基于EPON系统的电力ONU模块设计*

屠思远， 吴 滨， 虞致国， 顾晓峰

(物联网技术应用教育部工程研究中心 江南大学 电子系，江苏 无锡 214122)

基于EPON系统的电力ONU模块设计*

屠思远， 吴 滨， 虞致国， 顾晓峰

(物联网技术应用教育部工程研究中心 江南大学 电子系，江苏 无锡 214122)

针对当前电力通信方式在稳定性与安全性方面的不足，设计了基于以太网无源光网络(EPON)系统的电力光网络单元(ONU)模块。采用电力ONU设备模块化的方法简化了电力通信的网络结构，采用电力ONU模块精简组合设计降低了成本。阐述了电力ONU模块的硬件设计实现方法，对主控芯片、光收发模块、数据存储模块以及外围电路进行了分析；软件部分给出了操作系统移植与应用程序设计流程。测试结果表明，电力ONU模块满足电力通信的要求。

电力通信； 以太网无源光网络系统； 电力光网络单元； 模块化

0 引 言

随着我国建设坚强智能电网计划的开展，对电力通信网络运行的稳定性及安全性提出了更高的要求，需要一个面向用户的高速可靠的网络以实现用户与电网之间的实时性交互，从而提升电网综合服务能力[1～4]。现有的主流通信方式有2种：电力线载波(power line carrier,PLC)方式与RS—485总线方式。 PLC方式通过载波将数字或者模拟信号加载到电力线进行通信，是电力系统所特有的通信方式，但容易受噪声干扰，长距离通信会出现很大偏差。RS—485总线方式是采用专线进行数据收发，需要铺设专线且使用铜芯，造价昂贵不适宜长距离通信；此外，当整条专线中任何一点发生故障还会导致整个网络瘫痪。因此，如要构建坚强智能电网，需对现有电力通信结构进行优化，于是，人们尝试将以太网无源光网络(ethernet passive optical network,EPON)技术应用于智能电网[5]。

EPON是一种点到多点(point 2 multiple point,P2MP)拓扑结构的光接入技术，采用无源光器件连接，由光线路终端(optical line terminal,OLT)、光分配网络(optical distribution network,ODN)与光网络单元(optical network unit,ONU)组成[6]。相比于传统的电力通信方式，EPON技术具有成本低、带宽高、组网易、安全性强、扩容性好、升级便利、传输距离远及维护方便等优势，更加能适应对可靠性要求较高的电力通信网络。

要实现将EPON技术引入电力通信网络，首先需要对现有网络架构进行修改，从传统的集中器+采集器组合模式转变为EPON系统的OLT+ONU组合模式；其次，由于市场上大部分的ONU设备主要适用于普通网络通信，其模块结构并不匹配电力通信方案的需求，同时以太网模块在电力通信方案中并未使用，因此，可以精简ONU设备，从而控制产品成本与体积。

本文针对电力通信的特点，在普通ONU设备的基础上简化冗余并增加电力通信必要的配置，缩减尺寸大小，通过模块化的方法嵌入智能电表。本文具体给出了ONU模块的硬件组合设计，并通过软件设计实现数据帧解析与转换以满足电力通信的要求。

1 电力ONU模块工作系统方案

基于EPON的电力通信方案采用电力ONU模块取代了传统的集中器与采集器，将两者的功能合并，简化了系统结构，同时使智能电表具有光纤通信的能力。电力通信方案的EPON系统由OLT设备接入核心网至电力中心主站，通过ODN分光设备至各ONU模块，ONU模块嵌入智能电表可直接进行命令控制操作。ONU模块所属系统结构如图1所示。

ONU模块的上行方向采用时分多址接入(time division multiple access,TDMA)技术，使用1 310 nm波长。每个ONU模块在不同的时间窗口向OLT发送数据以避免碰撞[7]，工作于突发模式。ONU模块在EPON系统中的下行方向使用1490 nm波长，处于被动接收模式。由OLT向所有ONU模块广播发送Q/GDW 376.1—2009[8]数据帧，其帧头存在一个唯一逻辑链路标识(logical link identity,LLID)，ONU模块根据此LLID判断是否匹配从而进行提取操作或摒弃操作，ONU与OLT之间的传输速率可达1.25 Gb/s。

ONU模块通过RS—485总线方式连接智能电表，两者之间链路使用的是多功能电能表通信协议DL/T 645—2007[10]。

2 电力ONU模块的硬件设计

电力ONU模块包括主控芯片、光收发模块、数据存储模块、RS—485转换模块、模式选择模块，外加由JTAG调试与复位模块、电源模块及时钟模块组成的外围电路。电力ONU模块结构框图如图2所示。

