基于IR46理念的智能电能表管理芯软件架构设计

INFORMATION TECHNOLOGY 信息化建设摘要：国际法制计量组织 “电量测量仪器技术委员会”制定的《有功电能表》批准发布，我国必须采纳并执行。

为了研制适应此标准体系的产品，论文介绍了基于《有功电能表》的电能表架构及设计原则，并制定了管理芯的软件架构，系统介绍了系统层、平台层和应用层。

该软件架构能满足《有功电能表》的要求。

软件设计分层，使产品具有较强的可靠性；应用层又运用模块化设计方法使产品有易扩展新功能，为后续同类产品开发提供了软件平台。

关键词：IR46电能表；管理芯；软件架构一、前言International Recommendation 46(以下简称IR46[1])《有功电能表》由国际法制计量组织(以下简称OIML) 的第12技术委员会（简称TC12）“电量测量仪器技术委员会”制定，并于2012年10月批准发布。

OIML是国际范围内的法制计量机构，中国是其成员国，该机构的IR类文件为国际性计量法规文件，一经发布，要求所有OIML成员国必须采纳并执行[2]。

然而IR46标准与我国现行的电能表标准体系存在明显差异，IR46标准要求电能表电子设备与组件分离，计量功能与其他功能相互独立，非计量部分软件在线升级不影响计量部分的准确性和稳定性。

我国标准体系对电能表的软件和硬件要求比较固化，电能表均为一体化设计，一旦出现硬件或软件故障，只能采取更换整表的方式来保障电力计量工作顺利进行，且出于防止篡改电能表程序的安全角度，不允许电能表软件在线升级。

同时随着用户体验观念的逐步渗透，对电能表的功能需求也越来越多。

因此积极推进IR46的落地实施，同时研制适应IR46标准体系的产品，势在必行。

本文设计了一种基于IR46理念的智能电能表的管理芯的软件架构，使管理芯具备足够的稳定性、可扩展性和可维护性。

二、基于IR46理念的智能电能表的框架设计基于IR46理念的智能电能表（下文简称双芯智能表）既满足智能电网要求又符合IR46标准，实现计量芯和管理芯独立运行，兼容和支持各种通信资源。

计量芯作为基表独立运行，主要承担电能计量任务，同时具备数据存储、脉冲指示、全失压、电源异常事件检测等功能，并且具备独立RS485通信接口，用于数据的溯源，不允许软件在线升级，在运行模式下，计量芯的电源不被控制或干涉，其他任何功能模块的故障均不对计量芯的正常工作产生影响。

管理芯承担整表的管理任务，主要包括费控显示、事件记录、数据冻结、负荷控制、上行通信、下行抄表、远程升级等任务。

两大功能模块之间只有唯一通信通道进行数据交换。

任何一个通信模块故障，不对其它模块的正常工作产生影响。

 图1 SHAN1双芯表功能划分图计量芯、管理芯功能划分总则：1.计量芯功能要求未来长期保持不变，没有远程升级程序的需求；2.管理芯功能随着用电市场放开，存在多样化管理需求，可以通过远程升级程序的方式进行管理芯功能升级；3.管理芯涉及收费的功能，可通过计量芯基础冻结电能进行校核；4.计量芯功能简单可靠。

三、管理芯软件架构由于管理芯具备应用功能较多，且要求可增加功能、可升级。

对管理芯片的软件设计提出软件架构分层，应用层功能分模块的软件设计方法，来适应产品的市场应用。

本双芯智能表在软件设计上按以下原则[3]，即：1.可靠性：双芯智能表采用稳定可靠和成熟的软件技术，以保证产品稳定可靠。

2.标准性和规范性：采用国家及电力行业现行标准，系统设计规范化，软件编制规范化，硬件选型规范化，产品规格规范化，兼顾四表集抄和采集2.0发展。

3.可维护性和扩展性[4]：双芯智能表的总体结构合理，软件架构清晰分层，模块化保证故障率低，且故障易定位，易处理。

管理芯还应做到可扩展，以满足电力公司新需求的及时响应和公司产品体系的健全。

管理芯软件系统架构由系统软件、平台层软件、业务模块三部分组成[5]。

图2给出了管理芯软件系统架构图。

基于IR46理念的智能电能表管理芯软件架构设计冯海舟 林向阳 戚 凯 路长宝◆信息系统工程 │ 2018.7.20135INFORMATION TECHNOLOGY 信息化建设图2 软件系统架构图系统层包括嵌入式操作系统和硬件驱动。

中间层包括数据访问、设备管理、消息调度、时间管理、应用业务模块管理和协议库。

应用层以任务形式定制各种应用模块，如与计量芯通信模块、上行通信模块、主动上报模块、下行通信模块、红外通信模块、系统管理模块、统计模块、控制模块、485抄读模块、显示模块等。

四、系统层介绍双芯智能表管理芯的系统层由μC/OS-II操作系统、设备驱动两部分组成。

μC/OS-II是一个多任务的操作系统，且性能稳定。

本文采用的μC/OS-II系统的版本为V2.92.07.00。

μC/OS-II由Micrium公司提供，是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核，它适用于多种微处理器、微控制器和数字处理芯片（已经移植到超过100种以上的微处理器应用中）。

