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由無(wú)線傳輸電路、電力集中器和通信電表、微控制器模塊3部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 無(wú)線傳輸電路

無(wú)線傳輸電路能夠提供電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的應(yīng)用電子量，且在電功率保持為M的情況下，可對(duì)已接入電阻的實(shí)際數(shù)值水平進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試，從而使得整個(gè)電路環(huán)境中的電流傳輸形式始終保持相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)用狀態(tài)。無(wú)線傳輸電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。電阻R1、R2、R3、R4分屬于不同的電路連接區(qū)間，在不同電量傳輸環(huán)境下，這些電阻可自發(fā)改變自身已接入的阻值水平，并通過(guò)遞歸調(diào)試的方式，使整個(gè)電路組織內(nèi)的傳輸電流水平時(shí)刻保持穩(wěn)定狀態(tài)[3-4]。C1、C2、C3作為3 個(gè)相互獨(dú)立的電容設(shè)備元件，可在L1、L2兩個(gè)電導(dǎo)設(shè)備的作用下，對(duì)電路內(nèi)部的傳輸電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)性調(diào)試，從而使STM32 芯片能夠獲得更高水平的傳輸電壓數(shù)值量。

圖1 無(wú)線傳輸電路結(jié)構(gòu)

1.2 電力集中器和通信電表

電力集中器和通信電表是一個(gè)相互融合的配網(wǎng)型電子量執(zhí)行設(shè)備，可借助主CPU 設(shè)備建立模塊主機(jī)與無(wú)線傳輸電路間的輸入連接關(guān)系，從而使得電力通信數(shù)據(jù)能夠直接傳輸至下級(jí)應(yīng)用設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中[5]。在STM32 電網(wǎng)芯片的作用下，主CPU 設(shè)備中的輸出信息可直接經(jīng)過(guò)電力主機(jī)的二次變壓處理，從而使得通信傳輸主機(jī)的高壓端設(shè)備能夠分得更多的傳輸電子量信息。隨著電網(wǎng)高低壓端口之間壓降差數(shù)值的提升，系統(tǒng)通信按鍵的占用狀態(tài)也會(huì)逐漸趨于頻繁，在此情況下，無(wú)線傳輸電路會(huì)快速進(jìn)入充電連接狀態(tài)，一方面能夠較好地滿足狀態(tài)顯示模塊內(nèi)的電子通信需求；另一方面使電量通信信息可在集中器設(shè)備中進(jìn)行快速聚合[6-7]。電力集中器和通信電表結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電力集中器和通信電表結(jié)構(gòu)

1.3 微控制器模塊

微控制器模塊是位于電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的最底層應(yīng)用執(zhí)行設(shè)備，由DMA 信息寄存器、傳輸采集量寄存器兩部分組成[8]。隨著AHB 通信接口擴(kuò)張能力的增強(qiáng)，DMA 信息寄存器內(nèi)存儲(chǔ)的電力通信數(shù)據(jù)總量也會(huì)逐漸增大，在此情況下，傳輸采集量寄存器的應(yīng)用能力會(huì)出現(xiàn)明顯增強(qiáng)的變化趨勢(shì)，直至將所有處于散亂分布形式的電力數(shù)據(jù)信息全部轉(zhuǎn)存至電力通信以太網(wǎng)主機(jī)中[9-10]。由于STM32 芯片結(jié)構(gòu)體的存在，微控制器模塊中的信息接收端口與信息發(fā)送端口始終處于相對(duì)活躍的連接狀態(tài)，當(dāng)電力數(shù)據(jù)矩陣的實(shí)時(shí)應(yīng)用需求得到滿足后，這些通信數(shù)據(jù)信息才會(huì)被完整轉(zhuǎn)存至下級(jí)采集設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中。微控制器模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 微控制器模塊結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遵照系統(tǒng)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求，通過(guò)通信任務(wù)有線級(jí)設(shè)定、STM32 型USB 數(shù)據(jù)固件庫(kù)連接、通信任務(wù)傳輸量確定的處理流程，完成系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于STM32 電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

