一種電能表通訊緩存處理方式

顧小峰 肖五生

摘 要：從2016年開始，電能表引入了面向對象通信協議《DL/T 698.45面向對象的用電信息數據交換協議》，而此協議與原有電能表通信協議《DL/T 645—2007多功能電能表通信協議》相比，對電能表的資源需求有了一個明顯提高。主要體現是通訊緩存和記錄數據的需求量大幅提升。

關鍵詞：面向對象通訊協議；動態RAM；鏈路層分幀

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0098-02

1 背景描述

從2016年開始，電能表引入了面向對象通信協議《DL/T 698.45面向對象的用電信息數據交換協議》，而此協議與原有電能表通信協議《DL/T 645—2007多功能電能表通信協議》相比，對電能表的資源需求有了一個明顯提高。主要體現是通訊緩存和記錄數據的需求量大幅提升。

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（數據域最大200+幀頭、幀尾等幀格式數據），上升到每通道512字節；而DL/T 698.45協議還支持鏈路層分幀，最到可處理APDU為2000字節，而這些幀數據都用RAM的話，那么每通道RAM需求量就至少需要2000+幀頭幀尾字節數據，又由于DL/T 698.45幀格式相對靈活，我們一般會預留到2K字節。這樣的話，一個通道的通訊緩存RAM需求，DL/T 698.45就比DL/T 645協議增加1836字節。對三相電能表來說，可能會有4個通訊通道，要保證各通道能同時通訊，RAM需求量就需要增加1836*4=7344字節；單相表會少1個通道，需增加1836*3=5508字節。

RAM的大幅度增加，勢必需要更換RAM更大的MCU，而對于成本要求很高的電能表來說，這勢必又是雪上加霜。

當然我們也可以考慮將緩存數據放到其它存儲器，比如EEPROM、FLASH等，但這里畢竟是通訊，要保證傳輸速度，而EEPROM、FLASH的存儲和讀取速度是相對較慢的，另外它們的使用壽命相對較小，要保證使用壽命，必須預留更多倍的存儲空間，這樣是非常不劃算的。

2 方案設計

不管是單相電能表，還是三相電能表，雖然都設計有多個通信通道，但現場應用時，一般只有一個通信通道在使用；如模塊表，基本是采用模塊進行數據傳輸，485表只采用485口。當然也不排除現場表型混用，如模塊表用于485口通訊的場合；由于通信模塊即使沒有采集終端對其通訊，它也會經常從電能表獲取數據，這時對電能表來說，就有可能涉及到2個通訊通道同時通訊。

由此，我們可以看出，對于電能表經常通訊的通道其實頂多就2個。另外，其實我們也知道平常通訊時每次操作（讀取、設置等）時，APDU數據并不會達到最大可處理APDU的數據量。這樣我們完全可考慮，分配一塊并不是很大的RAM緩存用動態分配的形式，供各個通道使用，先到先得，用完立即釋放。下面我們就對這種通訊緩存的分配方式進行詳細說明。

2.1 動態RAM的分配

由于電能表一般都采用普通單片機，基本不使用操作系統設計，因此我們這里需要單獨分配一塊RAM區作為動態RAM。這塊區域可以根據系統RAM資源進行適當調整，這個區域不能小于一個通道所需要的緩存（2Kbyte）。為了便于內存的分配和回收，可以建立兩張信息表：內存分配表、空閑分區表。

2.1.1 內存分配表

（1）此表可存儲M條信息；

（2）每條信息內容包括：標識、分區起始地址、長度；

標識：某作業內存名稱（1字節）；用非0數據表示，0-空欄目；

分區起始地址：該作業區內存起始地址（2字節）；當標識為0時，無效；

長度：該作業區內存分配長度（2字節）；當標識為0時，無效；

2.1.2 空閑分區表

（1）此表可存儲N條信息；

（2）每條信息內容包括：分區起始地址、長度、標識；

標識：某空閑內存標志（1字節）；0-空欄目，1-未分配；

分區起始地址：該空閑區內存起始地址（2字節）；當標識為0時，無效；

長度：該空閑區內存分配長度（2字節）；當標識為0時，無效；

2.1.3 分配內存

分配內存步驟如下：

（1）從“空閑分區表”中找到標識為“1”（未分配）且滿足作業需求內存大小的最小空閑區。

（2）判別該空閑區大小與作業所需內存的差值是否小于最小值MinSize；如果小于，那么將該空閑區標識改為“0”，同時在“內存分配區”中找到標識為“0”的空欄目，并將新的作業名稱、起始地址、長度登記進去；如果差值大于等于MinSize，將該部分區域分成兩部分，一部分做為作業區內存，另一部分仍舊做空閑區，這時只要更改該空閑區長度，并把新裝入的作業內存登記到“內存分配區”。

