CN206991535U - 新型智能抄表采集传输装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公布了新型智能抄表采集传输装置，它包括用电信息采集主站及与之相连的智能电表，所述用电信息采集主站通过SDH光纤主干网连接OLT设备；所述OLT设备通过无源光分路器连接远端用户侧的电力ONU模块；所述电力ONU模块连接智能电表；所述电力ONU模块包括EPON处理器模块，所述EPON处理器模块连接有ONU光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电平转换模块、DBG调试接口；所述串口扩展与电平转换模块连接智能电表。能实现实时信息采集和传输功能，信号损耗小，传输距离长。
Description
技术领域
本实用新型属于电子技术领域，具体为新型智能抄表采集传输装置。
背景技术
用电信息采集系统建设是国家电网公司推进“两个转变”、实施“三集五大”的必然选择，是坚强智能电网建设的重要内容，是支撑阶梯电价政策执行的基础条件。电力光纤到户(PFTTH)建设工程是国家电网公司智能电网的重要组成部分，配合无源光网络(PON)技术，承载用电信息采集、智能用电双向交互、“三网融合”等业务。
经过多年来的投资建设，我国电力通信系统的主干网络已基本实现了传输媒介光纤化，业务承载网络化，运行监视和管理自动化和信息化。而其中最重要的接入层网络，却因为诸多因素的影响，制约了智能配用电业务的应用。
接入层网络是用电信息采集系统实现的关键，现在远程接入网主要采用的有GPRS/3G技术、230MHz无线通信专网、电力线载波技术（PLC）和无源光网络技术等。以上各种技术在我国电信运营商网络和智能电网试点工程中得到应用，提高了传输带宽的可靠性；现将各种配电通信网接入技术比较如下：PLC电力载波通信面临的主要问题是高频信号在低压台区电力线上的传输信号衰减较快；GPRS能提供的带宽很低（一般只有几十千比特），且存在不稳定性，满足不了实时采集的要求。
为此把EPON技术引入到用电信息采集系统中。EPON技术下行采用广播方式、上行采用时分多址方式，可以灵活地组成树形、星形和总线形等拓扑结构，EPON系统提供双向1.25Gbps带宽，具有传输过程损耗小，无需中继设备，传输距离可达20km的优点。由于采用无源光纤传输方式，可以较好的避免电磁干扰和雷电影响，且无源光网络设备简单，一次性投资，运行维护成本低。
现有EPON技术主要应用于宽带用户业务，采用点到多点结构和IEEE802.3通信标准，与用户的接口也多是以太网接口，所以不适用于电力信息采集环境。
实用新型内容
本实用新型结合居民用电信息采集系统的需求及EPON技术的优点，提供了一种适用于电力信息采集环境的新型智能抄表采集传输装置，能实现实时信息采集和传输功能，信号损耗小，传输距离长。
为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案是：新型智能抄表采集传输装置，它包括用电信息采集主站及与之相连的智能电表，所述用电信息采集主站通过SDH光纤主干网连接OLT设备；所述OLT设备通过无源光分路器连接远端用户侧的电力ONU模块；所述电力ONU模块连接智能电表；所述电力ONU模块包括EPON处理器模块，所述EPON处理器模块连接有ONU光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电平转换模块、DBG调试接口；所述串口扩展与电平转换模块连接智能电表。
进一步的，所述电力ONU模块通过RS232接口连接电表的基表；所述基表通过RS485电缆连接智能电表。
进一步的，所述EPON处理器模块内设置有SerDes控制器、时钟模块。
进一步的，所述数据存储模块内包括有Nor Flash模块和PSRAM模块。
进一步的，所述串口扩展与电平转换模块内设置有12C转UART模块。
本实用新型的有益效果：
本实用新型可用于电力信息采集环境，实现实时信息采集和传输功能，传输过程损耗小，无需中继设备，传输距离可达20km的优点。由于采用无源光纤传输方式，可以较好的避免电磁干扰和雷电影响，且无源光网络设备简单，一次性投资，运行维护成本低。
附图说明
图1为EPON用电信息采集系统架构。
图2为电力ONU模块结构图。
图3为芯片控制接口电路图。
图4为EPON接口电路图。
图5为LED接口电路图。
图6为GPIO接口电路图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。
如图1-图6所示，本实用新型的具体结构为：新型智能抄表采集传输装置，它包括用电信息采集主站及与之相连的智能电表，所述用电信息采集主站通过SDH光纤主干网连接OLT设备；所述OLT设备通过无源光分路器连接远端用户侧的电力ONU模块；所述电力ONU模块连接智能电表；所述电力ONU模块包括EPON处理器模块，所述EPON处理器模块连接有ONU光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电平转换模块、DBG调试接口；所述串口扩展与电平转换模块连接智能电表。
