基于Ethernet的低壓電力線載波阻抗動化測試系統(tǒng)

電力線網(wǎng)絡分布廣泛，其接入的負載復雜多樣并具有時變性，載波信道的阻抗匹配與否嚴重影響著電力線載波的可靠、實時傳輸[1]。在電網(wǎng)處于工作狀態(tài)時，人們會測量電網(wǎng)載波信道的阻抗值，通過這些數(shù)據(jù)來優(yōu)化載波信號，保障載波通信和抄表的質量。DZ3載波阻抗測試裝置正是用于測量低壓電力線的載波信道阻抗，它主要由主站和終端兩部分組成。
主站通過向測試終端發(fā)送統(tǒng)一格式的報文指令來控制終端的具體操作。主站負責接收、存儲終端測試所得的數(shù)據(jù)，并對終端上傳的數(shù)據(jù)進行相關處理。終端依據(jù)自由坐標軸阻抗測試原理，可測量80 kHz~500 kHz量程范圍內的低壓電力線載波信道阻抗的模值和相位[2-3]。每個終端都配有一個獨一無二的ID號。當終端與主站連接成功時，主站管理軟件的界面上會顯示出在線終端設備的ID號，通過選中ID號來對相應的終端設備發(fā)送指令。使用主站管理軟件設置測試頻點、測量時間間隔等參數(shù)，終端可自動完成單一頻點或是多個頻點的載波阻抗測量，并保存測量數(shù)據(jù)。
通過主站設置相應的參數(shù)可使終端實現(xiàn)阻抗的自動化測試，主站與終端之間有三種通信方式：USB、GPRS及以太網(wǎng)通信方式，從而使阻抗測試更加方便。使用一根USB連接線直接把計算機與終端相連，主站便可讀取終端中的測量數(shù)據(jù)，并向終端發(fā)送指令，但電腦的USB接口有限，一臺PC機不能同時控制多臺終端，且USB連接線長度有限只能近距離測試[4-5]。也可采用GPRS的通信方式,在終端的GPRS模塊中安上客戶識別模塊SIM卡(Subscriber Identity Module)，主站的通信設置項選擇GPRS通信即可控制終端運行,但這種方式費用較高[2]。為了降低測試費用并實現(xiàn)對不同地點的多臺終端的同時監(jiān)控，新增了以太網(wǎng)的通信方式。以太網(wǎng)可封裝任何協(xié)議的數(shù)據(jù)，具有標準化成熟、靈活性好、成本低、易于使用等優(yōu)勢，選用以太網(wǎng)通信方式，主站可同時監(jiān)控在同一局域網(wǎng)內的多臺終端設備[6,7]。
2 DZ3載波阻抗測試終端以太網(wǎng)通信方式調測
DZ3載波阻抗測試終端原有USB與GPRS兩種通信方式，現(xiàn)在又添加了以太網(wǎng)的通信方式[8]。其實質是在終端硬件原有基礎上增加了一個以太網(wǎng)轉串口模塊，并在終端的軟件部分進行了串口接收數(shù)據(jù)的相關修改。該模塊給每臺終端設備都設置了一個IP號，可自動偵測10/100 Mb/s的網(wǎng)絡環(huán)境，實現(xiàn)TCP/IP到TTL間的數(shù)據(jù)轉換。為確保使用新的通信方式時，終端與主站間能正常地進行命令與數(shù)據(jù)的傳輸，且不影響其他所有模塊正常工作，需要在使用前對其進行相應的測試。
2.1 終端部分程序的修改
以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)方式除04命令(主站向終端發(fā)送要求上傳ID號的命令)外,其他所有命令與USB通信方式相同,數(shù)據(jù)處理方式也與USB一致,程序都進入USB_Poll()函數(shù)進行命令的處理，只是測量數(shù)據(jù)包的發(fā)送方式不同于USB，采用的是串口發(fā)送，再經(jīng)串口轉以太網(wǎng)接口模塊，最后由以太網(wǎng)上傳至主站。因此，終端的程序需增加判斷終端連接上線的函數(shù)，并在串口接收數(shù)據(jù)及部分命令處理程序中進行修改。具體執(zhí)行步驟如下：
(1)修改串口0接收中斷函數(shù)void IntUart0Rx(void) interrupt 4。原程序負責接收主站發(fā)送給終端的所有命令，將接收到的命令存入臨時緩存中，再調用接收串比較函數(shù)來判定接收的命令標置位?，F(xiàn)在程序中增加了以太網(wǎng)連接方式標記位，用于處理以太網(wǎng)連接方式的數(shù)據(jù)，再依據(jù)命令的第二位(命令的第二位數(shù)字表示當前接收命令的長度)來截取測試所需的有效位數(shù)。
