基于SCM701的电力数据采集终端设计
摘 要 ：为解决现有电力数据采集终端采集速度慢、功能扩展差的问题，提出了一种基于 scm701 的电力数据采集终端设计方案。该方案以新一代自主研发的 scm701 型处理器为管理核心，以操作系统平台为基础，以独立应用为支撑，以硬件模块化、软件功能 app 化为设计思路。经过实验室大量试验和现场长时间运行表明，基于该方案设计的采集终端采集速率和数据传输稳定性均有较大提升，可扩展性强，可根据现场用户需求，灵活配置硬件功能模块和软件应用 app，大大降低了现场运维成本，是新一代电力数据采集终端面向未来需求的一种较好发展方向。
0 引 言
按国家发展和改革委员会、国家能源局、工业和信息化部联合发布的《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》相关要求[1-3]，结合采集系统的建设现状，采集系统将向云计算、大数据+计量、清洁能源互动化、采集系统共享复用等方向发展[4-5]，为此要求电力数据采集终端（以下简称“采集终端”）应满足相应系统发展要求，适应“大云物移”的发展方向。现有的采集终端设备结构单一、功能配置固定、资源配置偏低，难以满足各种采集现场的个性化安装及使用要求，采集终端设备面临着升级换代的问题[6-9]。
1 需求分析
通过总结当前采集终端功能应用情况和应用经验[10-12]，分析应用中的不足，制定新一代采集终端需求如下：
（1）硬件功能可扩展：根据不同的应用需求，设计各类应用模块，不同规格的模块以统一接口方式连接，形成适应不同业务需求的终端，实现采集功能；
（2）管理统一化：采用统一操作系统为平台，方便管理采集终端文件系统及各应用接口，实现统一管控；
（3）业务软件可升级：充分利用面向对象的抽象性、封装性、继承性和多态性等特性，使系统易于维护、便于扩展、可升级。
2 硬件设计
针对以上需求,面向未来应用,融合业界成熟的新技术,提出新型用电信息采集终端“模块化、平台化”设计思路，包含主控、加密、时钟、蓝牙通信、电源控制、交流采样、以太网、usb、按键、led指示、液晶显示，支持热插拔更换的模块有hplc模块、4g模块、控制模块、485模块和备用模块，其中备用模块可以根据用户自身需求灵活配置，以实现个性化功能。硬件架构如图1所示。
2.1 主控单元
主控单元是采集终端的“大脑”，负责系统的逻辑运算、数据分析存储及控制指令。处理器采用国产芯片scm701，该芯片是以arm cortex-a7为内核的4核工业级处理器，主频最高可达1.2 ghz，外设接口支持sata2.0、8路uart、4 路spi/5通道i2c接口 ；网络接口支持接入wifi/3g/4g网络，支持千兆+百兆双网口同时工作，支持两路usb2.0 host、1路otg，丰富的设备接口与模块化设计要求吻合。
2.2 控制模块
控制模块接收主控单元的控制命令，对外部设备进行拉合闸操作。控制单元采用国产32位mcu，这款mcu的内核是arm公司出品的cortex-m0，具有较强的运算处理能力和丰富的片上外设。控制模块的运行可靠性要求很高，为确保拉合闸操作准确，控制单元对合闸进行完备的闭环检测，并使用逻辑方式，结合软件算法防止电磁干扰带来的误动。图2为控制模块拉合闸闭环检测电路。 2.3 4g 模块
为确保在寒冷地区sim卡可以正常通信，4g模块增加sim卡预热电路，通过读取运行环境温度采取相应措施。当环境温度低 -20 ℃时，开启sim卡预热电路，当环境温度达到 -20 ℃以上时，关闭加热电路，此举可有效保证采集终端在极寒条件下的4g通信稳定性。图3为4g模块sim卡预热电路，通过三极管q7完成加热电路的开启和关闭，实现方式简单，成本低，性能可靠。
2.4 交流采样电路
采集终端不是法定计量器具，其交采采样数据不用于电费结算，但在实际应用中，其采样数据对台区线损治理、计量参考等具有重要意义，因此对终端的计量精度也提出较高要求。本设计方案中采用珠海炬泉出品的三相计量芯片att7022e，该芯片是三相多功能防窃电电能专业计量芯片，集成了七路二阶 sigma-delta adc，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样 ；输出采样数据和有效值，芯片本身特性配合合适的外围电路，可以实现0.5级精度的电能计量，满足实际应用需求。在设计中，为避免电压采样电阻网络发热引起计量误差，电阻网络的电阻封装选择1206，大焊盘利于散热，阻值选型经过计算留有充足的余量，并在 pcb layout时合理布局，避免密度过大引起局部热量聚集，造成电阻阻值漂移。交流采样电阻网络如图4所示。