同时，该系统源代码开放、整洁、一致，注释详尽，适合系统开发。

μC/OS-II已经通过联邦航空局（FAA）商用航行器认证，符合航空无线电技术委员会（RTCA）DO-178B标准。

驱动包括MCU驱动、ESAM芯片驱动、RTC时钟驱动、存储驱动、电源驱动等。

五、中间层介绍中间层主要包括基础模块基类、数据访问、设备管理、消息调度、时间管理等。

中间层通对数据存取进行封装，使应用层通过简单的数据访问接口就可以实现对数据的存取。

中间层设备管理、消息管理、和时间管理与数据访问相似，通过对设备接口、消息接口、时间接口进行封装以降低应用层对硬件设备的操作。

中间层作为平台层，隔离操作系统与业务模块的联系，隔离各业务模块之间的联系，管理数据访问、设备操作、消息调度。

中间层通过标准化设计，有效地降低层与层之间的依赖，细化了开发人员分工，且使软件结构更加明确，利于各层逻辑的复用，极大地降低了维护难度减少了维护时间。

基于中间层的特点，下面介绍中间层的两个重点模块：基础模块基类和数据访问。

1.模块基类双芯智能表的管理芯业务模块功能独立，每个模块只与平台层交互，各模块之间互不影响。

为了使业务模块同构，所有业务模块对象都有一个共同的基类，平台只调度业务模块的基类部分。

模块通过平台函数调用平台的服务。

因此，平台层提供基类的定义。

基类中的函数表定义如下：struct BASEFT{int (*initmodel)(struct BASE * this);int (*initdata)(struct BASE * this);int (*initmsg)(struct BASE * this);int (*msghandle)(struct BASE * this, message_t *msg);};initmodel用于注册模块模型，模块初始化函数，用于初始化模块；initdata用于模块数据初始化函数，用于初始化模块所用的全局变量及数据，可为空；initmsg模块消息初如化函数，用于注册接收的消息；msghandle为此模块对应的唯一的消息处理函数，所有发往此模块的消息均由它来处理。

基类定义如下：struct BASE{struct BASEFT *baseft; //成员函数表；u8 thread;//模块需绑定的线程号；u8 prio; //模块需绑定的线程的优先级。

};业务模块按类编程，不声明对象，由配置工具根据工程生成具体模块对象。

2.数据访问随着电能表功能的不断完善，在智能电网中扮演着越来越重要的角色，而对信息存储的可靠性、有效性和读写执行要求也越来越高。

由于电能表的存储资源有限，其存储信息又必须具有较强的时效性，且必须不断的更新并保存，因此，安全有效的信息存储与读取方式成为关注的技术焦点。

本文采用一种基于文件对信息进行循环存储的方式，设定信息存储文件的最大存储量，将待存储信息作为一条信息记录进行存储，每条记录存储时按照逐条+1的方式进行编码，当信息文件中存储的信息记录达到最大存储量时，就删除最初的历史信息，并将新的信息记录存放在该位置上，避免了文件存储量的无限增长和文件碎片的产生。

（1）数据存储结构数据存储结构包括1个索引区和N个存储区，每个存储区容量均为20K，共同占用空间视存储芯片所定，其在内存中如表1排序。

表1 数据存储结构索引区（20K）存储区1（20K）存储区2（20K）……存储区N（20K）信息系统工程 │ 2018.7.20 136INFORMATION TECHNOLOGY 信息化建设在实际应用中，双芯智能表具备抄下挂表功能，并存储下挂表信息。

索引区用于存放电表地址和电表地址所申请到的数据存储区号。

索引区存储结构如表2所示。

存储相关电表数据。

每个表地址可以动态申请存储区，根据电能表要存储数据量大小不同，单个表地址每种数据类型（共三种数据类型：日数据、小时数据、分钟数据）最多可申请12个存储区域，所有表地址最多申请876个存储（按存储芯片18M计）。

数据区用于存储数据块。

每个存储区大小为20k，包括5个扇区，存放的数据块根据自身长度紧密排列。

数据区存储结构如表3所示。

表2 索引区存储结构表3 数据区存储结构扇区1数据块1数据块2……数据块80数据块81FE补全扇区2数据块82数据块83…………数据块158扇区3数据块159…………未使用区域FF扇区4未使用区域FF扇区5未使用区域FF（2）数据检索流程数据检索技巧：a.如果扇区第一个字节为FF，说明这个扇区无任何数据。

b.如果扇区第一个字节非FF，最后一个字节为FF，说明这个扇区有部分数据。

c.如果扇区第一个字节非FF，最后一个字节非FF，说明这个扇区写满数据。

（3）数据存储流程：a.读取索引头，获取当前测量点有效存储区域。

如果无有效存储区域，申请新的有效区域。

如果申请失败（所有区域都已经被用），则返回失败退出。

b.根据存储区域计算有效存储逻辑头尾位置。

c.整理待存储数据内容为数据块，在上次逻辑位置尾部存储。

如果当前扇区位置不够，则补全FE，清空下一个扇区，存至下一个扇区。

如果已经是最后一个逻辑扇区，判断是否需要申请新的存储区域。

如果不需要则回到第一个扇区存储，如果需要则申请新的区域，申请失败也回到第一个扇区存储。

（4）数据读取流程：a.读取索引头，获取当前测量点有效存储区域。

如果无有效存储区域，返回失败。

b.根据存储区域计算有效存储逻辑头尾位置。

c.根据正序或倒序读取方式，依次检索一个扇区。

d.根据正序或倒序读取方式，从一个扇区头或尾开始检索出一个数据块。

e.如果已经读出所需数据个数，则提前退出检索。

六、应用层介绍双芯智能表的功能比较多，所以把复杂功能层次化，抽象化，最终化分成多个任务模块[6]，各个任务模块按中间层基类标准来实现，模块通过接口和消息进行通信，这样程序更容易开发和维护。