2.1 通信任務(wù)有線級(jí)設(shè)定

在基于STM32 芯片進(jìn)行電力通信任務(wù)有線級(jí)設(shè)定時(shí)，數(shù)據(jù)采集器能否合理完成最初的信息劃分任務(wù)，取決于現(xiàn)有存儲(chǔ)信息能否被電力通信主機(jī)直接調(diào)用。通信任務(wù)有線級(jí)設(shè)定不僅僅需要從系統(tǒng)執(zhí)行功能的角度進(jìn)行考慮，還需要規(guī)定信息數(shù)據(jù)參量的最高存儲(chǔ)數(shù)量級(jí)水平。在這種操作思想的約束下，系統(tǒng)USB 數(shù)據(jù)固件庫(kù)的存儲(chǔ)需求基本可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定且平衡的應(yīng)用狀態(tài)，這也是新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠穩(wěn)定電表設(shè)備與集中器結(jié)構(gòu)體之間通信與采集關(guān)系的主要原因[11-12]。設(shè)i代表電力通信任務(wù)的有線級(jí)設(shè)定系數(shù)，j代表電力通信任務(wù)的采集量關(guān)系系數(shù)，聯(lián)立上述物理量，可將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信任務(wù)有線級(jí)設(shè)定條件表示為：

其中，wij、rij代表滿足i、j數(shù)值條件的兩個(gè)不相等的電力通信數(shù)據(jù)定義項(xiàng)。

2.2 STM32型USB數(shù)據(jù)固件庫(kù)

USB 數(shù)據(jù)固件庫(kù)是存儲(chǔ)于STM32 可編程存儲(chǔ)器上的一段完整的解析程序，是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最為重要的信息處理軟件，具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)與數(shù)據(jù)控制能力。在采集系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境中，USB 數(shù)據(jù)固件庫(kù)的應(yīng)用能力直接決定了系統(tǒng)對(duì)于電力通信數(shù)據(jù)的采集與處理性能。STM32 主機(jī)主要依靠USB 數(shù)據(jù)固件庫(kù)來(lái)描述電力通信數(shù)據(jù)的傳輸適應(yīng)性能力，且其描述行為需要借助字符串、采集信息等多個(gè)物理量的共同配合[13-14]。通常情況下，當(dāng)USB 數(shù)據(jù)固件庫(kù)能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定連接狀態(tài)時(shí)，STM32 型應(yīng)用主機(jī)才能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到極大值輸出狀態(tài)。設(shè)φ代表既定的電力通信數(shù)據(jù)采集系數(shù)，聯(lián)立式（1），可將STM32 型USB 數(shù)據(jù)固件庫(kù)的連接條件定義為：

式中，f代表通信數(shù)據(jù)信息的傳輸特征權(quán)限值，代表通信數(shù)據(jù)信息的傳輸時(shí)間均值。

2.3 通信任務(wù)傳輸量

確定通信任務(wù)傳輸量需要在微控制器模塊的配合下準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，且隨著通信數(shù)據(jù)包解析指令的進(jìn)行，系統(tǒng)主機(jī)能夠直接截取待采集的數(shù)據(jù)信息操作指令。由于STM32 芯片的影響，通信數(shù)據(jù)傳輸量水平基本能夠長(zhǎng)期維持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)，因此，為獲得準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，需要在統(tǒng)計(jì)電力通信數(shù)據(jù)傳輸量級(jí)水平的同時(shí)，對(duì)電力集中器、通信電表等硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能力進(jìn)行精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，一方面可避免電力通信數(shù)據(jù)采集堆積行為的出現(xiàn)；另一方面也可使系統(tǒng)內(nèi)的信息統(tǒng)計(jì)能力在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值狀態(tài)[15-16]。設(shè)β、λ分別代表兩個(gè)不同的通信數(shù)據(jù)采集系數(shù)項(xiàng)指標(biāo)，聯(lián)立式（2），可將通信任務(wù)傳輸量表達(dá)式定義為：

