協(xié)議互轉(zhuǎn)化智能EPON光模塊的研究*

趙安新，廖曉群，馬 莉

(1.西安科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，西安710054;2.西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，西安710054)

隨著寬帶在中國的建設(shè)和智慧城市的實(shí)施，國家電網(wǎng)在十二五規(guī)劃中把智能電網(wǎng)列為重點(diǎn)，計(jì)劃十二五期間進(jìn)入全面建設(shè)階段，發(fā)展光纖到戶FTTH(Fiber To the Home)，逐步實(shí)現(xiàn)家用電器聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用［1-3］。作為光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)無源光網(wǎng)絡(luò)PON(Passive Optical Network)的由來已久，該技術(shù)具有節(jié)省光纖資源、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議透明等優(yōu)勢，在光接入網(wǎng)中扮演著重要的角色［4-5］。同時(shí)，以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)以其簡便實(shí)用，成為承載IP數(shù)據(jù)包的最佳載體。隨著IP業(yè)務(wù)干線傳輸中所占的比例不斷攀升，以太網(wǎng)也在通過傳輸速率、可管理性等方面的改進(jìn)，逐漸向接入、城域甚至骨干網(wǎng)上滲透。而以太網(wǎng)與PON的結(jié)合，便產(chǎn)生了以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)EPON(Ethernet Passive Optical Network)。具備了以太網(wǎng)和PON的優(yōu)點(diǎn)，正成為光接入網(wǎng)領(lǐng)域中的熱門技術(shù)［6-7］。本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入的需求，采用EPON芯片，開發(fā)智能光網(wǎng)絡(luò)單元ONU(Optical Network Unit)，實(shí)現(xiàn)智能家電網(wǎng)絡(luò)接入模塊。在文中以國家電網(wǎng)實(shí)施智能電網(wǎng)為例，實(shí)現(xiàn)DL/T645《多功能電能表通信協(xié)議》和Q/GDW376.1《主站與采集終端通信協(xié)議》互轉(zhuǎn)化功能，使得無需更換電能表，在電能表上加裝智能模塊即可實(shí)現(xiàn)終端的網(wǎng)絡(luò)接入。

1 智能EPON光模塊的設(shè)計(jì)及選型

1.1 智能EPON光模塊的需求分析

智能電表作為智能電網(wǎng)互動(dòng)性良好的媒介及物聯(lián)網(wǎng)終端的接入點(diǎn)，在智能電網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的作用，如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制、網(wǎng)關(guān)和強(qiáng)大的通信功能，解決用戶智能用電費(fèi)控及負(fù)控到戶，與電力用戶實(shí)時(shí)互動(dòng)，解決配電側(cè)網(wǎng)配電側(cè)信息采集系統(tǒng)全采集，全覆蓋，并使遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)及家用電器上網(wǎng)的一大難題［8-9］。現(xiàn)行的DL/T645《多功能電能表通信規(guī)約》(DL/T645規(guī)約)已經(jīng)實(shí)施將近10年，存在如耗費(fèi)大量人力、對抄讀上來的數(shù)據(jù)管理不便、對人為竊電應(yīng)對遲緩等弊端，而IC卡電表也不能滿足管理部門及時(shí)了解電網(wǎng)負(fù)荷情況的要求。因此，國網(wǎng)公司制定Q/GDW 376.1—2009《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)》(Q/GDW 376.1規(guī)約)，為實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)的要求，規(guī)范用電信息采集系統(tǒng)采集終端、通信協(xié)議等。而目前，大部分信息采集都是基于DL/T645通信規(guī)約，如果推廣Q/GDW 376.1規(guī)約，需要大面積更換原有終端。所以，本文提出一種基于EPON技術(shù)的用電信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)Q/GDW 376.1規(guī)約與DL/T645規(guī)約之間的智能轉(zhuǎn)換。

1.2 智能EPON光模塊的流程設(shè)計(jì)

ONU光通信模塊是上位機(jī)程序通過OLT設(shè)備訪問智能終端以及智能終端接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)卡，由于每個(gè)智能終端的通信協(xié)議不一致，需要在ONU光通信模塊中內(nèi)置協(xié)議轉(zhuǎn)換程序使得雙向數(shù)據(jù)幀的解析，數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換，包括2種協(xié)議數(shù)據(jù)幀之間的映射，以及相關(guān)數(shù)據(jù)字段和數(shù)據(jù)項(xiàng)的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)項(xiàng)標(biāo)識的轉(zhuǎn)換等。整個(gè)處理過程如圖1所示，ONU響應(yīng)上位機(jī)建立連接和數(shù)據(jù)交互的請求;經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換之后，對智能終端的建立連接和數(shù)據(jù)交互的請求。OLT與ONU端通信通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，ONU端與智能終端一般采用串口通信。

