CN213876714U - 一种基于usb接口的台区智能感知终端 - Google Patents

Abstract

一种基于USB接口的台区智能感知终端，包括主控单元，主控单元的左侧扩展接口通过总线连接模块与分路计量单元相连，其右侧扩展接口通过总线连接模块依次连接开关量扩展单元、本地通信单元和远程通信单元，主控单元表面左侧设有两路可热插拔的通信模块，一路为远程通信模块，另一路为本地通信模块，远程通信模块位于本地通信模块的上方。该终端以主控单元为本体，构建远方管理平台与台区末端设备之间的基础信道；以专用功能单元为组件，扩展不同业务需求的配套硬件；以USB接口为介质，实现网关本体对各功能模块的智能管理。

Description

一种基于USB接口的台区智能感知终端

技术领域

本实用新型属于低压台区感知终端技术领域，具体涉及一种基于USB接口的台区智能感知终端。

背景技术

随着智能网的发展，低压配电网逐步构建了一个覆盖千家万户的电力物联网网络，进而，激发了各方面的自动化应用需求，包括：能源综合管理、配网运行状态监控、智能家居设备计控、大用户分项计量、分布式能源接入以及末端电网感知等，“采集系统共享复用”的要求越来越强烈。而现有的采集终端结构型式单一、功能配置固定，难以满足各种采集现场的差异化需求，亟需一种可灵活配置的采集终端来替代。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于USB接口的台区智能感知终端，能构建远方管理平台与台区末端设备之间的基础信道；扩展不同业务需求的配套硬件；实现网关本体对各功能模块的智能管理。

本实用新型提供一种基于USB接口的台区智能感知终端，包括主控单元，主控单元的左侧扩展接口通过总线连接模块与分路计量单元相连，其右侧扩展接口通过总线连接模块依次连接开关量扩展单元、本地通信单元和远程通信单元，主控单元表面左侧设有两路可热插拔的通信模块，一路为远程通信模块，另一路为本地通信模块，远程通信模块位于本地通信模块的上方。

作为本实用新型的进一步技术方案，主控单元的尺寸为120mm×160mm×71mm，主控单元顶部两侧设有扩展接口，主控单元上设有两排12端子的插拔式端子台，两排端子水平对称布置，间距为7.62mm，远程通信模块为4G/5G模块或NB_IOT模块，本地通信模块为HPLC载波模块、微功率无线模块或两者双模模块。

进一步的，主控单元上设有2路USB端口、3路RS485端口、2个以太网端口、1路RS232端口、2路遥控输出和4路遥信输入端口，以太网端口为RJ45接口，RS232端口为RJ11接口。

进一步的，主控单元连接一路上行信道通信模块和一路下行信道通信模块，上行信道通信模块的尺寸为20mm×50mm×54mm，下行信道通信模块的尺寸为20mm×76.5mm×54mm。

进一步的，主控单元与各功能的电源端相连，电源电压范围5.4V±5%，噪声纹波不大于100mV，额定电流1.5A。

进一步的，总线连接模块的尺寸为20mm×28mm×10mm，总线连接模块通过USB总线使主控单元与功能单元相连接。

进一步的，分路计量单元、开关量扩展单元、本地通信单元和远程通信单元的尺寸均为40mm×160mm×71mm；分路计量单元可支持1路或2路三相计量，分路计量单元的接线端子为插拔式端子台，端子量为24，其中，交流电压信号端子间距7.62mm，交流电流信号端子间距3.81mm；开关量扩展单元包括3路遥控输出和6路遥信/脉冲输入，开关量单元的接线端子为插拔式端子台，端子量为21，其中，遥控输出端子间距7.62mm，遥信输入端子间距3.81mm。