2.1.4 回收內存

回收內存步驟如下：

（1）先將“內存分配表”對應的標識改為“0”（空欄目）；

（2）檢查“空閑分區表”中標識為“1”（未分配）的欄目，查找是否有相鄰的空閑區；如果有，合并處理，修改該空閑區起始地址和長度；如果沒有，在“空閑分區表”中找到標識為“0”的欄目，將該欄目標識改為“1”，同時將回收的內存起始地址和長度記錄到相應位置。

內存分配表和空閑分區表的信息條數，可以根據系統實際使用情況分配。

2.2 鏈路層分幀數據的管理

上面提到用動態RAM來維持正常情況下的通訊緩存開銷，但也會有偶爾出現這樣的情況，動態RAM已被占用完，這時又有其它通道有通訊產生（如現場紅外抄讀數據）；為了保證這種情況下通訊正常，這時我們就需要啟動備用緩存方案，而備用緩存可以采用非易失性存儲器（如EEPROM、FLASH等）。由于備用緩存應用頻率較低，只要預留少部分資源就可以滿足壽命需求。

考慮到鏈路層分幀時完整的APDU數據是通過一幀幀的數據組成的，而每一幀的數據小于512字節；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數據總長度的。為了不浪費資源，我們需要根據接收幀逐塊申請緩存。

由于是逐塊申請緩存，那么一個完整的APDU緩存就可能是幾個地址不連續的塊組成，這樣我們就需要有一個管理信息來表達每個通道的APDU緩存。

本方案每個通道數據管理信息包括：數據信息緩存、數據總長度。

數據信息緩存：4字節數組（接收時最小申請內存大小為512byte），用來存放內存塊標識名；此數組長度可以根據實際情況調整。每個字節最高位表示存儲類型，0表示動態RAM，1表示非易失性存儲器；低7位為標識名，最高位為1時（空間分配在非易失性存儲器），標識名不做識別，分配空間統一按2K大小處理；信息字節為0xFF，表示未使用；要求信息從第一個字節開始放置，沒用到的信息字節填0xFF，建議使用前將信息初始化為0xFF。動態RAM類型的標識名，每個標識代表一個數據塊，前面數據塊內數據都是有效數據，最后一個有效標識的有效數據數是與數據總長度有關的，即：L末=L總-L前；

L末：最后有效標識代表的數據塊的有效數據長度；

L總：數據總長度；

L前：前面所有數據塊長度之和。

數據總長度：保存數據的總長度。

2.3 鏈路層分幀數據存儲實現

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送鏈路層分幀。接收時數據存儲內存需要一塊一塊申請，發送時可以根據需要發送數據的長度一次性申請。下面就具體說明一下這兩種情況的處理方法（以下都是按通道單獨處理）：

（1）接收：當需要保存接收分幀的APDU片段時，先識別是否有已分配空間，如果有且夠用就直接保存數據并更改存儲信息；如果沒有已分配空間或不夠用，就申請空間，再保存數據且更改存信息。

（2）發送：需要分幀發送時，存儲相對就簡單了，只要根據需要發送數據的長度，申請存儲空間，進行數據保存且更改存儲信息就可以了。

不管是接收保存還是發送保存，其中都會涉及到申請存儲空間的操作。由于存儲RAM空間有限，申請存儲空間時不一定能申請到動態RAM，這時申請到的存儲空間就會是非易失性存儲器的存儲空間。

需要注意的是，接收申請存儲空間過程中，在申請動態RAM時，由于不知道后面具體有多少數據，且接收一幀最大長度為512byte，為了減少浪費RAM的使用，每次申請都只申請512byte的內存。

另外，在每次保存數據后，都需要更改管理信息，申請空間需要增加一個數據信息隊列數據并更改存儲數據總長度，不申請空間只需要更改存儲數據總長度。

分幀數據存儲功能對外接口參數：通道號、保存數據指針、數據長度、數據偏移。

2.4 鏈路層分幀數據讀取

上面講的是存儲鏈路層分幀的APDU數據，這里就需要說一下如何讀取這些存儲的數據。

由于根據上面數據的存儲方式，這些存儲數據并不是連續的，而是分塊的，甚至是不同設備中存儲的，因此讀取就不可能像我們平時讀取其它數據一樣，簡單地根據起始地址和數

據長度得到。我們需要根據存儲信息隊列，找到待讀數據的存儲位置，然后再從找到的位置開始逐塊讀取，直到讀到需要的數據量為止。

分幀數據讀取對外接口參數：通道號、輸出數據指針、數據長度、數據偏移。

3 結語

本方案宗旨是在通訊時盡量采用動態RAM資源，使用完成后，需及時釋放資源。在RAM資源緊缺時臨時采用非易失性存儲器，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器存儲或者讀取失敗時，也需要做好合理的應答，不能產生不可預知的錯誤。

參考文獻

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