电能量远方终端串口通信实时性研究

2017-03-14夏浩军

网络安全技术与应用 2017年2期

◆夏浩军

电能量远方终端串口通信实时性研究

◆夏浩军

（杨凌职业技术学院陕西 712100）

电能量远方终端通过串口与多功能电能表进行通信，通过对电能量数据进行实测并采集，从而证明了串口通信的实时性是衡量终端性能的重要指标。为了进一步证实，本文研究了电能量远方终端串口通信的实时性建模方法，通过采集实测数据进而验证了串口数据的传输实时性及处理的准确性，分析并研究数据传输的时间误差，从而实现电能量远方终端数据传输的实时通信。

电能量；远方终端；串口通信；实时性

0 前言

作为电能量计量计费系统（TMR）中的重要核心设备，电能量远方终端（ERTU）能够根据计费系统的要求，将抄录取得的数据进行存储并进行预处理和远传[1]，从而保障计费系统计量和结算数据的准确、完整、可靠和安全[2]，进一步保证电力市场中各方在供应、销售等过程中对于电量计费的公平与公正。

电能量计量计费系统（以下简称计量系统）通过对各计量点计量数据的采集、存储，以及处理。为用电系统提供准确、可靠的电量计量数据；在实际电力调度过程中为用电管理、电网及设备管理、建设与分析提供了科学依据和管理手段，并为电力市场的商业管理提供强有力的技术支撑。作为计量系统核心设备之一，电能量数据采集远方终端非常重要[3]，为深入分析研究系统串行通信的实时性能，根据以太网和串行口的特点，针对串行数据包产生传输时延建立了数学模型。在试验中，通过对实测数据的采集来验证所建立的模型的准确性，最终分析研究了电能量远方终端串口通信的实时性。

1 工作原理

通过在以太网里接收串口数据帧，并将实时数据上传给计量系统主站是电能量远方终端的主要任务和功能[4]。数据传输方法为:装置通过串行口接收电能量数据包，按先进先出的规则对数据包进行排列并存入缓冲区，当缓冲区存放的数据达到一定的限度时，装置开始处理串口数据包并采用数据帧的形式将数据上传给计量系统主站；反之，当有数据帧到达时，通过装置把获得的数据帧解包，并作相应处理。在固定的硬件条件下，多功能电能表在单位时间内发送的数据包个数不变，而且在处理器处理频率不变的情况下，电能量远方终端在单位时间内处理的数据包也是恒定的。由于装置对数据的处理是以数据包为单位进行的，因此终端处理数据包使用的时间是单调连续函数[5]，处理时间与数据包的长度成正比。除此以外，装置发送以太网数据帧时，是通过TCP/IP协议与计量系统主站进行数据传输。

2 实验模型

为了进一步检测串口传输数据包的实时性能，通过搭建如下图1所示的设备连接平台来进行测试。在该平台中配置了两台性能相对比较高的计算机和一台工业控制计算机，其中一台高性能计算机作为主站，通过100M以太网连接到以太网交换机（CISCO2610XM 10/100 Ethernet Router w/ Cisco IOS IP），数据终端服务器采用的是一台80386工业控制计算机，另外一台高性能计算机作为串口数据生成器与数据终端服务器之间通过RS485线路连接，并通过传统的以太网连接方式连到交换机上。

图1中数据终端服务器的软件平台采用的是嵌入式操作系统μC/OS-II，可采用两种通信协议:TCP/IP协议和UDP/IP协议进行数据传输。TCP/IP作为网络中（包括互联网）普遍使用的网络通讯协议，是一种面向连接的通讯协议，采用其传输数据可靠性较高。该协议在数据传输过程中如发现某个数据帧没有收到时，数据发送方会一直发送该数据直到对方接收，继而才处理下一个数据帧。对于UDP/IP协议则采用的是一种无连接的方式进行通讯，它的数据传输实时性能要比TCP/IP高的多，但是，当网络里的数据流量较大时很难能保证数据传输的准确性与可靠性。由于电能量计量计费系统中电能量远方终端网络里面的数据流量较小，但是它对数据传输的准确性要求较高，因此在本试验中采用可靠性较高的TCP/IP协议作为数据通信协议。

图1 实时性能试验平台

在图1所示平台中，作为系统主站的一方完成数据包的接收与发送，当它每接收到一个数据包时，就会立刻将该数据包发送出去。数据终端服务器立刻会将数据通过串口接收和处理，并通过网络发送给主站。而串口数据生成器会定时发送单位数据包，并启动计数器,在接收返回数据包同时计算传输时间。也就是说通过对串口数据生成器（途经数据终端服务器和交换机）到主站的数据传输往返时间的计算,来对串口通信系统的实时性进行评估。

3 串口通信实时性建模

系统假设:（1）由于使用交换机的同时数据包流量以及长度都较小，故而网络里几乎不会出现数据包冲突及碰撞现象；（2）串行线上数据包的传输时间tc（μs）是数据包大小l的连续函数，并设其二阶可导。

3.1 实时性问题

串口数据生成器发送的数据包到主站的往返时间t可用下列公式表示:

