基于STM32 的电力通信数据采集系统设计

张华健，吉宏生，于 波，高 鹏，崔 航

（1.国网陕西省电力公司延安供电公司，陕西延安 716000；2.国网陕西省电力公司安监部，陕西 西安 710048）

STM32 是一类低功耗、低成本、高性能型嵌入式ARM 元件的统称，在电力应用系统中，可与微控制器设备直接相连，从而使得存储器性能得到有效促进，并最终实现对设备引脚数量的较好控制。在CAN2.0B 与USB OTG 接口的作用下，STM32 元件外部增设了以太网型MAC 模块，可在联合MII 与RMII线型应用结构的同时，对外部PHY 芯片内的存储信息进行精准读取[1-2]。在整个执行过程中，STM32 芯片始终能够直接驱动外部以太网PHY 层芯片，从而为客户端主机节省多个附加晶振连接设备。

电力通信系统能够较好维护电表设备与集中器元件之间的数据采集关系，从而使外部电力通信环境得到较好维护。传统无线型数据采集系统在神经网络算法的支持下，对电力数据的通信安全性进行定向统计，再借助DES 加密原理提升传输信息的安全通信能力。然而，该系统在应用稳定性方面的实用性能力较差，并不能较好满足电力通信环境的实际应用需求。为解决该问题，设计基于STM32 的电力通信数据采集系统，借助无线传输电路、微控制器模块等硬件执行结构，对通信任务的有线级条件进行设定，从而实现对通信任务传输量数值的精准计算。

1 系统硬件设计

电力通信数据采集系统的硬件执行环境由无线传输电路、电力集中器和通信电表、微控制器模块3部分组成，具体搭建方法如下。

1.1 无线传输电路

无线传输电路能够提供电力通信数据采集系统所需的应用电子量，且在电功率保持为M的情况下，可对已接入电阻的实际数值水平进行实时调试，从而使得整个电路环境中的电流传输形式始终保持相对稳定的应用状态。无线传输电路结构如图1 所示。电阻R1、R2、R3、R4分属于不同的电路连接区间，在不同电量传输环境下，这些电阻可自发改变自身已接入的阻值水平，并通过递归调试的方式，使整个电路组织内的传输电流水平时刻保持稳定状态[3-4]。C1、C2、C3作为3 个相互独立的电容设备元件，可在L1、L2两个电导设备的作用下，对电路内部的传输电流进行驱动性调试，从而使STM32 芯片能够获得更高水平的传输电压数值量。

图1 无线传输电路结构

1.2 电力集中器和通信电表

电力集中器和通信电表是一个相互融合的配网型电子量执行设备，可借助主CPU 设备建立模块主机与无线传输电路间的输入连接关系，从而使得电力通信数据能够直接传输至下级应用设备结构体之中[5]。在STM32 电网芯片的作用下，主CPU 设备中的输出信息可直接经过电力主机的二次变压处理，从而使得通信传输主机的高压端设备能够分得更多的传输电子量信息。随着电网高低压端口之间压降差数值的提升，系统通信按键的占用状态也会逐渐趋于频繁，在此情况下，无线传输电路会快速进入充电连接状态，一方面能够较好地满足状态显示模块内的电子通信需求；另一方面使电量通信信息可在集中器设备中进行快速聚合[6-7]。电力集中器和通信电表结构如图2 所示。

图2 电力集中器和通信电表结构

1.3 微控制器模块

微控制器模块是位于电力通信数据采集系统中的最底层应用执行设备，由DMA 信息寄存器、传输采集量寄存器两部分组成[8]。随着AHB 通信接口扩张能力的增强，DMA 信息寄存器内存储的电力通信数据总量也会逐渐增大，在此情况下，传输采集量寄存器的应用能力会出现明显增强的变化趋势，直至将所有处于散乱分布形式的电力数据信息全部转存至电力通信以太网主机中[9-10]。由于STM32 芯片结构体的存在，微控制器模块中的信息接收端口与信息发送端口始终处于相对活跃的连接状态，当电力数据矩阵的实时应用需求得到满足后，这些通信数据信息才会被完整转存至下级采集设备结构体之中。微控制器模块结构如图3 所示。

图3 微控制器模块结构

2 系统软件设计

遵照系统硬件执行结构的设计需求，通过通信任务有线级设定、STM32 型USB 数据固件库连接、通信任务传输量确定的处理流程，完成系统的软件执行环境搭建，两相结合，实现基于STM32 电力通信数据采集系统的顺利应用。