进一步的，主控单元使用Cortex-A8处理器AM3354作为主平台，主频800-1GHz，配置512MB内存和4GB eMMC数据存储空间。

进一步的，分路计量单元采用基于Cortex-M4的STM32F446构建硬件平台，通过USB_Hub芯片USB2512i实现USB总线的上行接入和下行扩展。

本实用新型以主控单元为本体，构建远方管理平台与台区末端设备之间的基础信道；以专用功能单元为组件，扩展不同业务需求的配套硬件；以USB接口为介质，实现网关本体对各功能模块的智能管理；该终端采用导轨式安装，通过专用连接块进行拼接，可快速应对不同现场的差异化需求。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的主控单元结构示意图；

图3为本实用新型的总线连接模块结构示意图；

图4为本实用新型的完整的台区智能感知终端示意图；

图5为本实用新型采用USB接口的总线逻辑框图；

图6为本实用新型的功能单元的拨码开关示意图；

图7为本实用新型的主控单元硬件实现方案示意图；

图8为本实用新型的分路计量单元硬件实现方案示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本实施例提供一种基于USB接口的台区智能感知终端，包括主控单元1，主控单元1的左侧扩展接口通过总线连接模块2与分路计量单元3相连，其右侧扩展接口通过总线连接模块2依次连接开关量扩展单元4、本地通信单元5和远程通信单元6，主控单元1表面左侧设有两路可热插拔的通信模块，一路为远程通信模块7，另一路为本地通信模块8，远程通信模块7位于本地通信模块8的上方。

如图2所示，主控单元尺寸为120mm×160mm×71mm，主控单元顶部1两侧各设有一路统一型式的扩展接口，可根据现场安装需要进行左右两侧扩展。主控单元1上设有两排12端子的插拔式端子台，两排端子水平对称布置，间距为7.62mm，远程通信模块7为4G/5G模块或NB_IOT模块，本地通信模块8为HPLC载波模块、微功率无线模块或两者双模模块。

主控单元1上设有2路USB端口、3路RS485端口、2个以太网端口、1路RS232端口、2路遥控输出和4路遥信输入端口，以太网端口为RJ45接口，RS232端口为RJ11接口。

主控单元1连接一路上行信道通信模块和一路下行信道通信模块，均允许在工作状态带电热插拔，上行信道通信模块的尺寸为20mm×50mm×54mm，下行信道通信模块的尺寸为20mm×76.5mm×54mm。

如图3所示，总线连接模块2的尺寸为20mm×28mm×10mm，总线连接模块2通过USB总线使主控单元与功能单元相连接，主控单元1与各功能单元之间采用专用总线连接模块2作为连接件，完成供电和信息交互。总线连接模块管脚定义如表1所示，

表1 总线连接块管脚定义表

主控单元1与各功能的电源端相连，电源电压范围5.4V±5%，噪声纹波不大于100mV，额定电流1.5A，采用USB总线实现主控单元与其它功能单元之间的数据交互。

分路计量单元3、开关量扩展单元4、本地通信单元5和远程通信单元6的尺寸均为40mm×160mm×71mm；其中：

分路计量单元3：支持单路或双路三相交流采样、电能计量、故障录波等功能，可为台区感知终端提供多路计量的扩展能力，分路计量单元3对外接线端子采用插拔式端子台，端子数量24，其中，交流电压信号端子间距7.62mm，交流电流信号端子间距3.81mm。

开关量扩展单元4：支持4/8路遥控输出和8/16路遥信输入，可为台区感知终端提供多路开关状态监控的扩展能力，对外接线端子采用插拔式端子台，端子数量21，其中，遥控输出端子间距7.62mm，遥信输入端子间距3.81mm。

本地通信单元5：支持CAN、M-BUS、RS485等多种通信接口，可为台区感知终端提供多种末端感知设备接入的扩展能力。

远程通信单元6：支持全网通无线公网模块、1.8G公专合一模块或其他制式远程模块，可为台区感知终端提供多主站多链接安全接入的扩展能力。

各功能单元具有统一的外形尺寸和接口型式，同时，根据不同功能定义，提供不同的对外接口。比如，分路计量单元提供不同规格的电流电压端子台；远程通信单元提供SIM卡接口和天线接口；本地通信单元提供RS485、CAN、M-BUS等端子台，开关量单元提供遥信输入、遥控输出接口端子台等。

