2020年07月29日 | 技术文章—如何为数据集中器选择合适的处理器

随着智能电网的快速发展，越来越多的住宅终端设备中，诸如智能电表和数据集中器，开始出现了各种智能分析功能。因此，智能电网越来越多的需要依赖各种通信方式来实时的获取、分析电网状态，及时发现问题并报告问题。数据集中器在智能电网中作为终端用户数据的集中器单元，发挥着非常重要的作用。如今，随着终端设备数量的不断增加和大量数据交换需求的增长，对于数据集中器而言，在性能和接口方面将面临新的需求和挑战。因此， 为数据集中器选择核心处理器单元时，需考虑其支持各种通信接口，并能够提供可靠且精确的数据处理的能力。

电网通信的多接口支持

数据集中器通常需要功能强大的、集成多种外设的Arm®处理器，可与诸如电表、气表和水表等各类终端设备或电网基础设施中任何其他类型的监控设备进行通信。

RS485作为一种广泛使用的通信标准，广泛用于数据集中器中，因此，设计选型时需考量多个UART（通用异步收发传输器）端口的支持。除RS485外，以太网作为一种更为高效可靠的通信手段，可以将电网数据实时快速更新到控制中心或云服务器，从而越来越普遍的使用在某些领域中。此外，低功耗蓝牙（BLE），得益于其无线连通性以及对终端数量的限制较少带来的良好扩展性，变得越来越普及。所有这些通信协议都可能成为当前或下一代设计的关键功能，因此，这也会对处理器选型、考量外设以及软件操作系统时带来更大的挑战，尤其是当诸如BLE等无线通信带来堆栈移植等软件开发任务时，拥有成熟且支持度较高的软件操作系统（比如Linux）支持，有助于轻松移植BLE或其他所需的堆栈，就变得尤为重要。

图1所示的Sitara™AM3352处理器拥有着非常丰富的接口资源（6个UART、2个以太网端口、3个SPI），使用主线Linux，且对软件开发具有广泛的社区支持，可满足数据集中器的各类接口要求且拥有良好的可扩展性，是集中器平台的上佳选择。

图1：Sitara Arm® Cortex®-A8 处理器

提高电网监控效率

为了能及时获取电网状态的更新，确保电网实时监控的效率，行业对通信的实时性需求越来越高。现阶段，由于终端设备的采样速度和精度的提升，终端的通信数据量也随之增加，因此也带来了更高的数据处理能力需求。此外，我们发现在国内的一些场景中，智能化电网的发展迅速，一些智能设备已经具备了如谐波分析等功能，以实现电能质量分析、管理检测电网状态，并能够检测出未经授权的终端设备连接。这就使得除可靠性外，对处理器的性能提出了新的挑战。Sitara AM3352设备可通过高达1GHz的高性能Cortex-A8内核来应对这些性能挑战。与先前在市场上占据主导地位的ARM9设备相比，Arm Cortex-A8设备在相同频率级别的DMIPS方面的性能几乎提高了一倍。具有工业温度范围支持的AM3352可作为可靠且扩展性良好的平台，以相同的硬件设计满足不同级别的数据处理需求，因为它为同一封装中提供了300、600、800和1000MHz的不同CPU频率选择。

用于保护电网设备的安全保护功能

与大多数Sitara处理器一样，AM3352提供的安全功能可确保数据集中器在电网网络中的通信安全。具体而言，AM3352内置AES、SHA、RNG的硬件加密加速器，为产品的通信安全方案提供了有效的实现方法。除加密功能外，AM3352还支持高级安全启动，可保护您的软件和系统安全，免遭黑客入侵。所有这些安全功能都提供了保护电网设备的可靠方法。

中国数据集中器2.0标准

智能电网应用在中国发展及其迅速。各种智能终端设备都能有效监视电网、实时报告电网状态并实现故障检测功能。由此带来的海量数据传输和处理，都对当前的数据集中器设计带来更多挑战。

在目前投入使用的数据集中器中，大多数设计都是基于内核性能在300MHz〜400MHz左右的ARM9器件。在过去，常使用单通道交流采样，采样速度较为有限，且无需复杂的采样处理。因此，在设计时仅采用诸如RS485的低速通信即可满足设计需求，较差的设计可扩展性，及较低的存储容量要求（通常小于128 Mb）等短板也并未凸显出任何问题。

但是，为了满足智能电网设备升级带来的性能提升需求，国家电网很快会发布数据集中器2.0标准。这些升级需考量使用测量水、电、气和热的四合一仪表进行数据传输的趋势，同时还需支持电能质量分析和管理功能，这些都需要采样速度大幅提高。为了实时监测，采样间隔会缩短至1分钟，从而导致数据量的大幅增加。而以往数据处理器上的DDR和闪存容量将不足以支持如此规模的数据量，因此需要进行处理器平台的升级。此外，还需要考虑诸如M_BUS，CAN，WIFI等更有效的通信标准的支持，以符合未来数据集中器2.0标准的高速通信需求。

总之，在未来发布的数据集中器2.0标准中，将会需要更为强大的处理器。ARM的最低频率为800MHz。一些性能指标也呼之欲出，如：当CPU负载<40％时，它应为系统提供足够的性能并保证正常运行；内部总线速度也应高于100 Mbps，以确保实时功能；而存储容量至少需要4 Gb才能存储大数据流；为了在某些情况下及时获得状态更新，目标采样间隔的最小值为1分钟。

AM3352处理器，以其高达1GHz的器件系列可成为您新一代集中器中的核心处理器平台，轻松满足数据集中器2.0标准中的高性能要求。除TI官方提供的参考设计之外，您还可以利用TI现有的第三方设计资源来创建基于AM3352的模块系统（SoM）或整体解决方案。

结论

德州仪器的Sitara处理器AM3352提供可扩展性较高的可靠平台，提供了丰富的外设资源，可满足不同的性能需求、安全功能，作为处理器平台而言，支持RS485、以太网、BLE等多种通信协议（包括SPI和CAN），是您数据集中器的良佳选择。为帮您入门，德州仪器提供了TMDXEVM3358评估模块（EVM），可轻松进行数据集中器开发设计。此外，Linux软件开发套件（SDK）为评估板提供了相关的全套启动镜像，以便客户可直接在EVM上测试CPU性能和外设接口功能。 

图2：Sitara TMDXEVM3358评估模块

此外，另一个参考设计是Beaglebone Black 开发套件。该套件提供46管脚双排扩展接头，使客户能够灵活测试芯片上的任何功能。