　　(2)修改接收串比較函數(shù)GPRS_RecString_Comp(Uart0_Re_buf)。該函數(shù)原用于比較GPRS通信方式時接收到的字符串，以便相應標志位的設置?，F(xiàn)在終端新增了以太網(wǎng)與串口接口轉換的通信模塊，當終端與主站都上線并處于同一局域網(wǎng)時，為確認終端設備是否已經(jīng)與主站連接成功，主站會向終端發(fā)送04命令，即ID號上傳請求命令。此時，若終端已連接上線，終端的串口中斷接收函數(shù)可接收到04命令，然后進入接收串比較函數(shù)。比較函數(shù)把接收到的命令與程序中記錄的正確命令相比較，若接收的命令完全正確，終端會立即把ID號回復給主站，并把以太網(wǎng)通信方式標記位設置為1，表示終端與主站連接成功。否則表示終端與主站連接失敗，主站無法使用以太網(wǎng)的方式向終端發(fā)送命令及接收終端上傳的數(shù)據(jù)。
(3) 修改void USB_Poll(unsigned char *n)函數(shù)。該函數(shù)原是USB通信方式的命令處理函數(shù)，由于以太網(wǎng)通信方式的命令處理同USB一致(04命令除外)，只有處理后的數(shù)據(jù)包發(fā)送方法不同，因此，在原函數(shù)中調用了串口發(fā)送程序。當以太網(wǎng)通信方式標記位的值為1時，終端的數(shù)據(jù)包采用串口發(fā)送至串口轉以太網(wǎng)模塊，經(jīng)以太網(wǎng)傳至主站。
2.2 終端以太網(wǎng)通信方式的命令收發(fā)測試
測前需先確定DZ3載波阻抗測試終端的硬件無故障，程序修改完編譯無錯誤后即可載入芯片中開始具體的測試。測試方法是先使用網(wǎng)絡調試助手發(fā)指令給終端，若終端能辨識出接收的指令正確與否，同時正確回復所有接收正確的指令，則表示終端軟、硬件均無誤，可與主站連接正常工作。終端回復的數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)格式多樣，有些為十六進制數(shù)據(jù)，有些則為BCD碼，還有些為WORD型數(shù)據(jù)。
主要測試的幾條常用指令如下：
(1) ID號的上傳
主站開機，若選擇以太網(wǎng)通信方式，主站向終端發(fā)送“04 04 FF 00”命令，要求終端上傳ID號，終端中斷接收函數(shù)(void IntUart0Rx(void) interrupt 4，串口0接收中斷函數(shù))接到04命令后，進入GPRS_RecString_Comp函數(shù)，對接收到的串比較，判斷接收到的串中與04命令匹配后，對相應的標志置位設置為1，表示終端連接上網(wǎng)絡了。又返回中斷接收函數(shù)。后進入USB_Poll()函數(shù)，若Comcode=0x04，用串口發(fā)送ID給主站。具體測試如下：
主站發(fā)：04 04 FF 00
終端回復：相應終端設備的ID號，如84 00 00 0C 0C 05 00 01 03 03 80 00。
終端回復的數(shù)據(jù)串表示接收數(shù)據(jù)的長度為12位(終端回復主站的命令的第3位與第4位表示報文長度，00 0C是十六進制數(shù)據(jù)，轉為十進制數(shù)值為12)，該測試終端的ID號的流水號為： 000133。
若終端無回復，則需先檢查網(wǎng)絡調試助手與終端是否已建立連接，確定連接后，逐步調試程序，查看程序的串口接收函數(shù)中有無指令接收到，如此逐步查詢直至找到具體故障點。若終端回復的位數(shù)不對或是回復的數(shù)據(jù)有誤，則需先查看接收到的指令是否正確，若正確則進入相應指令的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，辨別是終端數(shù)據(jù)處理不當還是數(shù)據(jù)包發(fā)送時發(fā)生了掉包故障，亦或是主站接收程序的故障。
　(2)狀態(tài)讀回
　主站發(fā)要求讀回當前測試狀態(tài)的08命令給終端，終端接收到命令，進入USB_Poll() 函數(shù)，先解析命令，得知是08命令后(即Comcode=0x08)，進入08命令的處理程序，數(shù)據(jù)處理后需上傳給主站的數(shù)據(jù)包使用串口發(fā)送給主站。測試如下：