图2 电力ONU模块结构框图

2.1 主控芯片

主控芯片采用CORTINA公司第四代EPON解决方案CS8032，该芯片支持中国电信CTCv2.1操作维护管理标准，兼容IEEE 802.3—2008规约，符合电力通信的要求。CS8032内部集成了32位精简指令集ARM926EJ—S微处理器，内核总线挂有多个外设接口，具有很好的功能扩展性。CS8032包含了一个片上帧缓冲区(on-chip frame buffer)对堆栈缓存管理模块处理的数据包进行存储，可优化对数据包分类、流量监控，队列管理等任务。

2.2 光收发模块

光收发模块采用海信公司的光收发一体化模块LTB34D2—SC，光收发模块与主芯片CS8032连接原理图如图3所示。

图3 光收发模块与CS8032连接原理图

光收发模块LTB34D2—SC与主芯片CS8032之间采用两对差分信号进行高速数据传输，传输速率最高可达1.25 Gb/s。光收发模块采用一对3.3 V驱动的通用I/O用于控制收、发模式下的传输功率。CS8032集成一个丢光报错接口ERX_SIGLOSS，正常情况下LTB34D2—SC收发2～3.5 dB的正光，当此模块不能正常接收该范围的光信号时则报错。ETX_BURST与TX_BURST用于支持高速光口突发模式。LTB34D2—SC 与CS8032使用I2C总线方式对控制与状态信息进行交互。

2.3 数据存储模块

CS8032型ONU模块架构适用于多种解决方案，除电力通信方案外也适用于家用光纤入网、电话入网等。在本方案中对不需要的模块进行了适当裁剪，选择SDRAM+Parallel Flash组合作为数据存储部分，SDRAM采用MICRON公司的4 M×16 bit×4 banks规格的MT48LCM16A2P—7E型芯片，用于存储实时系统中可读写变量、数据及堆栈。Parallel Flash采用Macronix公司的1 M×16 bit规格的MX29LV160DB型芯片，用于保存用户配置参数、Bootloader镜像、操作系统与应用程序镜像。

2.4 RS—485转换模块

普通ONU设备由于工作对象的特点，大多未集成RS—485模块与接口，需要外接转换器，增加了结构的复杂性。为此，CS8032型ONU模块设计了RS—485转换电路，通过RS—485转换芯片SP3485将CS8032的一路专用GPIO复用，用于连接智能电表。

2.5 模式选择模块

从CS8032引出6个需要的模式选择引脚，调试状态下可对不同模式进行测试与选择模式选择共有3组引脚排针，一组高电平，一组低电平，还有一组模式选择引脚接主芯片。其结构如表1所示。

表1 模式选择结构

2.5.1 启动模式

BOOT_MODE_0与BOOT_MODE_1为一对CPU启动模式选择引脚，本文将两者都拉低选择从并行FLASH启动。

2.5.2 镜像下载模式

MAGE_DOWNLOAD_0与IMAGE_DOWNLOAD_1为一对镜像下载模式选择引脚，本文采用并行FLASH下载模式。

2.5.3 SDRAM模式

CS8032内置一片2 MB大小的SIP SDRAM,并配上一块外部SDRAM，当系统软件内核及数据不适应SIP SDRAM时，由SDRAM接手处理，RAM_SHARE置0选择优先SIP SDRAM处理，置1选择全部交由外部SDRAM处理。

2.5.4 状态模式

PCM_FSYNC为工作环境选择引脚，置0为正常工作模式，置1为测试模式。

2.6 外围电路

要实现电力ONU模块，还需要电源模块、时钟模块、JTAG调试与复位模块。选用TPS54873型电源芯片，可调输出电压范围为0.9～3.3 V，通过调节辅助电压监控输入端的电阻由外部5 V电压输入获得3.3，2.5，1.0 V3种所需电压。系统时钟由25 MHz晶振统一提供，经CS8032内部PLL锁相环5倍频达到125 MHz作为CS8032工作频率。

3 电力ONU模块的软件设计

3.1 操作系统移植

电力ONU模块采用uClinux实时操作系统，uClinux具有支持多任务、内核精简、高效稳定的特点。根据电力ONU模块的硬件环境进行配置和修改uClinux启动所用的Bootloader，然后在宿主机编译并链接uClinux，编译得到映像文件，通过JTAG烧写至Flash，最后通过Bootloader启动电力ONU模块的uClinux实时操作系统。

3.2 应用程序设计

软件功能部分主要是完成多功能电能表通信协议DL/T 645—2007与主站与采集终端通信协议Q/GDW 376.1—2009之间的解析，然后对解析出的数据进行分类处理。图4为从OLT发送的376.1数据帧对智能电表命令帧流程图。

