當(dāng)數(shù)據(jù)集中器遇上“芯”動(dòng)的Sitara?處理器

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，越來越多的住宅終端設(shè)備中，諸如智能電表和數(shù)據(jù)集中器，開始出現(xiàn)了各種智能分析功能。因此，智能電網(wǎng)越來越多的需要依賴各種通信方式來實(shí)時(shí)的獲取、分析電網(wǎng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并報(bào)告問題。數(shù)據(jù)集中器在智能電網(wǎng)中作為終端用戶數(shù)據(jù)的集中器單元，發(fā)揮著非常重要的作用。如今，隨著終端設(shè)備數(shù)量的不斷增加和大量數(shù)據(jù)交換需求的增長，對(duì)于數(shù)據(jù)集中器而言，在性能和接口方面將面臨新的需求和挑戰(zhàn)。因此， 為數(shù)據(jù)集中器選擇核心處理器單元時(shí)，需考慮其支持各種通信接口，并能夠提供可靠且精確的數(shù)據(jù)處理的能力。

電網(wǎng)通信的多接口支持

數(shù)據(jù)集中器通常需要功能強(qiáng)大的、集成多種外設(shè)的Arm處理器，可與諸如電表、氣表和水表等各類終端設(shè)備或電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中任何其他類型的監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行通信。

RS485作為一種廣泛使用的通信標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于數(shù)據(jù)集中器中，因此，設(shè)計(jì)選型時(shí)需考量多個(gè)UART（通用異步收發(fā)傳輸器）端口的支持。除RS485外，以太網(wǎng)作為一種更為高效可靠的通信手段，可以將電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速更新到控制中心或云服務(wù)器，從而越來越普遍的使用在某些領(lǐng)域中。此外，低功耗藍(lán)牙（BLE），得益于其無線連通性以及對(duì)終端數(shù)量的限制較少帶來的良好擴(kuò)展性，變得越來越普及。所有這些通信協(xié)議都可能成為當(dāng)前或下一代設(shè)計(jì)的關(guān)鍵功能，因此，這也會(huì)對(duì)處理器選型、考量外設(shè)以及軟件操作系統(tǒng)時(shí)帶來更大的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)諸如BLE等無線通信帶來堆棧移植等軟件開發(fā)任務(wù)時(shí)，擁有成熟且支持度較高的軟件操作系統(tǒng)（比如Linux）支持，有助于輕松移植BLE或其他所需的堆棧，就變得尤為重要。

圖1所示的SitaraAM3352處理器擁有著非常豐富的接口資源（6個(gè)UART、2個(gè)以太網(wǎng)端口、3個(gè)SPI），使用主線Linux，且對(duì)軟件開發(fā)具有廣泛的社區(qū)支持，可滿足數(shù)據(jù)集中器的各類接口要求且擁有良好的可擴(kuò)展性，是集中器平臺(tái)的上佳選擇。

圖1：Sitara Arm Cortex-A8 處理器

提高電網(wǎng)監(jiān)控效率

為了能及時(shí)獲取電網(wǎng)狀態(tài)的更新，確保電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的效率，行業(yè)對(duì)通信的實(shí)時(shí)性需求越來越高?，F(xiàn)階段，由于終端設(shè)備的采樣速度和精度的提升，終端的通信數(shù)據(jù)量也隨之增加，因此也帶來了更高的數(shù)據(jù)處理能力需求。此外，我們發(fā)現(xiàn)在國內(nèi)的一些場景中，智能化電網(wǎng)的發(fā)展迅速，一些智能設(shè)備已經(jīng)具備了如諧波分析等功能，以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量分析、管理檢測電網(wǎng)狀態(tài)，并能夠檢測出未經(jīng)授權(quán)的終端設(shè)備連接。這就使得除可靠性外，對(duì)處理器的性能提出了新的挑戰(zhàn)。Sitara AM3352設(shè)備可通過高達(dá)1GHz的高性能Cortex-A8內(nèi)核來應(yīng)對(duì)這些性能挑戰(zhàn)。與先前在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位的ARM9設(shè)備相比，Arm Cortex-A8設(shè)備在相同頻率級(jí)別的DMIPS方面的性能幾乎提高了一倍。具有工業(yè)溫度范圍支持的AM3352可作為可靠且擴(kuò)展性良好的平臺(tái)，以相同的硬件設(shè)計(jì)滿足不同級(jí)別的數(shù)據(jù)處理需求，因?yàn)樗鼮橥环庋b中提供了300、600、800和1000MHz的不同CPU頻率選擇。

