采用C2000系列雙核實(shí)現(xiàn)電力線通信（PLC）數(shù)據(jù)集中器方案

本文檔介紹了采用C2000系列雙核（CM3+C28x）微控制器實(shí)現(xiàn)的，基于PRIME標(biāo)準(zhǔn)的電力線通信（PLC）數(shù)據(jù)集中器方案。本方案通過(guò)一顆Concerto MCU加SDRAM實(shí)現(xiàn)完整的PRIME協(xié)議棧，提供波特率115200bps的UART異步串行端口給客戶端主機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理及數(shù)據(jù)通信，為需要低成本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中器功能的場(chǎng)合提供了有效的解決方案。

簡(jiǎn)介

PRIME-PoweRline Intelligent Metering Evolution標(biāo)準(zhǔn)是由西班牙Iberdrola電力公司聯(lián)合有關(guān)的PLC芯片、系統(tǒng)、電表等廠商，為窄帶PLC電力線通信制定的遠(yuǎn)程抄表技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括物理層和MAC層的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)的協(xié)議開放，實(shí)施無(wú)版權(quán)費(fèi)用，不同廠商的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通。TI采用低成本的DSP控制器，以軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PRIME協(xié)議，相較其他廠商以專用芯片ASIC的實(shí)現(xiàn)方式，提高了應(yīng)用的靈活性。

事實(shí)上，早前TI已經(jīng)采用OMAP1808實(shí)現(xiàn)了PRIME數(shù)據(jù)集中器的完整功能。本文介紹的方案，主要是將OMAP平臺(tái)的DC方案移植到單芯片Concerto上，實(shí)現(xiàn)一顆芯片完成PRIME的上層和底層MAC協(xié)議以及物理層協(xié)議，適用于低成本的嵌入式數(shù)據(jù)集中器應(yīng)用，因此，我們也把該數(shù)據(jù)集中器方案簡(jiǎn)稱為EDC，即Embedded Data Concentrate。
OMAP1808平臺(tái)的DC方案基于Linux操作系統(tǒng)，而本EDC方案基于TIRTOS操作系統(tǒng)，上層和下層MAC通信采用內(nèi)部數(shù)據(jù)共享，不但系統(tǒng)精簡(jiǎn)很多，占用資源少，而且數(shù)據(jù)更加可靠，除了沒(méi)有TCP/IP接口之外，所能管理及連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與OMAP平臺(tái)的DC方案無(wú)異。

1 EDC系統(tǒng)架構(gòu)

本方案采用Concerto系列芯片F(xiàn)28M35H52C1作為主芯片，處理PRIME協(xié)議的UPPER MAC及LOW MAC, PHY層協(xié)議。F28M35H52C1是一款雙核的MCU，它內(nèi)部包含了Cortex m3主系統(tǒng)和TI C28x控制子系統(tǒng)兩個(gè)MCU系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)分別有512KB的Flash空間，Cortex m3獨(dú)立使用32KB RAM，TI C28x獨(dú)立使用36KB RAM，另外還有可配置使用權(quán)的 64KB的共享RAM（在EDC系統(tǒng)中全部被分配給C28x使用）和2KB的IPC Message RAM。在EDC系統(tǒng)應(yīng)用中，Cortex m3核工作主頻為75MHz，它負(fù)責(zé)處理Upper MAC協(xié)議,C28x核工作主頻為150MHz，它負(fù)責(zé)處理Low MAC及PHY層協(xié)議，兩個(gè)核之間通過(guò)IPC內(nèi)部數(shù)據(jù)共享區(qū)機(jī)制進(jìn)行通信。主芯片MCU外加一個(gè)8M Bytes的SDRAM，由CM3核進(jìn)行訪問(wèn)，用來(lái)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)，目前系統(tǒng)使用的大小約為3M Bytes；另外有一個(gè)128KByts 的EEPROM，由C28x訪問(wèn)，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)掉電參數(shù)；模擬前端采用TI AFE031，支持三相和單相連接，由C28x核通過(guò)SPI接口對(duì)其進(jìn)行控制。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。其中，CM3 通過(guò)1個(gè)GPIO口控制一個(gè)LED，在系統(tǒng)正常工作時(shí)以1Hz頻率進(jìn)行顯示；C28x通過(guò)3個(gè)GPIO控制另外三個(gè)LED，分別指示C28x工作狀態(tài)及PLC通信狀態(tài)。

圖1 PRIME EDC系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2 EDC方案特性

單芯片實(shí)現(xiàn)PLC PRIME DC完整功能。

提供UART接口與PC或用戶Host Processor進(jìn)行通信，通信速率115200bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。

提供PC(Ubuntu Linux OS)客戶端軟件進(jìn)行模擬測(cè)試，客戶端軟件通過(guò)mgmt及IEC-432 API接口與EDC上運(yùn)行的服務(wù)器端進(jìn)行通信，用戶可參考這些客戶端軟件示例代碼實(shí)現(xiàn)Host代碼設(shè)計(jì)，客戶端軟件包括：

Management tool application

Base node conference tool application

IEC 61334-4-32 data transfer application

硬件設(shè)計(jì)保留C28x的SCIA UART通信接口，便于客戶使用TI提供的PC端ZCG工具軟件，通過(guò)連接PC的COM口或USB-UART轉(zhuǎn)接板至該接口來(lái)單獨(dú)對(duì)PLC PHY層參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 參考原理圖

硬件相關(guān)的原理圖部分設(shè)計(jì)請(qǐng)參考圖2，圖3，圖4 所示。

圖2 主芯片MCU參考設(shè)計(jì)原理圖

圖3 SDRAM及UART接口參考設(shè)計(jì)原理圖

圖4 AFE031周邊電路參考設(shè)計(jì)原理圖