图4 命令帧流程图

一条完整的下行376.1数据帧从光口流入，经由ONU模块解析并判断，如果是指令帧，则对ONU模块自身进行操作，如果是数据帧，则按645数据帧格式进行封装并通过RS—485发送，智能电表接收后自动解析并对做出应答。最后由RS—485回传至ONU模块成为一条上行数据帧。

4 测试与分析

测试用EPON平台包含OLT设备与一个1∶16分光器，智能电表采用符合国网标准DTSD422型三相四线多功能电能表，该表已引出一路RS—485用于连接ONU模块。

4.1 功能性测试

测试部分分为功能性测试与稳定性测试。功能性测试通过上位机模拟电力中心主站发出下行数据帧，经由EPON系统与ONU模块解析达到智能电表，最后进行数据反馈，功能测试。

通过向ONU模块发送数据帧的方式，分别对当前正向有功总电量、尖峰平谷四类电量、智能电表表号、地址、状态、时间等进行了测试，成功得到智能电表DL/T 645数据帧回馈。经测试表明，ONU模块可以快速准确的完成DL/T 645—2007协议与Q/GDW 376.1—2009协议的解析与控制操作。

4.2 稳定性测试

稳定性测试使用512，768，1 024，1 536，2 048字节的 5种不同长度数据帧，同样由上位机软件模拟电力中心主站向EPON系统下ONU模块发送数据帧，波特率采用2 400 bps，表2为该波特率下对不同长度帧进行的稳定性测试。

表2 稳定性测试

发送速度由PC软件控制，根据不同帧长度而不同，发送数据由EPON系统吞吐速率决定，而整个EPON系统速率主要受最下一级ONU模块与智能电表之间的RS—485通信方式所制约，结果表明，在测试环境下，ONU模块的通信成功率为100 %。

5 结束语

EPON作为新一代电力通信技术支持方案，已逐步在试点区域推行。本文将电力ONU设备模块化并嵌入智能电表，针对电力通信方案的特点配置电力ONU的各个模块，设计并实现了具有良好功能与稳定性的电力ONU模块。目前该模块已通过可靠性考核，并通过植入EPON系统测试，证明其指标满足IEEE 802.3规范要求。

[1] 丁慧霞,滕 玲,许高雄.用于电力光纤到户的光纤复合低压电缆接续技术研究[J].电网技术,2011,35(11):222-227.

[2] 张 泰,顾晓峰,张大维,等.基于电力线载波通信的智能用电管理系统设计[J].现代电子技术,2016,39(4):149-155.

[3] 范 宏,高 亮,周利俊,等.智能电网的电力光纤入户技术及其应用[J].电力自动化设备,2013,33(7):149-155.

[4] 袁超伟,张金波,姚建波.三网融合的现状与发展[J].北京邮电大学学报,2010,33(6):1-12.

[5] 杨正进,刘宏立,何昭晖.基于EPON的新型电力ONU的设计与应用[J].光通信技术,2013,37(4):22-26.

[6] 贺鹏飞,吕英华,王野秋,等.百兆EPON系统的FPGA设计[J].光通信技术,2004,28(9):23-25.

[7] 熊 余,管建军,王汝言.支持ONU模块独立不连续收发数据的节能方法[J].通信学报,2015,36(7):71-80.

[8] Q/GDW376.1—2009.主站与采集终端通信协议[S].2009.

[9] DL/T645—2007.多功能电能表通信协议[S].2007.

Design of power ONU modules based on EPON system*

TU Si-yuan, WU Bin, YU Zhi-guo, GU Xiao-feng

(Engineering Research Center of IoT Technology Applications of Ministry of Education,Department of Electronic Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China )

Aiming at the shortage of current power communication mode in terms of stability and security,power optical network unit(ONU)modules are designed based on ethernet passive optical network(EPON)system. A modularization method of ONU equipment is adopted to simplify the network structure of power communication, and the compact combination design of the power ONU modules is adopted to reduce the cost.In the hardware part, the design and implementation method of power ONU modules is described in detail, analyze the main control chip,optical transceiver module,data storage module and peripheral circuit; in the software part,the transplantation of operating system and the application program design process are given.Test results show that the power ONU modules meet the requirements of power communication.

power communication; EPON system; power optical network unit(ONU); modularization

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0134—03

2016—06—21

江苏省自然科学基金资助项目(BK20130156)；江苏省六大人才高峰资助项目(DZXX—027)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JUSRP51510)；江苏省普通高校研究生实践创新计划项目(KYLX15—1192)

TN 913.7; TN 929.1

A

1000—9787(2017)05—0134—03

屠思远(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统应用。