2.1 通信任务有线级设定

在基于STM32 芯片进行电力通信任务有线级设定时，数据采集器能否合理完成最初的信息划分任务，取决于现有存储信息能否被电力通信主机直接调用。通信任务有线级设定不仅仅需要从系统执行功能的角度进行考虑，还需要规定信息数据参量的最高存储数量级水平。在这种操作思想的约束下，系统USB 数据固件库的存储需求基本可以保持长期稳定且平衡的应用状态，这也是新型数据采集系统能够稳定电表设备与集中器结构体之间通信与采集关系的主要原因[11-12]。设i代表电力通信任务的有线级设定系数，j代表电力通信任务的采集量关系系数，联立上述物理量，可将数据采集系统的通信任务有线级设定条件表示为：

其中，wij、rij代表满足i、j数值条件的两个不相等的电力通信数据定义项。

2.2 STM32型USB数据固件库

USB 数据固件库是存储于STM32 可编程存储器上的一段完整的解析程序，是整个数据采集系统中最为重要的信息处理软件，具备较强的数据协调与数据控制能力。在采集系统的软件执行环境中，USB 数据固件库的应用能力直接决定了系统对于电力通信数据的采集与处理性能。STM32 主机主要依靠USB 数据固件库来描述电力通信数据的传输适应性能力，且其描述行为需要借助字符串、采集信息等多个物理量的共同配合[13-14]。通常情况下，当USB 数据固件库能够保持长期稳定连接状态时，STM32 型应用主机才能在较短时间内达到极大值输出状态。设φ代表既定的电力通信数据采集系数，联立式（1），可将STM32 型USB 数据固件库的连接条件定义为：

式中，f代表通信数据信息的传输特征权限值，代表通信数据信息的传输时间均值。

2.3 通信任务传输量

确定通信任务传输量需要在微控制器模块的配合下准确实现，且随着通信数据包解析指令的进行，系统主机能够直接截取待采集的数据信息操作指令。由于STM32 芯片的影响，通信数据传输量水平基本能够长期维持相对稳定的数值状态，因此，为获得准确的数值计算结果，需要在统计电力通信数据传输量级水平的同时，对电力集中器、通信电表等硬件设备结构的应用能力进行精准统计，一方面可避免电力通信数据采集堆积行为的出现；另一方面也可使系统内的信息统计能力在短时间内达到最大值状态[15-16]。设β、λ分别代表两个不同的通信数据采集系数项指标，联立式（2），可将通信任务传输量表达式定义为：

其中，l1、l2代表两个不相等的电力通信数据特征值。至此，实现各项系数应用指标的计算与处理，在不出现其他干扰影响条件的情况下，完成基于STM32 的电力通信数据采集系统设计。

3 系统实用性研究

以图4 所示采集环境作为实验背景，分别将实验组、对照组采集主机与存储服务器设备相连，在整个实验过程中，实验组实施方法遵循基于STM32 的电力通信数据采集系统，对照组实施方法则遵循传统无线型数据采集系统，记录实验过程中所产生的各项指标系数值，以用于后续的实验数据研究与分析。

图4 电力通信数据采集环境

UTR 指标反映了电表设备所具备的数据信息采集与通信能力，一般情况下，UTR 指标数值越大，电表设备所具备的数据信息采集与通信能力也就越强，反之则越弱。表1 记录了实验组、对照组UTR 指标的具体数值变化情况[17-19]。

表1 UTR指标数值对比表

结合表1 中的指标记录数值可知，实验组UTR指标的阶段性极大值为82.9%，基本变化规律保持为连续上升。对照组UTR 指标的变化趋势则遵循下降、上升交替的情况，阶段性极大值为50.5%，与实验组最大值相比，下降了32.4%。综上可知，基于STM32 的电力通信数据采集系统具备增大UTR 指标的实际处理作用，符合提升电表设备所具备的数据信息采集与通信能力的实际应用需求。

DPR 指标反映了集中器结构体所具备的数据信息采集与通信能力，一般情况下，DPR 指标数值越大，集中器结构体所具备的数据信息采集与通信能力也就越强，反之则越弱。表2 记录了实验组、对照组DPR 指标数值变化的具体情况。

以表2 指标数值作为分析基础可知，对照组DPR 指标阶段性极大值为81.7%，指标数值基本保持平稳波动的变化情况。对照组DPR 指标基本上呈现连续下降的变化状态，阶段性极大值为62.7%，后者相比前者下降了19.0%。由此可认为，基于STM32的电力通信数据采集系统也具备增大DPR 指标的实际处理作用，符合提升集中器结构体所具备的数据信息采集与通信能力的实际应用需求。

表2 DPR指标数值对比表

4 结束语

与传统无线型数据采集系统相比，新型电力通信数据采集系统在STM32 芯片的作用下，重新规划了无线传输电路、微控制器模块等多个硬件执行设备，不仅能够实现对通信任务有线级条件的准确设定，也可获得相对较为可靠的通信任务传输量计算结果。从实用性角度来看，UTR 指标与DPR 指标数值的提升，不但增强了电表设备、集中器结构体所具备的数据信息采集与通信能力，也可对电力通信环境进行有效保护，具备较强的实际应用与处理能力。