MCU+MPU雙處理器架構的電力饋線終端設計方案

目前市面上大多電力FTU產品均采用MCU+MPU雙處理器架構，以利用MCU的實時性和MPU上運行的穩定的網絡協議和文件系統資源。那么，我們是否可以把MCU+MPU的結構用一個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實現方案。

FTU全名是饋線終端設備，是配電自動化系統中重要的監控設備。具有遙控、遙信，故障檢測功能，并與配電自動化主站通信，提供配電系統運行情況和各種參數即監測控制所需信息，包括開關狀態、電能參數、相間故障、接地故障以及故障時的參數,并執行配電主站下發的命令，對配電設備進行調節和控制，實現故障定位、故障隔離和非故障區域快速恢復供電等功能。

FTU照片如下：

圖1 FTU

FTU硬件需要符合《DL/T721-2000 配電網自動化系統遠方終端》標準，軟件需要符合《IEC 60870-5-104:2009》傳輸規約。從以上2份標準和規約中可以提煉出FTU的3個關鍵實現技術點：

1、遙信SOE分辨率需要達到1ms以內；

2、軟件協議要求數據采用文件系統存儲方式，存儲空間需求數量級在50M字節左右；

3、要求最少2路以太網接口。

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

圖2 FTU框圖

下面我們就3個關鍵點逐一討論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確度及裝置時鐘處理方式。裝置最佳狀態量處理方式為中斷響應方式，以保證狀態量可打斷其它任務以最高優先級立即執行。

常規MPU運行的linux系統由于任務負載的不確定性，會導致中斷響應時間的不確定性，這樣就會造成裝置狀態量處理不及時，所以常規FTU方案中必須有一顆MCU運行的實時操作系統核心來處理狀態量，以達到1ms以內的SOE分辨率。

AW280核心板搭載的AWorks操作系統為實時操作系統，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時間不低于常規方案；另外AW280核心板采用的MPU的運行速度為454MHZ，是常規的MCU主頻的2倍以上，這就讓AW280的中斷響應會優于常規MCU處理方案，性能可以滿足之前MCU+MPU才能實現的SOE分辨率。

二、文件系統

IEC 60870-5-104:2009規定裝置需要提供文件服務，有詳細規定需要提供文件系統目錄查詢、文件讀寫、文件傳輸等功能。常規MCU對于文件系統操作的支持有限，所以常規方案中均會采用一顆MPU搭載linux系統來提供文件服務。

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

文件系統在AWorks系統中的位置見下圖：

圖3 文件系統在AWorks系統中的位置

三、以太網需求

FTU至少需要2路以太網來完成不同對象之間的通信，常規方案中MCU一般只具備一個網口，導致必須要多加一顆MPU來增加網絡接口。

AW280搭載的IMX280芯片本身具有2路以太網，并且AWorks系統默認支持雙網口。這在常規MCU上沒有，在常規的RTOS上也少見雙路以太網的支持。所以AW280可以滿足之前MCU+MPU才能實現的多網口功能。

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

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MCU+MPU方案。

圖4 AW280系列核心板