各功能单元顶部左右两侧各预留一路统一型式的扩展接口，便于与其他单元进行级联。

主控单元1和各功能单元都有独立的不透明上盖，可用于装配面贴、遮挡接线，可保证每个部分的独立性，进而组成一个完整的台区智能感知终端，如图4所示。

为实现台区智能感知终端的物联网关和台区协同控制的功能需求，同时兼顾主控单元1与各功能单元之间的扩展能力、通信速率、功能管理等，采用USB接口来构建台区感知终端内部通信总线。

采用USB接口来构建终端内部通信总线主要有以下益处：

1）只需要两根信号线，通信总线结构简单，便于实现；

2）通信速率高，USB2.0全速可达12Mbps，高速可达480Mbps，完全满足高速通信扩展单元对内部总线速率的需求；

3）标准协议，主控单元1借助操作系统很方便即可实现对各功能单元的识别、注册和管理，从而实现各功能单元的即插即用。

但USB接口本身并不是一种串联型总线，不能像RS485总线那样使用菊花链方式进行手拉手级联。因此，各功能单元内部需要采用USB-Hub来实现与前一级的连接以及与后一级的级联。

采用USB接口的台区感知终端的总线逻辑框图，如图5所示，

主控单元1提供2路独立的USB-Host接口，可根据现场安装情况选择向左右两个方向扩展功能单元。

扩展接口采用统一的型式，为各功能单元提供供电电源和通信总线。

每个功能单元内部都集成一个1拖2的USB-Hub：1个上行接口USB-UP，2个下行接口USB-D1、USB-D2。其中：USB-UP接口与该功能单元的前一级连接，USB-D1接口与该功能单元的下一级级联，而USB-D2接口与该功能单元的主控MCU相连。从而实现前一级单元度本功能单元的接入和对下一级功能单元的级联。

各功能单元预留一个拨码开关，用于扩展方向选择，具体如图6所示。

功能单元安装完成后，根据其实际位置，人工将拨码开关拨到相应位置；

功能单元上电后，其主控MCU通过GPIO_1和GPIO_2管脚检测拨码开关K1的实际位置，从而确定本功能单元是安装在主控单元1左侧还是右侧；

功能单元的主控MCU通过GPIO_3和GPIO_4控制电子开关，选择其左右总线接口的连接方式：

如果拨码开关K1位于左侧，则电子开关S1连接USB-D1，电子开关S2连接USB-UP；

如果拨码开关K1位于右侧，则电子开关S1连接USB-UP，电子开关S2连接USB-D1。

主控单元1是台区智能感知终端的本体，主要作用是台区物联网关：提供远方信道与本地信道的界面。其次，可对采集数据进行边缘计算处理，实现台区源网荷储协同优化控制。其硬件实现方案如图7所示。

（1）工作电源

主控单元1采用交流三相供电。当电源出现断相故障时，即三相三线供电时断一相电压，三相四线供电时断两相电压的条件下，交流电源能维持网关正常工作。

工作电源额定电压：220V/380V，57.7V/100V，100V允许偏差正负20％；频率：50Hz，允许偏差负6％至正2％。

主控单元1具备失电快速检测功能和停电上报功能：

在供电电源中断后，无缝切换到超级电容供电。主控单元1的MPU通过充放电管理电路的PFO信号快速检测终端是否失电，当判断失电立即上报停电事件和相应数据，可支持三次停电上报并维持主控单元1正常工作3分钟。