1.3 智能EPON光模塊的技術(shù)選型

目前市面上EPON芯片比較多，我們根據(jù)課題需要和以后擴(kuò)展，通過對比普然公司OPL_06750、OPL_06752嵌入式芯片和Qualcomm公司QCA8829芯片，在綜合考慮功耗、成本、性能以及尺寸等方面因素，選用QCA8829芯片作為主控芯片，該芯片具備的超低能耗，支持北美以太網(wǎng)開通有線電纜數(shù)據(jù)服務(wù)接口DPoE(DOCSIS?Provisioning of Ethernet)1.0規(guī)范、IEEE 802.3ah EPON規(guī)范、國家電網(wǎng)EPON規(guī)范和中國電信(CTC)EPON規(guī)范。Flash選擇Macronix公司的32 Mbits flash MX25L3205D，該芯片有sop封裝和pdip封裝。RS-232收發(fā)器使用sipex生產(chǎn)的SP385ECA，通信速度可達(dá)120 kbit/s。電源芯片采用MPS公司的MP1484可將4.75 V到23 V的電壓轉(zhuǎn)換成為3.3 V，輸出電流可達(dá)3 A，而板上需要的電流不會(huì)大于2 A。看門狗芯片采用Max706SESA監(jiān)控芯片，能夠監(jiān)控電源電壓、微控器工作狀態(tài)、手動(dòng)復(fù)位等功能。

圖1 EPON光模塊處理流程

2 智能電能表ONU協(xié)議互轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 協(xié)議互轉(zhuǎn)換流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過在現(xiàn)有支持DL/T645電能計(jì)費(fèi)裝置中添加規(guī)約轉(zhuǎn)換的嵌入式模塊，使得電能計(jì)費(fèi)裝置能應(yīng)用于Q/GDW 376.1通信規(guī)約環(huán)境中，可以使電能計(jì)費(fèi)裝置與符合Q/GDW 376.1通信規(guī)約的基于EPON技術(shù)用電信息采集系統(tǒng)的通信，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 協(xié)議互轉(zhuǎn)化系統(tǒng)框圖

ONU實(shí)現(xiàn)的核心是在光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)中完成DL/T645規(guī)約與Q/GDW376.1規(guī)約的相互轉(zhuǎn)換。ONU一方面作為主站，收集基于DL/T645規(guī)約用戶電能表的信息;另一方面，又充當(dāng)服務(wù)器，負(fù)責(zé)接收Q/GDW 376.1通信規(guī)約的數(shù)據(jù)信息，為光線路終端(OLT)提供服務(wù)。這兩種規(guī)約具有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信息模型。因此，下行要將Q/GDW 376.1規(guī)約的請求數(shù)據(jù)，按DL/T645規(guī)約定義的數(shù)據(jù)幀格式重新定義組合;并要將DL/T645規(guī)約上傳的數(shù)據(jù)，按Q/GDW 376.1規(guī)約定義的數(shù)據(jù)幀格式重新定義組合。規(guī)約轉(zhuǎn)換的主要工作，可分為3個(gè)部分:(1)規(guī)約的接收和解析，Q/GDW 376.1規(guī)約報(bào)文通過以太網(wǎng)通信方式接收，然后解析出應(yīng)用功能碼AFN、Fn的值、數(shù)據(jù)單元等信息，DL/T645規(guī)約報(bào)文通過串口通信方式接收，然后解析出被抄讀電能表的真實(shí)數(shù)據(jù)。(2)DL/T645規(guī)約和Q/GDW 376.1規(guī)約幀的重組和發(fā)送，根據(jù)DL/T645規(guī)約和Q/GDW 376.1規(guī)約中幀格式的定義，重組兩規(guī)約的數(shù)據(jù)幀，并通過串口或以太網(wǎng)發(fā)送出去。(3)應(yīng)用功能數(shù)據(jù)的映射與格式轉(zhuǎn)化，將解析完成的電能表信息向相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)映射，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。處理流程如下:自無源光網(wǎng)絡(luò)通過TCP/IP通信方式獲取到符合376.1協(xié)議幀數(shù)據(jù)包，首先對其進(jìn)行幀正確性判定處理(包括起始位68H、長度L、控制域C、地址域A、鏈路用戶數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和 CS、結(jié)束符68H判定)不正確則放棄此幀，正確則進(jìn)行376.1協(xié)議幀鏈路用戶數(shù)據(jù)域處理，判定數(shù)據(jù)應(yīng)用類型，無法識別則回復(fù)否認(rèn)幀，有對應(yīng)類型則判定屬于哪類應(yīng)用類型，若需要向智能終端做請求，則判斷應(yīng)用類型是否與645協(xié)議對應(yīng)，無對應(yīng)類型則上發(fā)否認(rèn)幀處理，有對應(yīng)類型則按照請求類型組成符合645協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，通過串口發(fā)送至電能表，之后電能表回復(fù)數(shù)據(jù)，獲取到符合645協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，首先進(jìn)行645協(xié)議幀信息處理(包括起始位68H、地址域A、數(shù)據(jù)域DATA、數(shù)據(jù)長度L、校驗(yàn)和CS、結(jié)束符68H判定)判斷幀信息不正確則丟棄，正確若電表異常應(yīng)答則上行回復(fù)否認(rèn)幀，正常應(yīng)答則對645數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)域處理，判定是否有對應(yīng)應(yīng)用類型，無則丟棄不作處理，有則組成符合376.1幀格式數(shù)據(jù)幀上發(fā)送至OLT，即完成一次數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換的整個(gè)過程。