　主站發(fā)：08 04 F3 00
　終端回復：終端設備的當前具體狀態(tài)，如88 00 00 12 05 02 A0 8C 20 11 07 07 17 16 34 19 55 00。
　從接收數(shù)據(jù)串的第3位和第4位可知主站接收到的這串數(shù)據(jù)長度為18位(00 12十進制為18)，05表示測試的組間時間間隔為5 min，02表示頻點時間間隔為2 min，當前測試頻點為110 kHz(A08C十進制為41 100，
41 100-40 000=1100，1 100/10=110)，20 11 07 07 17 16 34 19則表示當前的時間狀態(tài)：2011年、周六、7月、17日、16時、34分、19秒。
其他所有指令的發(fā)送與接收都是在確定ID號上傳正確后才可進行，此時可確定串口的收發(fā)程序無誤，直接調測命令解析與數(shù)據(jù)處理部分的程序。
　(3) 阻抗實時測量
　主站發(fā)03命令給終端，終端接收到命令，進入USB_Poll()函數(shù)，解析得知是03命令后(即Comcode=0x03)，進入03命令的處理程序，在實時測量結束后，把測量所得的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送當前狀態(tài)給主站。阻抗實時測量的測試過程如下：
　主站發(fā)：03 04 F8 00
　終端回復：終端當前測量的頻率點、阻抗模值及相位等數(shù)據(jù)。如83 00 00 21 11 07 15 2B 5C 16 09 00 31 FF F8 52 6C 16 09 00 66 FF FD 79 7C 16 09 00 CC FF FD 91 00。
　終端答復主站的這串數(shù)據(jù)的長度為33位(00 21十進制為33)，11 07 15表示11年7月15日，2B 5C表示測試頻率點為110(2B 5C十進制為11 100， 11 100-10 000=1 100，1 100/10=110) ，16 09表示16時9分，阻抗模值為20.4(00 CC十進制為204,204/10=20.4)，F(xiàn)F FD分別為相位高低位的計算參數(shù)，91為校驗位，00表示最后的結束符。終端實時測量的具體回復數(shù)據(jù)會依據(jù)當前主站設置測量的參數(shù)值而變化。
　若終端回復的數(shù)據(jù)與主站設置的參數(shù)不一致，需要查看03命令的解析程序解析結果是否正確，若命令解析無誤則應逐步調試阻抗測量部分的程序，觀察幾條關鍵程序執(zhí)行后得到的結果與理論值是否相近。
(4) 讀終端上報數(shù)據(jù)
　當測試人員想查看前一天的測試數(shù)據(jù)時，測試人員可登入主站管理軟件，用主站發(fā)02命令給終端，02命令可使終端把所有的測試數(shù)據(jù)上傳給主站。終端接收到命令，進入USB_Poll() 函數(shù)，解析得知是02命令后(即Comcode=0x02)，進入02命令處理的那段程序，除中間的7次循環(huán)發(fā)送0這一點上存在區(qū)別(以太網(wǎng)通信方式不發(fā)而USB發(fā))外，其他數(shù)據(jù)都由串口發(fā)送給主站。02命令的回復數(shù)據(jù)包含了前一天或是前幾天的測試數(shù)據(jù)(DZ3阻抗測試終端最多可記憶8天的測量數(shù)據(jù))，因此其回復的數(shù)據(jù)包長度是所有報文指令中最長的。具體測試結果如下：
主站發(fā)：02 04 F9 00
　 終端回復：終端內存儲的所有阻抗測量數(shù)據(jù)。如82 00 00 27 12 04 05 31 9C 00 01 09 00 00 CB FF FC 58 AC 00 01 09 00 02 0A FF FB 7F BC 00 01 09 00 05 ED FF FC F4 00，具體回復的數(shù)據(jù)依據(jù)終端測量所得的數(shù)據(jù)而定。