3 操作系统及固件设计
3.1 操作系统移植
操作系统性能指标 ：
（1）进程创建平均时长小于 1 ms ；
（2）进程删除平均时长小于 1 ms ；
（3）从上电到进入登录界面的平均时长小于 1 min ；
（4）本地管道通信平均延时应小于 80 ms ；
（5）信号量平均延时应小于 300 μs ；
（6）内存连续读写平均时延应小于 300 ns ；
（7）内存随机访问平均时延应小于 500 ns ；
（8）安装容器平均时长应小于 30 s ；
（9）卸载容器平均时长应小于 10 s ；
（10）安装应用软件平均时长应小于 30 s。
3.2 hal 层设计
为降低开发复杂度与移植难度，本设计采用层次化设计方法，引入hal层（硬件抽象层），将操作系统划分出一个可直接与硬件通信的层次，隐藏不同硬件设备的具体实现细节，为各类应用软件提供标准化硬件驱动接口。然后为其上层提供抽象支持，下层通过api的形式向上层提供服务。上层在进行硬件操作时，无需了解设备的具体细节，层次化设计大大降低了系统理解和开发复杂度。
以led模块为例，给出了hal模块代码示例和hal接口调用示例。
hal模块部分代码 ：
4 应用设计
应用基于嵌入式操作系统，采集终端的功能应用划分为基础app、高级业务app、边缘计算app。
（1）基础app是高级业务app的共用部分，包括系统管理、数据中心、无线远程拨号管理、本地抄表模块管理、模组管理器等。
（2）高级业务app，基于基础app结合业务自身逻辑实现，包括居民家庭用能管理、大用户用能管理、电动汽车有序充电、分布式能源管理、企业能效管理、台区智能监测等。
（3）边缘计算app，基于业务app实现，是对业务app的扩展应用。
5 实验验证
为全面验证该型采集终端的性能，针对该设计开展了两个阶段的验证 ：实验室验证和现场试运行验证，现场试运行验证在实验室验证满足要求后开展，通过两个阶段实验的验证结果表明，该型终端在功能和性能上完全满足标准要求，部分性能超出标准要求。
5.1 实验室验证
依据国家标准和国家电网企业标准共开展各类检测项目共计40余项，试验项目涵盖电气性能、电磁兼容、环境影响、机械性能和功能，我们从中抽取功率消耗试验和数据传输试验的结果向大家展示。表1所列为功率消耗实验结果，可以看出，该型采集终端的有功功率消耗相当于技术要求的1/4，远远高于标准的技术要求，这也符合我国低碳发展的要求。
该型采集终端数据传输信道的各项性能指标测试结果如图5所示，发现采集终端的该项指标高于标准的技术要求，尤其是终端带载能力中的纹波电压远远高于指标要求，也从另一方面说明终端供电电源的质量较高，为终端未来现场持续稳定运行提供了有力保障。
5.2 现场试运行
选取××城市的5个小区10个台区作为试点，经过长达3个月的运行，整机运行稳定，产品在通信速度、通信稳定性等方面表现出良好性能，具有较好的推广价值。
6 结 语
通过大量验证结果表明，基于 scm701 的采集终端采用软件 app 化、硬件模组化的设计思路，使得该产品具有极大的灵活性，能够适应不同的应用场景，用户可以根据自身需求灵活选择硬件模块和安装相应功能 app，提升产品的通用性。该型采集终端在现场经过长期运行，各方面展现出的性能指标相比之前的终端有较大提升，具有较好的推广价值，为用电信息采集设备的发展提供了一种思路，但对一些具体的算法研究还需进一步优化。
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1 需求分析
通过总结当前采集终端功能应用情况和应用经验[10-12]，分析应用中的不足，制定新一代采集终端需求如下：
（1）硬件功能可扩展：根据不同的应用需求，设计各类应用模块，不同规格的模块以统一接口方式连接，形成适应不同业务需求的终端，实现采集功能；
（2）管理统一化：采用统一操作系统为平台，方便管理采集终端文件系统及各应用接口，实现统一管控；