式（1）中:ti（μs）表示以太网上数据传输使用的时间，ti= ti1+ ti2，ti1为以太网交换机对数据包的处理时间，ti2为数据包在传输介质上传输使用的时间；td（μs）:数据终端服务器数据包处理时间与长度成正比；tc（μs）:数据包在串行线上传输使用的时间。

假设以太网数据流量很小并且交换机的处理时间可以忽略不计，故而设ti1= 0；以此来计算一个数据帧在该以太网中的传输时间ti2，如下图2 所示[6]，数据经过封装过程并进入协议栈。

图2 以太网数据帧格式

图2中，该网络数据帧的传输时间为[7]:

式（2）中:max（576，8l+432）作为网络中规定数据包传输的大小，根据上图2中所要求的数据帧格式确定；tf=96为传输数据帧相邻的帧间距，在IEEE802.13中作为96位数据的传输时间；tb为以太网上一位数据的传输时间，100Mbps以太网tb=0.01μs/bit。

串行线中长度为l的数据包其传输时间为:

式（3）中:l（bytes）为数据包的大小（长度范围0bytes～48bytes）；λ（bps）为串口波特率；h为数据头部位数，是除去数据位以外的位数；C为串口转换器对数据包进行处理时所附加的固定长度的标志，通常情况下可假设为常数；td=f(l)为数据终端服务器对数据进行处理的时间，其与数据包的长度成正比（一般低至微秒级）[8]。

由式（1）～（3）可知:

式（4）中:vt（Mbps）以太网的传输速度（vt= 100Mbps）；f(l)为隐式函数。

3.2 数据传输模型

假设有两组实测数据:其中L为数据包的长度向量，另外两组数据的串口波特率依次为λ1和λ2，即:

对上述两组数据做差值，有:

把式（4）代入式（5）得:

式（6）中Y为C的常量，若Y＝［C1,C2,C3,···,Cn］，则（取整）。已知Y，由式（4）可求出差值函数:

由式（7）得到函数点列（L，f(L)），作为响应函数，描述的是串口服务器数据帧的处理时间。f(L)为随L成正比的单调连续函数，采用多项式函数逼近。对数据使用最小二乘二阶多项式进行拟合，得到f(L)函数:

通过构建的试验平台实测得两组实验数据，在实验中对装置串口转换器数据帧头部进行设置:一个作为停止位、一个作为奇偶校验位以及八位数据位，因此h= 2。在图1所示试验系统中，假设两组数据使用的波特率分别为1λ= 4800bps和2λ= 2400bps，其每组数据样本的具体个数为3000个。对这3000个数据进行取均值，得到以下实验数据:

L= [6 12 24 36 48 ]为数据包长度的向量；

取C≅50bits，将以上数据代入式（6），得:

Y= [ 50.0324 50.2453 50.1432 50.2112 50.1743 ]

取λ1=4800bps，将数据T1代入式（7）得:

f(L)=[88863.611 90711.432 100611.172 103220.329 110021.826]

应用最小二乘二阶多项式拟合上述数据，得拟合多项式函数f(l)，其表达式为:

通过（1）～（9）的分析可知，一个数据包在图1所示设备连接系统中的传输时间为:

4 实时性分析

4.1 数据传输误差

通过上述分析推导出波特率为1λ= 4800bps以及2λ= 2400bps的两组实测数据传输时间的均值公式。为进一步验证计算公式的准确性，实测了串口通信数据传输时间。实验中，测得波特率为9600bps，L=[12 24 36 48]（单位:byte）时的数据传输时间。按前式（10）计算数据传输时间的理论值，实测值与理论均值对比如表1所示。

表1 实测数据和理论均值数据

由表1可知理论值和实测值基本一致，二者误差可由式（11）计算，表示为:

式（11）中:∂t为理论传输时间均值，∂f为实测传输时间均值。由式（11）可得表1中数据传输时间理论均值和实测值的相对误差最大为0.67%，表明数据传输实时性理论计算方法准确。

4.2 数据传输实时性分析

通过上述理论分析发现，在串口数据生成器产生的数据传输频率恒定不变的情况下，数据包传输时间与其大小成正比，与它的传送波特率成反比。但是，串口波特率对传输时间影响较大，当波特率小于4800bps时，数据的传输延迟与波特率成反比。因此，在实时数据传输系统中，为提高电能量远方终端数据传输的实时性能，须尽可能提高电能量远方终端串口数据传输波特率。

在构建的网络平台中，假设?l=32bytes，其串口波特率为9600bps，得到它的数据帧传输时间如表2所示。

表2 数据帧传输时间

由表2可知，数据在网络中传输时间占总时间的0.28%，假定以太网数据帧传输时间约占数据终端服务器处理数据帧时间的10%，由此可知数据终端服务器软件对数据的处理时间为78.4sμ。上述分析表明，在设计电能量远方终端时，需缩短终端的通信线路，提高系统硬件平台性能，能够提高系统处理电能量数据的速度；此外，应优化系统软件功能，选择较高波特率，减小串口线数据传输时间，提高电能量数据传输实时性能。