用于保護(hù)電網(wǎng)設(shè)備的安全保護(hù)功能

與大多數(shù)Sitara處理器一樣，AM3352提供的安全功能可確保數(shù)據(jù)集中器在電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的通信安全。具體而言，AM3352內(nèi)置AES、SHA、RNG的硬件加密加速器，為產(chǎn)品的通信安全方案提供了有效的實(shí)現(xiàn)方法。除加密功能外，AM3352還支持高級(jí)安全啟動(dòng)，可保護(hù)您的軟件和系統(tǒng)安全，免遭黑客入侵。所有這些安全功能都提供了保護(hù)電網(wǎng)設(shè)備的可靠方法。

中國數(shù)據(jù)集中器2.0標(biāo)準(zhǔn)

智能電網(wǎng)應(yīng)用在中國發(fā)展及其迅速。各種智能終端設(shè)備都能有效監(jiān)視電網(wǎng)、實(shí)時(shí)報(bào)告電網(wǎng)狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)故障檢測功能。由此帶來的海量數(shù)據(jù)傳輸和處理，都對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)集中器設(shè)計(jì)帶來更多挑戰(zhàn)。

在目前投入使用的數(shù)據(jù)集中器中，大多數(shù)設(shè)計(jì)都是基于內(nèi)核性能在300MHz?400MHz左右的ARM9器件。在過去，常使用單通道交流采樣，采樣速度較為有限，且無需復(fù)雜的采樣處理。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)僅采用諸如RS485的低速通信即可滿足設(shè)計(jì)需求，較差的設(shè)計(jì)可擴(kuò)展性，及較低的存儲(chǔ)容量要求（通常小于128 Mb）等短板也并未凸顯出任何問題。

但是，為了滿足智能電網(wǎng)設(shè)備升級(jí)帶來的性能提升需求，國家電網(wǎng)很快會(huì)發(fā)布數(shù)據(jù)集中器2.0標(biāo)準(zhǔn)。這些升級(jí)需考量使用測量水、電、氣和熱的四合一儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)内厔荩瑫r(shí)還需支持電能質(zhì)量分析和管理功能，這些都需要采樣速度大幅提高。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測，采樣間隔會(huì)縮短至1分鐘，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量的大幅增加。而以往數(shù)據(jù)處理器上的DDR和閃存容量將不足以支持如此規(guī)模的數(shù)據(jù)量，因此需要進(jìn)行處理器平臺(tái)的升級(jí)。此外，還需要考慮諸如M_BUS，CAN，WIFI等更有效的通信標(biāo)準(zhǔn)的支持，以符合未來數(shù)據(jù)集中器2.0標(biāo)準(zhǔn)的高速通信需求。

總之，在未來發(fā)布的數(shù)據(jù)集中器2.0標(biāo)準(zhǔn)中，將會(huì)需要更為強(qiáng)大的處理器。ARM的最低頻率為800MHz。一些性能指標(biāo)也呼之欲出，如：當(dāng)CPU負(fù)載<40％時(shí)，它應(yīng)為系統(tǒng)提供足夠的性能并保證正常運(yùn)行；內(nèi)部總線速度也應(yīng)高于100 Mbps，以確保實(shí)時(shí)功能；而存儲(chǔ)容量至少需要4 Gb才能存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)流；為了在某些情況下及時(shí)獲得狀態(tài)更新，目標(biāo)采樣間隔的最小值為1分鐘。

AM3352處理器，以其高達(dá)1GHz的器件系列可成為您新一代集中器中的核心處理器平臺(tái)，輕松滿足數(shù)據(jù)集中器2.0標(biāo)準(zhǔn)中的高性能要求。除TI 官方提供的參考設(shè)計(jì)之外，您還可以利用TI 現(xiàn)有的第三方設(shè)計(jì)資源來創(chuàng)建基于AM3352的模塊系統(tǒng)（SoM）或整體解決方案。

結(jié)論

德州儀器的Sitara處理器AM3352提供可擴(kuò)展性較高的可靠平臺(tái)，提供了豐富的外設(shè)資源，可滿足不同的性能需求、安全功能，作為處理器平臺(tái)而言，支持RS485、以太網(wǎng)、BLE等多種通信協(xié)議（包括SPI和CAN），是您數(shù)據(jù)集中器的良佳選擇。為幫您入門，德州儀器提供了TMDXEVM3358評(píng)估模塊（EVM），可輕松進(jìn)行數(shù)據(jù)集中器開發(fā)設(shè)計(jì)。此外，Linux軟件開發(fā)套件（SDK）為評(píng)估板提供了相關(guān)的全套啟動(dòng)鏡像，以便客戶可直接在EVM上測試CPU性能和外設(shè)接口功能。

圖2：Sitara TMDXEVM3358評(píng)估模塊

另一個(gè)參考設(shè)計(jì)是Beaglebone Black 開發(fā)套件。該套件提供46管腳雙排擴(kuò)展接頭，使客戶能夠靈活測試芯片上的任何功能。