　 終端回復的82報文內容可分為三部分：數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)段及結束段。數(shù)據(jù)頭含命令類型、回復命令的狀態(tài)、數(shù)據(jù)包的長度及時間四點。如上面回復報文中的前幾位82 00 00 27 12 04 05表示終端回復的是82命令，00表示命令狀態(tài)正常，00 27說明數(shù)據(jù)包長度為39位，發(fā)送時間為12年4月5日。數(shù)據(jù)段由多個阻抗測試數(shù)據(jù)塊組成，解析數(shù)據(jù)塊可得知測試的頻率點、此頻率點下測試所得的數(shù)據(jù)長度、測試該點的時間、測得的阻抗模值及相位。例子中的第一個數(shù)據(jù)塊31 9C 00 01 09 00 00 CB FF FC即表示測試頻點為270 kHz(31 9C十進制為12 700，(12 700-10 000)/10=270)，00 01是WORD型數(shù)據(jù)表示該數(shù)據(jù)塊的長度，09 00 說明測試時間在9點整，00 CB用于計算阻抗模值，F(xiàn)F FC則用于相位的計算。終端回復的數(shù)據(jù)包的最后兩位數(shù)據(jù)F4 00是結束段，F(xiàn)4為校驗位，00是結束符。
一臺終端用于測試的時間越長，內部存儲的數(shù)據(jù)會隨之增多(每臺終端最多可存儲8天的測量數(shù)據(jù))。終端傳給主站的上報數(shù)據(jù)越多，主站接收數(shù)據(jù)包的過程中就有可能發(fā)生數(shù)據(jù)掉包或數(shù)據(jù)錯誤等故障，這時可用網(wǎng)絡調試助手發(fā)送02命令給終端，若網(wǎng)絡調試助手接收到終端回復的數(shù)據(jù)包完整，則表示故障點在主站的接收或解析數(shù)據(jù)包程序中，否則表示終端有故障。
　(5) 錯誤命令
　由于傳輸過程中的各種干擾，終端接收到的命令有可能發(fā)生錯誤，終端在接收到錯誤的命令后會回復主站并要求其重發(fā)。測試過程如下：
　主站發(fā)：16 04 ED 00(該命令不存在)
　終端回復：CC 00 00 07 16 22 00
　CC表示終端接收到的命令是不在協(xié)議規(guī)定的范圍內的異常命令碼，00 07說明該回復數(shù)據(jù)有7位(00 07為十進制7)，16是指接收到的錯誤命令碼(以16H開頭的命令)，22是校驗位，00為結束符。
　(6) 其他命令
　主站發(fā)命令給終端，終端接收到命令，進入USB_Poll() 函數(shù)，解析得到Comcode后，依據(jù)Comcode的具體數(shù)值判斷得知主站發(fā)給終端的是哪一條命令，隨后進入這條命令相應的命令處理程序，最后把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口傳到終端的串口轉以太網(wǎng)工作模塊，通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)包傳給主站。
2.3 測試結果分析

　按上述的命令收發(fā)測試方法調測后，確定主站與終端間的所有命令的收發(fā)都正確時，終端可以用于阻抗測試。把終端與一個標準阻抗盒相接，阻抗盒的A相接入20 Ω電阻、B相接入50 Ω電阻、C相接入150 Ω電阻。主站在阻抗檢測設置中選擇三相測試，并設置了121 kHz、132 kHz、270 kHz、412 kHz、310 kHz這5個常用頻點作為一組測試頻點進行循環(huán)測試， 每隔30 min測試一組，通過查看主站讀回的阻抗測量數(shù)據(jù)來驗證終端測試的結果。主站讀回的數(shù)據(jù)將自動保存到Excel表格中，測試所得數(shù)據(jù)的部分截圖如圖1，讀表可知每個頻點的具體測試時間、測得的阻抗值等數(shù)據(jù)。主站讀回的3個相位的阻抗值均與標準阻抗盒設置的阻抗值相近，并在誤差允許的范圍內，驗證了終端阻抗測試的正確性。

采用Ethernet通信方式的低壓電力載波阻抗自動檢測系統(tǒng)，使得測試更加方便，加強了主站對多臺終端設備的同時監(jiān)控能力，為加入這種通信方式，終端的部分程序進行了適當?shù)脑黾优c修改。測試過程得到了滿意的結果。
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