基于ARM7 LPC2148便攜式抄表器的設計

在自動抄表系統(tǒng)中，除了使用RS485總線、電力線載波或電話線進行數(shù)據(jù)通訊外，有些時候需要工作人員到現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，便攜式抄表器作為十分便捷的現(xiàn)場抄表工具，是自動抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集手段的一個十分有效的補充，有著十分廣闊的市場前景。

1 智能電表抄表系統(tǒng)簡介

智能電表抄表系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，智能電表通過采集器連接到集中器上，集中器每隔一定的時間（具體時間可以設置）對電表采集一次數(shù)據(jù)，并保存到集中器中的存儲器里，集中器通過電力線載波或者電話線可以直接將采集到的數(shù)據(jù)上傳給系統(tǒng)主機，便攜式抄表器的主要任務是用自己的指令解釋并運行上位機所編的程序，現(xiàn)場采集集中器或者智能電表的數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，通過抄表器上的USB接口可以將數(shù)據(jù)傳輸給計算機由計算機進行處理、存檔。從而實現(xiàn)電表到計算機的數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、處理、打印等工作，免去了大量的手工勞動，極大地提高了勞動效率。

便攜式抄表器作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的必要工具。他有鍵盤輸入，可以手動查詢、更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)；大屏幕LCD點陣顯示，良好的人機對話界面；512 kB FLASH RAM，用于存放系統(tǒng)配置文件、程序及數(shù)據(jù)庫文件；1個RS 232接口，一個USB接口，1個紅外轉(zhuǎn)發(fā)器，實現(xiàn)與智能電表、集中器的有線或紅外通訊。RS 232和紅外接口完成對每個電表的數(shù)據(jù)采集工作，并可通過該接口對集中器或智能電表進行設置、修改。USB接口完成同計算機的通訊，可以將抄表器中的數(shù)據(jù)傳送給計算機，也可以接收計算機下傳的程序文件及其他系統(tǒng)配置文件。

2 基于ARM7 LPC2148便攜式抄表器的硬件設計

LPC2148是Philip公司推出的基于ARM7 TDMI內(nèi)核的精簡指令系統(tǒng)的32位高速處理器。他的工作電壓為3.3 V，內(nèi)核工作電壓僅為2.5 V，大大降低了芯片的功耗。他主要帶有32 kB+8 kB與USB DMA共用的片內(nèi)靜態(tài)RAM和512 kB的片內(nèi)FLASHI程序存儲器。128位寬度接口／加速器可實現(xiàn)高達60 MHz工作頻率?？赏鈹UEPROM，SDRAM，F(xiàn)LASH，RAM，USB，LCD；通過片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程／在應用編程(ISP／IAP)。單個FLASH扇區(qū)或整片擦除時間為400 ms。256字節(jié)編程時間為1 ms；6路PWM調(diào)制輸出，可用于控制蜂鳴器輸出不同聲音，提示系統(tǒng)各類信息；USB 2.O全速設備控制器具有2 kB終端RAM。此外，LPC2148提供8 kB的片內(nèi)RAM，可通過DMA訪問USB；14路10位A／D轉(zhuǎn)換器，可用于系統(tǒng)電池檢測；低功耗實時時鐘(RTC)具有獨立的電源和特定的32 kHz時鐘輸入，可用于紀錄抄表時間；多個串行接口，包括2個UART(16C550)、2個高速I2C總線(400 kb／s)、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP；2種低功耗模式：空閑和掉電。根據(jù)需要設置不同的工作方式，可以降低系統(tǒng)功耗。

便攜式抄表器以PLC2148控制單元為核心，主要由電源供給電路、紅外通信電路、鍵盤顯示電路、數(shù)據(jù)存儲電路、RS 232接口電路、USB 2.O計算機接口電路和能源控制電路等部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

考慮到便攜式抄表器的低功耗、經(jīng)濟高效、性能穩(wěn)定、接口電路簡單和自動化程度高等特點，因此，選擇合適的電路芯片至關(guān)重要。

2.1 RS 232接口電路

RS 232串口電路，采用MAXIM公司的MAX3111E串行異步收發(fā)器，硬件上無需任何其他外圍器件，使用一個芯片即可實現(xiàn)UART接口的微控器與PC進行異步數(shù)據(jù)傳輸。同時其3.3 V供電性能更是適合低功耗設備的應用。

