電力物聯(lián)網(wǎng)通信模塊規(guī)模化升級系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

曹 波，欒治偉，羅 丹，肖德勇，王賢輝

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 昌平 100192）

0 引言

伴隨智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進，我國已逐步建立和完善了電網(wǎng)用電信息采集系統(tǒng)，電力物聯(lián)網(wǎng)本地通信模塊是支撐用電信息采集系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[1]，主要有中央?yún)f(xié)調(diào)器（central coordinator，CCO）、代理協(xié)調(diào)器（proxy coordinator，PCO）、終端站點（station，STA）等。通信模塊生產(chǎn)過程工藝復(fù)雜，其中模塊程序升級作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，完成升級后將會在使用現(xiàn)場安裝調(diào)試。同時，由于模塊需求、生產(chǎn)規(guī)模較大，對于如何提高升級效率及準(zhǔn)確率，就成為亟需解決的問題。

對于通信模塊升級，當(dāng)前采用主要方式有3 種。第一，可通過在線升級的方法實現(xiàn)通信模塊的升級。通過多個通信模塊組成一個網(wǎng)絡(luò)，通過廣播升級的方式進行升級[2]。該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)批量化升級，但存在以下一些缺點：升級前須要組網(wǎng)；升級過程中網(wǎng)絡(luò)沖突、通信誤碼等均會導(dǎo)致丟包，由此存在一定概率的升級不能成功的情況；須要系統(tǒng)不斷地進行查詢和補包，升級效率低下；多個網(wǎng)絡(luò)同時升級時，存在嚴重的相互干擾情況。第二，離線式升級方法。針對通信模塊上存儲固件的Flash 存儲器進行直接擦寫操作。該方法將對通信模塊保存的序列號、通信參數(shù)等過程信息一并擦除，導(dǎo)致產(chǎn)品可追溯性丟失，而且離線升級工具一般最多為4～8 通道，無法支持通信模塊的批量化升級工作，升級效率較低。第三，通過PC 和工裝板直接對通信模塊進行逐個升級，若須要批量化升級，則須要多臺PC 和多個工裝板同時操作，由于此方法的升級效率低，且須要的設(shè)備多，不利于規(guī)模化生產(chǎn)的使用。當(dāng)前眾多學(xué)者的研究多集中于嵌入式模塊端升級策略[3-5]，針對電力通信模塊升級的實現(xiàn)主要針對通信模塊在線升級，通過組網(wǎng)的方式進行升級，通過集中器將升級程序傳輸給終端模塊[6-7]。

本文設(shè)計實現(xiàn)的電力物聯(lián)網(wǎng)本地通信模塊規(guī)模化升級系統(tǒng)包含升級軟件、升級工裝設(shè)備、模塊端程序擴展，通過升級工裝設(shè)備一拖多連接模塊業(yè)務(wù)串口進行升級，具有自動化、批量化、效率高等特點，能夠很好地滿足生產(chǎn)中的需求。

1 升級系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

通信模塊批量升級系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，有線程調(diào)度、通信控制、文件解析、文件傳輸、波特率協(xié)商、版本驗證、數(shù)據(jù)庫交互以及外部系統(tǒng)接口等模塊。在通信模塊程序獲取方面有2 種方式：一是通過外部系統(tǒng)接口模塊與外部生產(chǎn)管理系統(tǒng)，如過程控制或制造執(zhí)行系統(tǒng)進行對接交互，通過模塊ID與版本匹配進行自動化升級，并返回升級結(jié)果；二是在沒有外部系統(tǒng)情況下，可以人工手動進行選擇保存版本，后續(xù)模塊將升級到該版本。通信控制模塊用來與升級工裝設(shè)備下接模塊建立連接，然后給各個模塊分配不同的地址。線程調(diào)度模塊確保升級工裝設(shè)備下接多個模塊同時升級并且互不影響。文件解析模塊通過對外部系統(tǒng)獲取模塊或者人工選擇模塊程序的頭文件進行解析，在保證升級文件合法同時，獲取升級程序版本號，以便后續(xù)驗證升級結(jié)果。波特率協(xié)商模塊支持軟件系統(tǒng)與模塊程序進行波特率協(xié)商，以獲取模塊最大支持串口波特率，以最大波特率進行傳輸，提高文件傳輸效率。版本驗證模塊用來驗證升級結(jié)果是否正確。

圖1 升級系統(tǒng)架構(gòu)圖

升級工裝包含主控裝置和從控裝置，升級軟件與主控裝置相連接，多個從控裝置以一一對應(yīng)的方式與所述多個通信模塊相連接。升級軟件啟動后，通過與各個從控裝置下的模塊建立連接、查詢版本、協(xié)商波特率等操作后，開始下發(fā)文件傳輸指令，進行升級。