其中，l1、l2代表兩個(gè)不相等的電力通信數(shù)據(jù)特征值。至此，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)系數(shù)應(yīng)用指標(biāo)的計(jì)算與處理，在不出現(xiàn)其他干擾影響條件的情況下，完成基于STM32 的電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)實(shí)用性研究

以圖4 所示采集環(huán)境作為實(shí)驗(yàn)背景，分別將實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組采集主機(jī)與存儲(chǔ)服務(wù)器設(shè)備相連，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組實(shí)施方法遵循基于STM32 的電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)照組實(shí)施方法則遵循傳統(tǒng)無(wú)線型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所產(chǎn)生的各項(xiàng)指標(biāo)系數(shù)值，以用于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究與分析。

圖4 電力通信數(shù)據(jù)采集環(huán)境

UTR 指標(biāo)反映了電表設(shè)備所具備的數(shù)據(jù)信息采集與通信能力，一般情況下，UTR 指標(biāo)數(shù)值越大，電表設(shè)備所具備的數(shù)據(jù)信息采集與通信能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。表1 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組UTR 指標(biāo)的具體數(shù)值變化情況[17-19]。

表1 UTR指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

結(jié)合表1 中的指標(biāo)記錄數(shù)值可知，實(shí)驗(yàn)組UTR指標(biāo)的階段性極大值為82.9%，基本變化規(guī)律保持為連續(xù)上升。對(duì)照組UTR 指標(biāo)的變化趨勢(shì)則遵循下降、上升交替的情況，階段性極大值為50.5%，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，下降了32.4%。綜上可知，基于STM32 的電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備增大UTR 指標(biāo)的實(shí)際處理作用，符合提升電表設(shè)備所具備的數(shù)據(jù)信息采集與通信能力的實(shí)際應(yīng)用需求。

DPR 指標(biāo)反映了集中器結(jié)構(gòu)體所具備的數(shù)據(jù)信息采集與通信能力，一般情況下，DPR 指標(biāo)數(shù)值越大，集中器結(jié)構(gòu)體所具備的數(shù)據(jù)信息采集與通信能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組DPR 指標(biāo)數(shù)值變化的具體情況。

以表2 指標(biāo)數(shù)值作為分析基礎(chǔ)可知，對(duì)照組DPR 指標(biāo)階段性極大值為81.7%，指標(biāo)數(shù)值基本保持平穩(wěn)波動(dòng)的變化情況。對(duì)照組DPR 指標(biāo)基本上呈現(xiàn)連續(xù)下降的變化狀態(tài)，階段性極大值為62.7%，后者相比前者下降了19.0%。由此可認(rèn)為，基于STM32的電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也具備增大DPR 指標(biāo)的實(shí)際處理作用，符合提升集中器結(jié)構(gòu)體所具備的數(shù)據(jù)信息采集與通信能力的實(shí)際應(yīng)用需求。

表2 DPR指標(biāo)數(shù)值對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)無(wú)線型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，新型電力通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在STM32 芯片的作用下，重新規(guī)劃了無(wú)線傳輸電路、微控制器模塊等多個(gè)硬件執(zhí)行設(shè)備，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通信任務(wù)有線級(jí)條件的準(zhǔn)確設(shè)定，也可獲得相對(duì)較為可靠的通信任務(wù)傳輸量計(jì)算結(jié)果。從實(shí)用性角度來(lái)看，UTR 指標(biāo)與DPR 指標(biāo)數(shù)值的提升，不但增強(qiáng)了電表設(shè)備、集中器結(jié)構(gòu)體所具備的數(shù)據(jù)信息采集與通信能力，也可對(duì)電力通信環(huán)境進(jìn)行有效保護(hù)，具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用與處理能力。