（3）业务软件可升级：充分利用面向对象的抽象性、封装性、继承性和多态性等特性，使系统易于维护、便于扩展、可升级。
2 硬件设计
针对以上需求,面向未来应用,融合业界成熟的新技术,提出新型用电信息采集终端“模块化、平台化”设计思路，包含主控、加密、时钟、蓝牙通信、电源控制、交流采样、以太网、usb、按键、led指示、液晶显示，支持热插拔更换的模块有hplc模块、4g模块、控制模块、485模块和备用模块，其中备用模块可以根据用户自身需求灵活配置，以实现个性化功能。硬件架构如图1所示。
2.1 主控单元
主控单元是采集终端的“大脑”，负责系统的逻辑运算、数据分析存储及控制指令。处理器采用国产芯片scm701，该芯片是以arm cortex-a7为内核的4核工业级处理器，主频最高可达1.2 ghz，外设接口支持sata2.0、8路uart、4 路spi/5通道i2c接口 ；网络接口支持接入wifi/3g/4g网络，支持千兆+百兆双网口同时工作，支持两路usb2.0 host、1路otg，丰富的设备接口与模块化设计要求吻合。
2.2 控制模块
控制模块接收主控单元的控制命令，对外部设备进行拉合闸操作。控制单元采用国产32位mcu，这款mcu的内核是arm公司出品的cortex-m0，具有较强的运算处理能力和丰富的片上外设。控制模块的运行可靠性要求很高，为确保拉合闸操作准确，控制单元对合闸进行完备的闭环检测，并使用逻辑方式，结合软件算法防止电磁干扰带来的误动。图2为控制模块拉合闸闭环检测电路。 2.3 4g 模块
为确保在寒冷地区sim卡可以正常通信，4g模块增加sim卡预热电路，通过读取运行环境温度采取相应措施。当环境温度低 -20 ℃时，开启sim卡预热电路，当环境温度达到 -20 ℃以上时，关闭加热电路，此举可有效保证采集终端在极寒条件下的4g通信稳定性。图3为4g模块sim卡预热电路，通过三极管q7完成加热电路的开启和关闭，实现方式简单，成本低，性能可靠。
2.4 交流采样电路
采集终端不是法定计量器具，其交采采样数据不用于电费结算，但在实际应用中，其采样数据对台区线损治理、计量参考等具有重要意义，因此对终端的计量精度也提出较高要求。本设计方案中采用珠海炬泉出品的三相计量芯片att7022e，该芯片是三相多功能防窃电电能专业计量芯片，集成了七路二阶 sigma-delta adc，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样 ；输出采样数据和有效值，芯片本身特性配合合适的外围电路，可以实现0.5级精度的电能计量，满足实际应用需求。在设计中，为避免电压采样电阻网络发热引起计量误差，电阻网络的电阻封装选择1206，大焊盘利于散热，阻值选型经过计算留有充足的余量，并在 pcb layout时合理布局，避免密度过大引起局部热量聚集，造成电阻阻值漂移。交流采样电阻网络如图4所示。
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（8）安装容器平均时长应小于 30 s ；
（9）卸载容器平均时长应小于 10 s ；
（10）安装应用软件平均时长应小于 30 s。
3.2 hal 层设计
为降低开发复杂度与移植难度，本设计采用层次化设计方法，引入hal层（硬件抽象层），将操作系统划分出一个可直接与硬件通信的层次，隐藏不同硬件设备的具体实现细节，为各类应用软件提供标准化硬件驱动接口。然后为其上层提供抽象支持，下层通过api的形式向上层提供服务。上层在进行硬件操作时，无需了解设备的具体细节，层次化设计大大降低了系统理解和开发复杂度。
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4 应用设计
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5 实验验证
为全面验证该型采集终端的性能，针对该设计开展了两个阶段的验证 ：实验室验证和现场试运行验证，现场试运行验证在实验室验证满足要求后开展，通过两个阶段实验的验证结果表明，该型终端在功能和性能上完全满足标准要求，部分性能超出标准要求。
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