2.2 硬件基本組成

該部分主要由處理器芯片(QCA8829)、啟動(dòng)加載Flash、RS-232收發(fā)器、電源芯片、看門狗芯片等幾部分組成，組成如圖3所示。UART(RS232)的任務(wù)是與電腦相連實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)、規(guī)約轉(zhuǎn)換軟件做控制和調(diào)試;SPI FLASH是用來存儲本設(shè)計(jì)所用操作系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換模塊的應(yīng)用程序;EJTAG是對軟硬件進(jìn)行調(diào)試;Uart2與電能表相連，完成向電能表發(fā)送Q/GDW 376.1規(guī)約轉(zhuǎn)換符合DL/T645規(guī)約的數(shù)據(jù)幀和接收電能表發(fā)來的符合DL/T645規(guī)約的數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn) ONU與電能表的通信;SFF Optical Module是本系統(tǒng)的光收發(fā)接口，完成接收OLT發(fā)來符合Q/GDW 376.1規(guī)約的數(shù)據(jù)幀和發(fā)送DL/T645規(guī)約轉(zhuǎn)換的符合Q/GDW 376.1規(guī)約的數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)ONU與OLT之間的通信。

圖3 硬件組成

2.3 測試環(huán)境及結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境搭建了整個(gè)光通路過程，系統(tǒng)測試環(huán)境如圖4組成實(shí)驗(yàn)線路連接方式:網(wǎng)絡(luò)線路連接局端OLT的G6口，單模光纖一端與OLT的PON2口連接，一端與無源分光器IN1口相連，另一條單模光纖從OUT1口連接，連接至光纖模塊光纖接口，光纖模塊與智能電能表以5 V TTL電平相連接，而且通過DB9-USB轉(zhuǎn)換線與PC機(jī)連接，此時(shí)PC機(jī)可作為控制臺平臺，運(yùn)用SecureCRT去操作光纖模塊實(shí)驗(yàn)板系統(tǒng)以及使用國標(biāo)376.1采集終端后臺v2.6.2模擬OLT下發(fā)376.1協(xié)議數(shù)據(jù)包。

本設(shè)計(jì)主要針對ONU光模塊重要性能指標(biāo)功耗做了測試，使用E3631直流電源給實(shí)驗(yàn)板供12 V電壓，電流值顯示為150 mA，計(jì)算功耗值約1.8 W＜2 W。結(jié)果符合表1功耗要求，性能很好。ONU光模塊符合YD/T 1475—2006中8所涉及ONU的功能要求及基本傳輸性能要求，模塊上行通信協(xié)議符合Q/GDW 376.1—2009及備案文件的相關(guān)要求，對表端的通信協(xié)議遵循DL/T 645—2007協(xié)議及其備案文件。模塊遠(yuǎn)程通信采用1路SC接口，上行工作波長使用1 260 nm～1 360 nm，下行工作波長使用1 480 nm～1 500 nm，符合各項(xiàng)要求。

圖4 系統(tǒng)測試環(huán)境

表1 功耗等級測試列表

3 結(jié)束語

針對我國光纖到戶的建設(shè)，智能電網(wǎng)現(xiàn)狀，提出了采用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，在Linux2.6.x系統(tǒng)內(nèi)核平臺上，基于美國Qualcomm公司QCA8829嵌入式芯片采用可接入EPON系統(tǒng)的光纖接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能光模塊ONU，可以實(shí)現(xiàn)配電側(cè)信息全采集，全覆蓋，并使遠(yuǎn)程費(fèi)控及負(fù)控到戶，使得智能終端可以借助于此ONU模塊接入網(wǎng)絡(luò)。最后以DL/T645—2007規(guī)約和Q/GDW376.1—2009規(guī)約互換化為列，實(shí)現(xiàn)了該兩個(gè)協(xié)議的互轉(zhuǎn)化功能，使得上位機(jī)可以通過EPON網(wǎng)絡(luò)采集電表側(cè)信息，同時(shí)對電能表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，互動(dòng)。

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