考慮到抄表工作人員會隨時到現(xiàn)場進行對集中器的數(shù)據(jù)讀取和參數(shù)設置，而集中器一般都帶有RS 232接口，故在抄表器中設計RS232接口電路是必須的，因LPC2148的2個UART口已經(jīng)被占用，所以考慮采用SPI接口，通用PC機的RS232接口為通用異步接口UART，而SPI則為同步串行協(xié)議，所以必須考慮同步與異步之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中采用MAX3111E串行異步收發(fā)器來實現(xiàn)，其接口電路如圖3所示。

LPC2148的MOSI1與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線，MISO1與DOUT連接為接收數(shù)據(jù)線，MAX3111E的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，從而利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)UART到RS232電平的轉(zhuǎn)換，MAX3111E的中斷信號（IRQ）與LPC2148的外部中斷ENT1相連，以便當集中器有數(shù)據(jù)向系統(tǒng)傳輸時，直接給LPC2148一個中斷信號并執(zhí)行相應的程序即可，RS232接口一般為9針，選用DB9，除5腳接地外，2、3、7、8分別接MAX3111E的T2OUT，R1IN，R2IN和T1OUT。

2．2 紅外通訊接口電路

通過紅外通訊進行抄表是便攜式抄表器的主要功能之一，也能真正體現(xiàn)其方便快捷的優(yōu)勢，紅外通信是利用950nm近紅外波頓的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道，發(fā)送端采用脈時調(diào)制（PPM）方式，將二進制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)動紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送出去，接收端將接收到的光脈轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過放大，濾波等處理后送給解調(diào)電路進行解調(diào)，還原為二進制數(shù)字信號后輸出。

紅外發(fā)射管選用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來向外發(fā)射950nm的紅外光束，紅外接收電路選用Vishay公司生產(chǎn)的專用紅外接收模塊TSOP173。該接收模塊是一個3端元件，使用單電源+5V單元，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其他波長（950nm以外）的紅外光不敏感的特點。

紅外發(fā)送器的工作原理為：串行數(shù)據(jù)由LPC2148的串行輸出端TXD1送出并于P0.21口產(chǎn)生的頻率為38KHz的脈沖序列通過或非門調(diào)制成38kHz的載波信號，并利用兩個紅外發(fā)射管D1和D2以光脈沖的形式向外發(fā)送。數(shù)位“1”使T1管截止，紅外發(fā)射管D1和D2不發(fā)射紅外光。若傳送的波特率設為1 200 b／s，則每個數(shù)位“O”對應32個載波脈沖調(diào)制信號的時序，如圖4所示。

TSOP1738的工作原理為：首先，通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由前級放大器和自動增益控制電路進行放大處理；然后，通過帶通濾波器和進行濾波，濾波后的信號由解調(diào)電路進行解調(diào)；最后，由輸出級電路進行反向放大輸出，由LPC2148的RXD1口接收。

2.3 USB接口電路

USB是一種4線串行總線，支持一個主機同多個外設之間的通信。LPC2148帶有USB設備控制器，該控制器使能與USB主機控制器之間12 Mb／s的數(shù)據(jù)傳輸。他由寄存器接口、串行接口引擎、端點緩沖存儲器和DMA控制器組成。串行接口引擎對USB數(shù)據(jù)流進行譯碼，并將數(shù)據(jù)寫入相應的端點緩沖存儲器。結(jié)束后的USB傳輸或錯誤條件的狀態(tài)由狀態(tài)寄存器來指示，若中斷使能則產(chǎn)生中斷。

便攜式抄表器采用USB 2.O通訊協(xié)議，實現(xiàn)其與上位機的通訊，主要包括抄表器向上位機傳輸抄表數(shù)據(jù)以及上位機對抄表器的升級及管理。接口電路如圖5所示。

2.4 LCD接口電路

LCD顯示電路，采用HS12864—16A，他是內(nèi)部不帶字符發(fā)生器的3 V液晶模塊。顯示屏由128