优选的，所述电力ONU模块通过RS232接口连接电表的基表；所述基表通过RS485电缆连接智能电表。
优选的，所述电力ONU模块包括EPON处理器模块，所述EPON处理器模块连接有ONU光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电平转换模块、DBG调试接口；所述串口扩展与电平转换模块连接智能电表。
优选的，所述EPON处理器模块内设置有SerDes控制器、时钟模块。
优选的，所述数据存储模块内包括有Nor Flash模块和PSRAM模块。
优选的，所述串口扩展与电平转换模块内设置有12C转UART模块。
本实用新型具体原理：
采用EPON技术改进的用电信息采集系统如图1所示，分为三级：
1) 第一级为用电信息采集主站与OLT(Optical Line Terminal)设备之间的通信链路：该链路由SDH光纤骨干网承担，利用SDH光纤干线传输网搭建骨干数据网平台,通信协议为Q/GDW 376.1-2009[5] (主站与采集终端通信协议)。
(2)第二级为OLT设备与电力ONU之间的通信链路，在该链路中以电力ONU代替了传统的集中器和采集器。OLT通过ODN(无源光分路器)连接远端用户侧的电力ONU设备，其光分比可为1：16和1：32，传输速率1.25Gbps，采用Q/GDW 376.1-2009协议进行通信。
(3)第三级为电力ONU与智能电表之间的通信链路：电力ONU以模块的形式直接外挂于基表上，其接口为RS232，基表上内置RS232转RS485[6]电路，使得基表通过RS485电缆连接其他智能电表。该链路采用的通信协议为DL/T 645 -2007[7] (多功能电能表通信协议)。
由电力ONU在通信链路中所处的位置可知，电力ONU的主要功能之一是完成DL/T645 -2007协议与Q/GDW 376.1-2009协议的相互转换，以建立OLT与智能电表的双向通信链路。在第二级光纤链路中，OLT工作于服务器模式，电力ONU工作于客户端模式，电力ONU开始工作后首先发起TCP连接请求以建立可靠的通信链路，OLT设备接收到主站请求后，采用TDM广播方式发送命令给电力ONU，电力ONU对该命令进行解析，如果是对ONU本身的操作，则进行相应的处理并返回数据；如果是对下级电表的操作，则将数据帧转换为DL/T 645 -2007协议格式，然后通过RS485总线发送给相应的电能表并等待回应，最终将电能表的返回数据解析封装为Q/GDW 376.1-2009协议格式数据帧以1.25Gbps速率突发发送给OLT设备。
基于上述，本实用新型利用EPON建立了用电信息采集与智能电表间的协议转换链路，并在电力ONU(Optical Network Unit)和智能电表间建立RS485总线接口，实现信息的传输。
硬件架构图如图2所示：
电力ONU包括EPON处理器模块、DBG调试接口、ONU光收发模块、数据存储模块、I2C转UART模块、UART电平转换模块、电源模块、时钟模块及电源监测模块。
EPON处理器模块是系统核心控制部件，采用的是Cortina公司的第二代高性能以太网无源光网络（EPON）交换芯片CS8016E，其主要面向光纤入户和光纤到大楼应用。CS8016E ONU是一个高密度的ONU解决方案，完全兼容IEEE802.3ah规约，设有片上帧缓存用来存储数据包，采用优先级队列上报机制来支持动态带宽分配算法，可以胜任数据包分类、交换、流量监管、队列管理及调度等功能。CS8016E集成了一个GEPON口和一个主频125Mhz的arm9内核，内核总线上挂有多个外设用以功能扩展，有FLASH/SRAM接口、UART接口、I2C接口、SPI借口、LED接口、GPIO接口等。
（ONU光收发模块采用的是海信公司的光收发一体化模块LTB34D3，模块与主控芯片采用两对差分信号线进行数据传输，固定传输速率为1.25Gbps，采用I2C总线接口进行控制欲状态信息交互。具备远距离传输功能（1000BASE-PX10规格可以传输10km，1000BASE-PX10规格可以传输20km）；
数据存储模块分为两部分：Nor Flash模块和PSRAM模块。Nor Flash模块用于存储bootloader镜像、系统及用户配置参数、操作系统及应用程序镜像等，采用ST公司的2MbX16bit 规格的M29W320EB系列芯片。PSRAM主要用来存储系统中的可读写变量、系统线程的堆栈以及动态内存分配，采用的是EMLSI公司的1Mx16bit 规格的EM7164SU16 系列芯片。