主控单元1具备超级电容充放电管理功能：

主控单元1的MPU通过充放电管理电路的VF_VCC电平，判断超级电容的容量状态并通过VF_CL信号控制超级电容充电，VF_CH信号控制超级电容放电。

当VF_VCC电平＜5.5V且供电电源并未中断（PFO为高电平），VF_CL置高，VF_CH置低，给超级电容充电；

当VF_VCC电平＞2.2V且供电电源中断（PFO为低电平），VF_CL置低，VF_CH置高，超级电容放电；

当VF_VCC电平≤2.2V且供电电源中断（PFO为低电平），VF_CL置低，VF_CH置低，超级电容放电截止，防止系统震荡。

（2）平台及本地接口

主控单元1使用TI的Cortex-A8处理器AM3354作为主平台，主频800-1GHz，配置512MB内存和4GB eMMC数据存储空间。

AM3354片上支持6路UART接口，其中：

UART0通过高速光耦，以RJ11形式对外提供调试和信息打印接口；

UART1~UART3通过隔离处理和转换芯片，以接线端子台形式对外提供3路RS485本地采集接口，可用于本地传感器或表计的采集；

UART4与蓝牙模块连接，为主控单元1提供本地维护和参数配置通道。

另外，主控单元1配备4路遥信输入和2路遥控输出接口，对于仅需少量I/O监控的应用场景可以不必配置开关量单元，以降低成本。

（3）扩展总线接口

AM3354片上支持2路USB接口，支持标准USB2.0的高速、全速和低速通信模式，其中：

USB1接口，工作在全速模式，用于主控单元1向左侧扩展的总线接口；

USB2接口，工作在全速模式，用于主控单元1向右侧扩展的总线接口；

AM3354通过GPIO接口和电源控制电路对扩展总线的供电电源进行控制，当主控单元1供电电源中断时，可以切断左右总线连接模块2的电源输出，以确保主控单元1本身的停电上报功能和持续运行时间。

（4）通信接口

AM3354片上支持2路MAC接口，1路为EMAC，1路为GMAC。KSZ9896是6口千兆交换机芯片，支持GMII、RGMII、MII、RMII接口型式。主控单元1利用AM3354的GMAC接口与以太网交换机芯片KSZ9896连接，可以很方便地实现以太网接口“1扩5”的功能，其中：

ETH-1和ETH-2，使用RGMII接口，以RJ45型式对外提供2路10/100/1000M自适应网络接口；

ETH-3，使用RMII接口，为主控单元1上行的远程通信模块（4G模块）提供数据交互接口，10/100M自适应；

ETH-4，使用RMII接口，为主控单元1下行的本地通信模块（HPLC模块）提供数据交互接口，10/100M自适应。

（5）其他外设具体功能

主控单元1通过AM3354的SPI接口接入ESAM安全芯片，支持营配一体安全加密解密功能，确保与远程主站数据通信的安全性。

主控单元1通过AM3354的IIC接口接入RTC实时时钟，支持远程对时。

以分路计量单元3为例，介绍功能单元实现方案。

分路计量单元3主要支持三相交流采样、计量、故障预警等功能，主控单元1通过扩展1个或多个分路计量单元3可快速实现对多个分支的监测。

分路计量单元3的实现方案如图8所示；

（1）工作电源

分路计量单元3的工作电源取自总线连接模块2的5V供电电源。

（2）平台及总线接口

分路计量单元3采用基于Cortex-M4的STM32F446构建硬件平台，采用USB_Hub芯片USB2512i实现USB总线的上行接入和下行扩展。

USB2512i可一共1路上行USB接口USB-UP和2路下行USB接口USB-D1和USB-D2，其中，USB-D2连接STM32F446，USB-UP和USB-D1通过电子开关S1和S2可根据需要选择连接到左侧总线扩展模块接口还是右侧总线扩展模块接口。

首先，根据现场实际安装需要，将拨码开关K1打到相应位置，例如，如果需要将分路计量单元3安装在主控单元1左侧，则将分路计量单元3的K1打到左侧位置；

其次，STM32F446通过检测GPIO_1和GPIO_2管脚电平，判断K1的位置，例如，K1打到左侧位置，GPIO_1为低电平（0）并且GPIO_2为高电平（1）。