2 升級軟件

2.1 軟件功能設(shè)計

升級軟件的詳細功能主要有升級文件獲取及解析、與下接模塊建立連接、波特率自適應(yīng)協(xié)商、查詢版本號、文件傳輸、串口-插槽匹配、升級結(jié)果驗證等。

2.1.1 升級文件解析及分塊

升級文件頭中有該升級文件對應(yīng)的版本號、廠家等信息標(biāo)識。在升級軟件中選擇升級文件后，一是解析文件頭中文件信息，獲取相應(yīng)版本信息，如果不能解析，則提示升級文件格式不正確，如果解析成功，將保存升級文件版本號，以備后期升級驗證使用，判定模塊是否升級成功；二是升級文件分塊，升級系統(tǒng)采用擴展的DL/T-698.45 文件傳輸協(xié)議，支持報文長度較大，為提高文件傳輸速度，減少與模塊端交互，將升級文件按報文最大容納長度進行分塊。

2.1.2 建立連接

與通信模塊建立連接，升級軟件啟動后就開始對各個串口開啟監(jiān)聽，收到STA 地址報文后，給STA 分配地址，按照串口編號將STA 分配地址，保證STA 地址不會重復(fù)，分配地址后建立連接。

2.1.3 波特率自適應(yīng)

本地通信模塊啟動后業(yè)務(wù)串口是以一定的波特率（2 400、9 600、115 200 Baud）進行輪番發(fā)出搜表幀以獲取地址，對于后期文件傳輸，該波特率傳輸文件較慢，升級軟件給模塊分配表地址后，開始啟動波特率自適應(yīng)協(xié)商功能，將模塊業(yè)務(wù)口波特率以460 800、230 400、115 200 Baud，按照從高到低波特率進行協(xié)商，以探測模塊端支持的最大波特率，以此波特率進行文件傳輸，提升文件傳輸速度。

2.1.4 查詢版本號

與模塊端通信建立之后，將查詢模塊端的版本號。對于升級而言，如果通信模塊版本號和升級文件版本號一致，則不用升級，直接可以判斷該模塊程序符合需求，避免后續(xù)一系列無效操作，提高效率。

2.1.5 串口與插槽匹配

升級軟件通過將識別到USB 擴展器端口與工裝設(shè)備插槽進行匹配，方便操作人員能夠?qū)?yīng)升級軟件與模塊的升級進度。升級工裝每個插槽升級是通過獨立串口與USB 擴展器連接，然后連接到升級軟件，插槽之間相互獨立，互不影響，避免由于組網(wǎng)造成的干擾。

2.1.6 文件傳輸

升級軟件文件傳輸功能，首先是將文件按照協(xié)議支持最大報文長度進行分塊，將每一塊內(nèi)容進行編號，附加在報文里，然后按順序依次將分塊內(nèi)容及分塊編號傳輸給通信模塊，通信模塊成功收到報文后，將報文編號返回給升級軟件，升級軟件收到編號后開始發(fā)送下一塊內(nèi)容，升級軟件如果沒有收到模塊端返回的信息，會啟動重傳機制，當(dāng)重傳達到上限后，則認為與模塊端通信失敗，判定升級失敗；然后，升級軟件該串口開始重新監(jiān)聽機制，等待新模塊或者該模塊再次重新升級。

2.1.7 升級結(jié)果判定

傳輸文件成功后，升級軟件開始監(jiān)聽，等待模塊端重新啟動，以驗證升級結(jié)果，保證升級的可靠性；模塊啟動后，升級軟件會主動查詢模塊版本號，和升級文件版本號進行對比，如果一致，則判定升級成功，否則判斷升級失敗。

升級軟件功能流程如圖2 所示。

圖2 升級流程

2.2 軟件界面設(shè)計

工具欄能夠較好地實現(xiàn)軟件功能，在升級面板中能實時顯示每個串口升級進度、狀態(tài)。升級面板中有10 個子窗體，顯示每個串口連接設(shè)備的文件傳輸進度。子窗體中會顯示對應(yīng)的串口編號，系統(tǒng)會自動識別對應(yīng)升級工裝的串口，并按照順序進行展示；如果不能識別，則須要進行手動匹配串口，可在下拉框內(nèi)選擇設(shè)備對應(yīng)的串口。升級狀態(tài)欄會顯示該模塊所處于的升級狀態(tài)，升級狀態(tài)如表1 所示，能夠清晰展示該串口從模塊插入建立連接到最后升級成功或失敗的過程。