串口扩展与电平转换模块从EPON控制芯片上扩展出两路UART口，用于与智能电表进行连接。该模块选用的是Exar Corporation公司的I2C/SPI转UART芯片XR20M1172，使用典型的14.7456Mhz晶振，通过软件配置，最高可得到3.68Mbps的波特率。由于扩展出的UART为3.3v TTL电平，而电能表采用的是5v CMOS电平，为了使ONU能够与智能电表正常通信，必须在ONU处进行3.3v到5v电平的转换。如图3所示，采用MMBT2907ALT1型号的PNP三极管对TXA/TXB信号进行升压操作。当TX信号为1(3.3v)时，PNP管截止，输出信号为1(5v)，当TX信号为0时，PNP管导通，输出信号为0。对于RX信号，输入信号为5v，只需一个分压电路，即可产生3.3v的输出。
电源模块将基表提供的12v电压经过TPS5420 DC-DC稳压器输出3.3v电压，用于系统大部分芯片供电；经LR78L05系列LDO芯片输出5v电压，用于为基表的隔离光耦以及为3.3v转5v电路提供电压；3.3v经LP38501-ADJ系列LDO芯片输出1.0v用于EPON控制芯片内核供电；经过测试，本系统的功耗小于2.5w。
电压转换模块设计：
电压转换模块为整个系统提供适当的工作电压，是系统稳定工作的前提。对系统的各个模块进行分析后，可以得出系统电源需要提供四种电压：12v、3.3v、1.0v以及5.0v。其中12v为整个系统提供电压，由外部提供；3.3v用于大部分的芯片供电，包括arm控制器的非内核部分供电、FLASH、PSRAM、串口扩展芯片、电源监测芯片等供电；1.0v为arm控制器内核供电，以及内部集成的SerDes模块供电；根据对主要模块的选型及功耗分析，3.3v最大供电电流600mA，1.0v需要供电最大250mA，5v需要供电50mA；最大功耗大约2.5W，小于《三相智能电能表(光纤)技术规范》标准中规定的3W，因此此硬件选型方案可行。
本设计中，根据标准规定，12v电源是由基表提供给ONU模块，本板需要将此转换为3.3v、1.0v和5v给系统的各个模块进行供电。我们采取的电压转换方案如下：
（1）12v转3.3v部分是本板芯片最常用的电压，几乎所有的芯片都要用3.3v进行供电，本设计选用的是TI公司的TPS5420 DC-DC稳压器。DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。该稳压器输入电压范围为5.5v~36v，输出电压可调，最低可至1.22v，精度1.5%；能持续输出2A电流，最大峰值可达到3A，转换效率高达95%；转换频率固定500kHz。由于1.0v电压将从3.3v转换得出，因此，本设计将3.3v输出电压设定峰值为800mA。
（2）1.0v供电电压从3.3v降压得到，我们采用National Semiconductor的LP38501-ADJ系列LDO芯片，该系列芯片输入电压范围为2.7v~5.5v，输出电压可调，可输出0.6v~5v，最大输出电流3A，校正电压精度达到±1.5%。本设计需要的输出电流最大为250mA，输出电压1.0v，因此本芯片符合设计需求。
（3）5.0v电压主要有两个用途，一是用于为基表的隔离光耦供电，最大电流为50mA，二是为3.3v转5v电路提供供电电压，此部分电流很小，可以忽略不计。本设计采用的是LRC公司的LR78L05系列LDO芯片，该系列芯片最高可提供100mA输出电流。
EPON控制器电路设计：
1、系统控制接口
系统控制接口主要完成系统复位控制，时钟信号的输入，光口和网口工作模块控制，镜像下载模式控制等功能。其原理图如图3所示。其主要引脚及功能如下：
（1）Boot_ROM： CS8016E支持从内部ROM启动和外部FLASH启动，当该引脚接高电平时从内部ROM启动，反之，从外部FLASH启动。当芯片第一次启动时必须从内部ROM启动，内部ROM固化有bootloader；因此外部FLASH在第一次启动钱没有镜像。该引脚主要用于调试用。
（2）IMAGE_DOWNLAOD[1:0]：在芯片启动后，应用程序镜像文件可以从外部FLASH、网口或者串口加载。该引脚对即用来选择镜像加载方式： [00]时为Debug模式；[01]时从UART口下载镜像；[10]时从网口下载镜像；[11]时从外部FLASH加载镜像。当芯片首次启动时，从内部ROM启动，且只能从串口加载镜像，
（3）PON_IF_MODE[1:0]：CS8016E提供了一个内置的1.25Gbps的SerDes和TBI/GMII接口，用于PON连接。我们既可以直接连接内部的SerDes到一个光收发模块，也可以通过TBI口连接到外部的SerDes专用芯片，再通过外部SerDes连接到光收发模块。本设计采用的是前者。其各种接法功能如下：[01]表示使用内部SerDes；[10]表示使用GMII接口；[11]表示使用TBI接口。
2、PON接口
在上面的系统控制引脚的配置中，我们选择了使用内部SerDes，内部SerDes通过两对1.25Gbps的差分信号线连接到外部的光模块，此外还需要几个专用的控制引脚连接到光模块，用以控制和读取光模块的工作状态。其原理图如图4所示。其主要引脚功能如下：