然后，STM32F446通过GPIO_3和GPIO_4，控制电子开关S1和S2的位置，从而将USB1和USB2连接到相应的USB总线接口上。

例如，k1打到左侧位置，STM32F446检测到GPIO_1为低电平（0）并且GPIO_2为高电平（1），STM32F446控制输出管脚GPIO_3为高电平（0），电子开关S1保持默认状态，将USB1连接到USB-D1接口，为向分路计量单元3左侧继续扩展其他功能单元提供USB接入接口；STM32F446控制输出管脚GPIO_4为低电平（1），驱动电子开关S1将USB1连接到USB-UP接口，通过总线连接模块2，将该分路计量单元3连接到主控单元1的左侧总线扩展接口。

同样道理，需要将分路计量单元3安装在主控单元1右侧，则将分路计量单元3的K1打到右侧位置即可。

（3）计量功能

分路计量单元3通过三相计量芯片HT7132实现对三相电流、三相电压及剩余电流的采集和处理。

STM32F446通过SPI总线与三相计量芯片连接，实现对稳态交采计量数据的获取。同时，三相计量芯片HT7132还提供1路HSDC接口，通过该接口，STM32F446可以获取HT7132各通道的ADC原始采样数据，从而实现各个通道的录波和暂态分析功能。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于USB接口的台区智能感知终端，其特征在于，包括主控单元，所述主控单元的左侧扩展接口通过总线连接模块与分路计量单元相连，其右侧扩展接口通过总线连接模块依次连接开关量扩展单元、本地通信单元和远程通信单元，所述主控单元表面左侧设有两路可热插拔的通信模块，一路为远程通信模块，另一路为本地通信模块，所述远程通信模块位于所述本地通信模块的上方。

2.根据权利要求1所述的一种基于USB接口的台区智能感知终端，其特征在于，主控单元的尺寸为120mm×160mm×71mm，所述主控单元顶部两侧设有扩展接口，所述主控单元上设有两排12端子的插拔式端子台，两排端子水平对称布置，间距为7.62mm，所述远程通信模块为4G/5G模块或NB_IOT模块，所述本地通信模块为HPLC载波模块、微功率无线模块或两者双模模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于USB接口的台区智能感知终端，其特征在于，所述主控单元上设有2路USB端口、3路RS485端口、2个以太网端口、1路RS232端口、2路遥控输出和4路遥信输入端口，以太网端口为RJ45接口，所述RS232端口为RJ11接口。

4.根据权利要求1所述的一种基于USB接口的台区智能感知终端，其特征在于，所述主控单元连接一路上行信道通信模块和一路下行信道通信模块，所述上行信道通信模块的尺寸为20mm×50mm×54mm，下行信道通信模块的尺寸为20mm×76.5mm×54mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于USB接口的台区智能感知终端，其特征在于，所述主控单元与各功能的电源端相连，电源电压范围5.4V±5％，噪声纹波不大于100mV，额定电流1.5A。

6.根据权利要求1所述的一种基于USB接口的台区智能感知终端，其特征在于，所述总线连接模块的尺寸为20mm×28mm×10mm，所述总线连接模块通过USB总线使所述主控单元与功能单元相连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于USB接口的台区智能感知终端，其特征在于，所述分路计量单元、所述开关量扩展单元、所述本地通信单元和所述远程通信单元的尺寸均为40mm×160mm×71mm；所述分路计量单元可支持1路或2路三相计量，所述分路计量单元的接线端子为插拔式端子台，端子量为24，其中，交流电压信号端子间距7.62mm，交流电流信号端子间距3.81mm；所述开关量扩展单元包括3路遥控输出和6路遥信/脉冲输入，所述开关量单元的接线端子为插拔式端子台，端子量为21，其中，遥控输出端子间距7.62mm，遥信输入端子间距3.81mm。

8.根据权利要求1所述的一种基于USB接口的台区智能感知终端，其特征在于，所述主控单元使用Cortex-A8处理器AM3354作为主平台，主频800-1GHz，配置512MB内存和4GBeMMC数据存储空间。

9.根据权利要求1所述的一种基于USB接口的台区智能感知终端，其特征在于，所述分路计量单元采用基于Cortex-M4的STM32F446构建硬件平台，通过USB_Hub芯片USB2512i实现USB总线的上行接入和下行扩展。

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