基于ARM單片機的網(wǎng)絡化電能表設計

引言

目前，測量儀表正向網(wǎng)絡化方向發(fā)展，每一個單獨的嵌入式儀表都將成為Internet上的一個節(jié)點。本系統(tǒng)在ARM+RTOS的方式下實現(xiàn)了電子式電能表的網(wǎng)絡化，硬件平臺以ARM核微控制器LPC2104為核心，軟件系統(tǒng)則是在mC/OS-II操作系統(tǒng)下開發(fā)的。

系統(tǒng)硬件設計

LPC2104是Philips公司推出的一款以ARM7TDMI-S為核心的32位微控制器。LPC2104內(nèi)部集成了很多功能，包括128k字節(jié)的高速Flash存儲器、雙UART、多個32位定時器，以及SPI、I2C串行接口和RTC等。其中UART1帶有完全的調(diào)制解調(diào)器接口，可以用于網(wǎng)絡產(chǎn)品。

CS5460是Cirrus Logic 公司的單相功率/電能計量芯片，帶有串行接口。CS5460集成度很高，里面包含了兩個△∑ADC、高/低通數(shù)字濾波器、能量計算單元、串行接口和數(shù)字—頻率轉(zhuǎn)換器等。CS5460將它測得和計算出的結果分別保存在它的各個寄存器中，而能量值則通過脈沖輸出給CPU，還可以驅(qū)動計度器。

該網(wǎng)絡化儀表的工作原理是：首先由采樣電路將輸入的大電流/電壓轉(zhuǎn)化為CS5460能夠接收的小電壓信號。CS5460根據(jù)采樣的電流/電壓計算出電能，然后將電流、電壓、電能和功率等通過三線雙向串行接口傳送給CPU(能量值通過脈沖輸出)，CPU根據(jù)鍵盤的輸入指令在液晶顯示器上顯示結果或者通過串口將結果傳送到Internet上。LPC2104本身既作為CS5460的控制器，又作為嵌入式網(wǎng)關，實現(xiàn)了電能表的遠程通信功能。本系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。

CS5460只能接收小于150mV的小電壓信號，在采樣電路部分應選擇適當?shù)碾娏?電壓互感器，將輸入的電流/電壓轉(zhuǎn)換到CS5460能夠接收的電壓范圍。

在電壓采樣電路中，取入的電壓經(jīng)過電壓互感器降壓、隔離，然后通過低通濾波。最后端的電容C1表現(xiàn)出很大的阻抗，用于取電壓。電流采樣電路比電壓采樣電路多了取樣電阻R5。R5用于將從電流互感器出來的電流轉(zhuǎn)換為電壓。采樣電路如圖2、圖3所示。

CS5460與LPC2104以標準SPI接口，非常容易。由于CS5460是以定寬變頻脈沖輸出能量值，因此將其能量輸出引腳與LPC2104的一個外部中斷引腳相連，用來收集能量值。
由于電能的累計值以及校準常數(shù)需要保存到EEPROM中，所以擴展一片24C16用來保存這些數(shù)值。LPC2104本身帶有I2C接口，擴展EEPROM非常容易。

LPC2104的UART1口帶有完全的調(diào)制解調(diào)器接口。由于電能表接入Internet所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，因此可以選用低速的modem芯片，這里選用OKI公司的MSM7512B。MSM7512B是1200bps半雙工的FSK調(diào)制解調(diào)器。采用3~5V單電源工作，功耗較低。

另外需要注意的是CS5460輸入/輸出信號均為5V，而LPC2104的信號為3.3V，因此兩者之間需要加上電平轉(zhuǎn)換電路。

系統(tǒng)軟件設計

ARM應用系統(tǒng)可以基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺，也可以不使用操作系統(tǒng)，直接通過啟動代碼啟動。為了方便實現(xiàn)網(wǎng)絡化功能，本系統(tǒng)選擇基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺的方式。嵌入式實時操作系統(tǒng)mC/OS-II在裁剪之后僅有50KB左右，考慮到LPC2104內(nèi)部就有128K的Flash存儲器，故可以選擇在其中移植mC/OS-II。