（1）ERX_SIGLOSS引脚：光模块接收器信号检测指示。
（2）ETX_nBURST引脚：光收发模块突发模式控制。在EPON系统中，ONU的发送是突发模式，不是连续发送的。当有数据要发送，且得到OLT的时隙授权，才可以发送数据。
（3）I2C总线引脚：I2C总线连接至光模块内部的EEPROM，其中存放了光模块的所有配置参数，系统启动后，主控芯片连接到光模块，并通过I2C总线读取EEPROM中的配置信息，并配置自身的 相关寄存器，然后才可以控制光模块进行正常收发操作。
3. LED接口
CS8016提供了4路LED接口，其中两路用于指示PON口工作状态，两路用于指示网口工作状态，本设计使用了与PON口相关的两路接口。如图5所示，其功能分别为：
（1）LED_PON_REGED：用于指示ONU是否已经注册到OLT。当ONU已注册后，该LED呈常亮状态。
（2）LED_PON_LINK：用于指示ONU PON口链路的工作状态，当PON口工作正常时，该LED呈闪烁状态。
4. GPIO接口
CS8016E共有16个GPIO口，可以单独配置，用以监视和控制不同的外设器件。当某一个GPIO引脚的信号状态发生改变时，中断控制器将产生一个中断信号，中断信号的极性是可编程的。本设计需要用到众多的GPIO口用于控制和状态指示，其原理图如图6所示。各个GPIO口的功能如下：
（1）LOCAL：本地串口发送数据指示灯；
（2）RS485_INT_1：串口扩展芯片的中断引脚；
（3）REMOTE：本地光口发送数据指示灯；
（4）RS485_RE/DE：RS485收发控制引脚；
（5）EVENOUT：事件上报引脚；
（6）PON_SHUTDOWN：光口电源关闭控制引脚；
（7）SW_RESET：软件复位引脚；
（8）DYING_GASP：低电压中断触发引脚
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.新型智能抄表采集传输装置，它包括用电信息采集主站及与之相连的智能电表，其特征在于，所述用电信息采集主站通过SDH光纤主干网连接用于运行通信协议Q/GDW376.1-2009的OLT设备；所述OLT设备通过无源光分路器连接远端用户侧的用于完成DL/T645 -2007协议与Q/GDW 376.1-2009协议的相互转换，并建立OLT设备与智能电表的双向通信链路的电力ONU模块；所述电力ONU模块连接智能电表；所述电力ONU模块包括EPON处理器模块，所述EPON处理器模块连接有ONU光收发模块、数据存储模块、电源模块、串口扩展与电平转换模块、DBG调试接口；所述串口扩展与电平转换模块连接智能电表；所述电力ONU模块通过RS232接口连接电表的基表；所述基表通过RS485电缆连接智能电表。
2.根据权利要求1所述的新型智能抄表采集传输装置，其特征在于，所述EPON处理器模块内设置有SerDes控制器、时钟模块。
3.根据权利要求1所述的新型智能抄表采集传输装置，其特征在于，所述数据存储模块内包括有Nor Flash模块和PSRAM模块。
4.根据权利要求1所述的新型智能抄表采集传输装置，其特征在于，所述串口扩展与电平转换模块内设置有12C转UART模块。
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|---|---|---|---|
| CN201720564522.3U CN206991535U (zh) | 2017-05-20 | 2017-05-20 | 新型智能抄表采集传输装置 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110855758A (zh) * | 2019-10-28 | 2020-02-28 | 湖南文理学院 | 一种油浸式智能电力变压器数据处理系统 |
| CN111882851A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-11-03 | 内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司 | 一种单相智能费控电能表光纤远程抄表系统 |
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2017
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| CN111882851A (zh) * | 2020-09-02 | 2020-11-03 | 内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司 | 一种单相智能费控电能表光纤远程抄表系统 |
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