表1 升級狀態(tài)明細

3 模塊端功能

通信模塊安裝在升級工裝插槽內(nèi)，上電后開始以默認波特率發(fā)送搜表報文，與升級軟件建立連接，接受升級軟件修改波特率指令，切換到相同波特率。然后上位機將拆分好的升級文件通過擴展工裝命令進行下發(fā)。升級軟件和STA 所有交互都是一問一答方式。通信模塊業(yè)務(wù)串口接收到升級文件后，從第一包數(shù)據(jù)中找到升級文件頭信息，對廠商代碼、版本號進行信息校驗，若檢驗成功，則將文件塊編號返回給升級軟件，開始繼續(xù)文件傳輸；否則結(jié)返回給升級軟件的標(biāo)志為失敗，結(jié)束升級，以保證安全性。模塊端在接收文件時，考慮模塊的存儲空間，使用4 KB 緩存，每接收滿2 KB 寫入一次flash。升級文件全部接收完成，重新從flash 中讀取出來，進行CRC 校驗，如果校驗正確更新imageinfo 信息，立即重啟，若校驗不正確則直接重啟。通信模塊接收文件時超過1 min 無報文交互、或報文交互一直錯誤，執(zhí)行結(jié)束升級流程。在升級過程中不可避免出現(xiàn)升級文件傳輸以及斷電等故障，模塊端具有良好的容錯機制，如文件信息校驗、版本校驗、CRC校驗等，有助于保障模塊系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、可用性。

4 升級工裝設(shè)備

一拖十升級工裝設(shè)備實物如圖3 所示，升級板設(shè)備主要有電源開關(guān)、電源開關(guān)指示燈、電源插座、單相模塊弱電插槽接口、三相模塊弱電插槽接口、模塊串口收發(fā)數(shù)據(jù)指示燈、USB 轉(zhuǎn)TTL 排針座子等元器件。使用TTL 轉(zhuǎn)USB 串口線，將模塊插槽與USB 擴展器連接，將擴展器接入到電腦端，能夠檢測USB 擴展器上連接的串口設(shè)備，顯示到升級軟件指示面板中，并且升級面板與升級工裝設(shè)備插槽一一對應(yīng)。升級工裝設(shè)計中預(yù)留單相和三相插槽，兼容單相和三相模塊。工裝設(shè)備添加模塊串口收發(fā)數(shù)據(jù)指示燈，用戶使用過程中能夠清晰看到哪些模塊正在進行文件傳輸，哪些模塊已經(jīng)完成。

圖3 一拖十升級工裝設(shè)備

升級工裝設(shè)計有10 個插槽，每個插槽獨立通過TTL 轉(zhuǎn)串口線與USB 擴展器進行連接，每個接口獨立，互不影響。在使用過程中可以單獨對具體某個插槽進行升級，也可以對所有插槽進行升級，升級完成之后，可以插入新的模塊進行連續(xù)升級，以提高模塊升級效率。

5 升級系統(tǒng)測試及應(yīng)用

升級系統(tǒng)測試：升級系統(tǒng)在實驗室做了批量規(guī)模測試，測試環(huán)境如下：3 種升級方式進行對比，實驗結(jié)果如表2 所示。批量升級系統(tǒng)在不同參數(shù)環(huán)境下對比，升級100 個模塊，記錄升級時間及結(jié)果如表3 所示。

表2 不同升級方式試驗結(jié)果對比

表3 批量升級系統(tǒng)在不同參數(shù)下試驗結(jié)果

測試結(jié)果分析：通過試驗結(jié)果表2 可知，批量升級工具由于具有并行策略，同時可以批量升級多塊工裝，單塊平均耗用時間較少，僅僅是工裝板升級1/10；在線組網(wǎng)升級須要有大規(guī)模組網(wǎng)環(huán)境，升級前期準(zhǔn)備時間較長，后續(xù)文件廣播傳輸，受干擾較多，成功率相對較低。

通過試驗結(jié)果表2 可知，該批量升級系統(tǒng)升級成功率較高，基本能保證100%升級成功率。得益于在該升級模式下，通信模塊受到的干擾較少，以及軟件端和模塊端健全的容錯機制；在一拖十和一拖一情況下，升級完成時間接近，基本能保證在85 s 內(nèi)升級完成，升級效率較高；不同版本情況下時間差異較大，接近10 s 左右，主要是由于模塊端采用差分模式進行讀寫操作，在版本差異較小情況下，模塊升級重啟耗費時間較少；在差異較大情況下耗時較多。

該通信模塊批量升級系統(tǒng)的應(yīng)用，減少了模塊生產(chǎn)過程中所須升級時間，保證了升級準(zhǔn)確度，對電力物聯(lián)網(wǎng)通信模塊批量化、規(guī)模化生產(chǎn)具有重要意義。

6 結(jié)束語

在深入分析研究現(xiàn)有電力物聯(lián)網(wǎng)通信模塊升級模式的基礎(chǔ)上，為滿足生產(chǎn)中所需的通信模塊業(yè)務(wù)口批量升級要求，設(shè)計了一種包含軟件和硬件的通信模塊批量升級系統(tǒng)，包括升級軟件、模塊端嵌入式、升級工裝設(shè)備。該升級系統(tǒng)具有自動化、高效率、高成功率的特點，在生產(chǎn)工廠實際使用過程中能夠較好滿足需求。