首先需要將mC/OS-II操作系統(tǒng)移植到LPC2104微處理器上。為了便于移植，mC/OS-II的源代碼大部分是用C語言寫的，移植過程中只需要重寫少數(shù)幾個與處理器直接相關的文件就可以了。 LPC2104上移植mC/OS-II已經(jīng)有成功的實例，可以從網(wǎng)上得到。

mC/OS-II本身并不支持網(wǎng)絡功能。為了實現(xiàn)電能表的網(wǎng)絡化，還需要移植TCP/IP協(xié)議。由于此嵌入式系統(tǒng)本身的功能比較單一，因此可以選擇簡單的嵌入式協(xié)議棧，將不需要用到的協(xié)議去掉。由于電能表需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但可靠性要求較高，因此在傳輸層應該選用可靠數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議TCP，在網(wǎng)絡層選用基本數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議IP。

軟件部分主要實現(xiàn)以下功能：

1. 數(shù)據(jù)采集及計算。計算部分主要由CS5460完成，當發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換的命令之后，延時適當?shù)臅r間，就可以從相應的寄存器中讀出所需要的測量值。電能值是以脈沖形式傳送給CPU的。有效功率的測量是通過對1秒的脈沖進行計數(shù)實現(xiàn)的。例如可以編程控制CS5460每轉(zhuǎn)換10焦耳的能量時產(chǎn)生一個脈沖，然后以脈沖計數(shù)乘以10計算出有效功率。每隔幾分鐘，電流累計能量會被寫入24C16串行EEPROM。這樣可以保存經(jīng)過的時間內(nèi)的所有能量。 校準常數(shù)也保存在24C16中。當系統(tǒng)重新上電的時候，這些校準常數(shù)會被從24C16中讀出并且寫回CS5460。
2. 按鍵管理及液晶顯示。由于LPC2104的總線不開放，給驅(qū)動液晶顯示帶來一定的不便，但可以以普通I/O口模擬總線時序進行操作。
3. 系統(tǒng)校準。在校準之前，應該使CS5460處于有效操作狀態(tài)，并且通過SPI接收有效命令，清除狀態(tài)寄存器中的數(shù)據(jù)準備就緒位(DRDY)；然后，給電壓和電流的輸入通道施加相應的校準信號；接著，通過SPI接口向CS5460發(fā)送8位的校準命令字；最后，在相應的校準寄存器中保存校準結果，并且置位DRDY位以通知CS5460校準結束。校準模塊主要提供一個管理界面，用戶可以通過這個界面對電流表的電壓、電流、功率等參數(shù)進行校正，并把校正后的數(shù)據(jù)保存。
4. 網(wǎng)絡通信。需要發(fā)出AT指令對modem進行控制，并且產(chǎn)生符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)流。發(fā)送數(shù)據(jù)時，應用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)TCP/IP協(xié)議棧封裝之后，再利用下層的PPP協(xié)議封裝為PPP幀，然后通過異步串行口驅(qū)動程序?qū)PP幀發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)時，由異步串口驅(qū)動程序負責接收數(shù)據(jù)。然后由TCP模塊和IP協(xié)議模塊對數(shù)據(jù)進行處理，將用戶數(shù)據(jù)交給應用程序。

mC/OS-II屬于搶先式剝奪型實時內(nèi)核，永遠保證優(yōu)先級最高的就緒任務的運行。mC/OS-II可以完成各任務之間的調(diào)度和同步，協(xié)調(diào)硬件資源。各個任務之間通過信號量、郵箱、消息隊列等通信機制進行數(shù)據(jù)共享及任務通信?；趍C/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)平臺編程的關鍵在于任務的劃分以及優(yōu)先級的確定。該系統(tǒng)的任務劃分如圖4所示。

各任務的優(yōu)先級為：過流過壓保護gt;數(shù)據(jù)處理gt;實時時鐘gt;數(shù)據(jù)存儲gt;遠程通信。

結語

本文介紹的網(wǎng)絡化電能表軟件系統(tǒng)是在嵌入式操作系統(tǒng)平臺下開發(fā)的，便于單個任務調(diào)試，單個任務的錯誤不會導致整個系統(tǒng)的崩潰。傳統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡產(chǎn)品需要專門的網(wǎng)關以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸，本系統(tǒng)則實現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)關與測量控制部分的一體化，這是以后實現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品上網(wǎng)的趨勢