MCU+MPU雙處理器架構(gòu)的電力饋線終端設(shè)計方案

目前市面上大多電力FTU產(chǎn)品均采用MCU+MPU雙處理器架構(gòu)，以利用MCU的實時性和MPU上運行的穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和文件系統(tǒng)資源。那么，我們是否可以把MCU+MPU的結(jié)構(gòu)用一個MPU來替代？答案是完全可以，本文就介紹一種單處理核心的FTU實現(xiàn)方案。

FTU全名是饋線終端設(shè)備，是配電自動化系統(tǒng)中重要的監(jiān)控設(shè)備。具有遙控、遙信，故障檢測功能，并與配電自動化主站通信，提供配電系統(tǒng)運行情況和各種參數(shù)即監(jiān)測控制所需信息，包括開關(guān)狀態(tài)、電能參數(shù)、相間故障、接地故障以及故障時的參數(shù),并執(zhí)行配電主站下發(fā)的命令，對配電設(shè)備進行調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)故障定位、故障隔離和非故障區(qū)域快速恢復(fù)供電等功能。

FTU照片如下：

圖1 FTU

FTU硬件需要符合《DL/T721-2000 配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)遠方終端》標(biāo)準(zhǔn)，軟件需要符合《IEC 60870-5-104:2009》傳輸規(guī)約。從以上2份標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)約中可以提煉出FTU的3個關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)點：

1、遙信SOE分辨率需要達到1ms以內(nèi)；

2、軟件協(xié)議要求數(shù)據(jù)采用文件系統(tǒng)存儲方式，存儲空間需求數(shù)量級在50M字節(jié)左右；

3、要求最少2路以太網(wǎng)接口。

以上3點中即有實時性要求，又有比較豐富的數(shù)據(jù)處理和通信能力要求，所以常規(guī)情況會采用MCU+MPU的方案，常規(guī)硬件方案框圖如下：

圖2 FTU框圖

下面我們就3個關(guān)鍵點逐一討論FTU的MCU+MPU替代為AW280單核心方案的可行性。

一、1ms的SOE分辨率

從電力自動化裝置事件順序記錄過程來看，影響裝置SOE分辨率的主要因素有事件處理時間和裝置時間精度。事件處理時間取決于裝置狀態(tài)量處理方式及硬件處理速度；裝置時間精度取決于裝置時鐘芯片的準(zhǔn)確度及裝置時鐘處理方式。裝置最佳狀態(tài)量處理方式為中斷響應(yīng)方式，以保證狀態(tài)量可打斷其它任務(wù)以最高優(yōu)先級立即執(zhí)行。

常規(guī)MPU運行的linux系統(tǒng)由于任務(wù)負(fù)載的不確定性，會導(dǎo)致中斷響應(yīng)時間的不確定性，這樣就會造成裝置狀態(tài)量處理不及時，所以常規(guī)FTU方案中必須有一顆MCU運行的實時操作系統(tǒng)核心來處理狀態(tài)量，以達到1ms以內(nèi)的SOE分辨率。

AW280核心板搭載的AWorks操作系統(tǒng)為實時操作系統(tǒng)，其中斷處理方式和MCU中常用的RTOS近似，這樣就可以保證中斷響應(yīng)時間不低于常規(guī)方案；另外AW280核心板采用的MPU的運行速度為454MHZ，是常規(guī)的MCU主頻的2倍以上，這就讓AW280的中斷響應(yīng)會優(yōu)于常規(guī)MCU處理方案，性能可以滿足之前MCU+MPU才能實現(xiàn)的SOE分辨率。

二、文件系統(tǒng)

IEC 60870-5-104:2009規(guī)定裝置需要提供文件服務(wù)，有詳細規(guī)定需要提供文件系統(tǒng)目錄查詢、文件讀寫、文件傳輸?shù)裙δ?。常?guī)MCU對于文件系統(tǒng)操作的支持有限，所以常規(guī)方案中均會采用一顆MPU搭載linux系統(tǒng)來提供文件服務(wù)。

AW280區(qū)別于普通MCU，可以支持NAND型FLASH，低成本實現(xiàn)大容量存儲。AW280核心板搭載的AWorks操作系統(tǒng)具有完善穩(wěn)定的文件系統(tǒng)。AW280的硬件和軟件性能決定了可以滿足之前MCU+MPU才能實現(xiàn)的文件系統(tǒng)服務(wù)。

文件系統(tǒng)在AWorks系統(tǒng)中的位置見下圖：

圖3 文件系統(tǒng)在AWorks系統(tǒng)中的位置

三、以太網(wǎng)需求

FTU至少需要2路以太網(wǎng)來完成不同對象之間的通信，常規(guī)方案中MCU一般只具備一個網(wǎng)口，導(dǎo)致必須要多加一顆MPU來增加網(wǎng)絡(luò)接口。

AW280搭載的IMX280芯片本身具有2路以太網(wǎng)，并且AWorks系統(tǒng)默認(rèn)支持雙網(wǎng)口。這在常規(guī)MCU上沒有，在常規(guī)的RTOS上也少見雙路以太網(wǎng)的支持。所以AW280可以滿足之前MCU+MPU才能實現(xiàn)的多網(wǎng)口功能。

另外，AW280具有SPI可以連接國家電網(wǎng)加密IC，AW280具有5路UART可以滿足周邊設(shè)備通信需求。

綜上所述，AW280核心板完全可以勝任FTU的功能需求，可以取代傳統(tǒng)MCU+MPU方案。

圖4 AW280系列核心板