基于ARM7 LPC2148便攜式抄表器的設(shè)計(jì)

自動(dòng)抄表系統(tǒng)（automatic meter reading system，amrs）是一種不需要人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)就能完成抄讀用戶(hù)用電量的智能化管理系統(tǒng)，近年來(lái)，這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)運(yùn)而生，而發(fā)展非常迅速，他的最終目的是自動(dòng)、集中、定時(shí)地抄錄各用戶(hù)的用電量，這對(duì)于提高電力部門(mén)的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益有著十分重要的意義。

在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，除了使用rs485總線、電力線載波或電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊外，有些時(shí)候需要工作人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，便攜式抄表器作為十分便捷的現(xiàn)場(chǎng)抄表工具，是自動(dòng)抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集手段的一個(gè)十分有效的補(bǔ)充，有著十分廣闊的市場(chǎng)前景。

1 智能電表抄表系統(tǒng)簡(jiǎn)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(guò)采集器連接到集中器上，集中器每隔一定的時(shí)間（具體時(shí)間可以設(shè)置）對(duì)電表采集一次數(shù)據(jù)，并保存到集中器中的存儲(chǔ)器里，集中器通過(guò)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(jī)，便攜式抄表器的主要任務(wù)是用自己的指令解釋并運(yùn)行上位機(jī)所編的程序，現(xiàn)場(chǎng)采集集中器或者智能電表的數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容，通過(guò)抄表器上的usb接口可以將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存檔。從而實(shí)現(xiàn)電表到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、處理、打印等工作，免去了大量的手工勞動(dòng)，極大地提高了勞動(dòng)效率。

便攜式抄表器作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的必要工具。他有鍵盤(pán)輸入，可以手動(dòng)查詢(xún)、更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)；大屏幕lcd點(diǎn)陣顯示，良好的人機(jī)對(duì)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(kù)文件；1個(gè)rs 232接口，一個(gè)usb接口，1個(gè)紅外轉(zhuǎn)發(fā)器，實(shí)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(duì)每個(gè)電表的數(shù)據(jù)采集工作，并可通過(guò)該接口對(duì)集中器或智能電表進(jìn)行設(shè)置、修改。usb接口完成同計(jì)算機(jī)的通訊，可以將抄表器中的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，也可以接收計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)

lpc2148是philip公司推出的基于arm7 tdmi內(nèi)核的精簡(jiǎn)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(chǔ)器。128位寬度接口／加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60 mhz工作頻率。可外擴(kuò)eprom，sdram，flash，ram，usb，lcd；通過(guò)片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程／在應(yīng)用編程(isp／iap)。單個(gè)flash扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400 ms。256字節(jié)編程時(shí)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(lèi)信息；usb 2.o全速設(shè)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(guò)dma訪問(wèn)usb；14路10位a／d轉(zhuǎn)換器，可用于系統(tǒng)電池檢測(cè)；低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘(rtc)具有獨(dú)立的電源和特定的32 khz時(shí)鐘輸入，可用于紀(jì)錄抄表時(shí)間；多個(gè)串行接口，包括2個(gè)uart(16c550)、2個(gè)高速i2c總線(400 kb／s)、spi和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(shè)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(pán)顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、rs 232接口電路、usb 2.o計(jì)算機(jī)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(jì)高效、性能穩(wěn)定、接口電路簡(jiǎn)單和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，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(wú)需任何其他外圍器件，使用一個(gè)芯片即可實(shí)現(xiàn)uart接口的微控器與pc進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)其3.3 v供電性能更是適合低功耗設(shè)備的應(yīng)用。

考慮到抄表工作人員會(huì)隨時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)集中器的數(shù)據(jù)讀取和參數(shù)設(shè)置，而集中器一般都帶有rs 232接口，故在抄表器中設(shè)計(jì)rs232接口電路是必須的，因lpc2148的2個(gè)uart口已經(jīng)被占用，所以考慮采用spi接口，通用pc機(jī)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(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)uart到rs232電平的轉(zhuǎn)換，max3111e的中斷信號(hào)（irq）與lpc2148的外部中斷ent1相連，以便當(dāng)集中器有數(shù)據(jù)向系統(tǒng)傳輸時(shí)，直接給lpc2148一個(gè)中斷信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)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(guò)紅外通訊進(jìn)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(shì)，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(shí)調(diào)制（ppm）方式，將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)動(dòng)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(hào)，再經(jīng)過(guò)放大，濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)后輸出。

紅外發(fā)射管選用vishay公司生產(chǎn)的tsal6238，用來(lái)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(zhuān)用紅外接收模塊tsop173。該接收模塊是一個(gè)3端元件，使用單電源+5v單元，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高、對(duì)其他波長(zhǎng)（950nm以外）的紅外光不敏感的特點(diǎn)。

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(guò)或非門(mén)調(diào)制成38khz的載波信號(hào)，并利用兩個(gè)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(shè)為1 200 b／s，則每個(gè)數(shù)位“o”對(duì)應(yīng)32個(gè)載波脈沖調(diào)制信號(hào)的時(shí)序，如圖4所示。

tsop1738的工作原理為：首先，通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前級(jí)放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理；然后，通過(guò)帶通濾波器和進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)；最后，由輸出級(jí)電路進(jìn)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(gè)主機(jī)同多個(gè)外設(shè)之間的通信。lpc2148帶有usb設(shè)備控制器，該控制器使能與usb主機(jī)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(diǎn)緩沖存儲(chǔ)器和dma控制器組成。串行接口引擎對(duì)usb數(shù)據(jù)流進(jìn)行譯碼，并將數(shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)的端點(diǎn)緩沖存儲(chǔ)器。結(jié)束后的usb傳輸或錯(cuò)誤條件的狀態(tài)由狀態(tài)寄存器來(lái)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(shí)現(xiàn)其與上位機(jī)的通訊，主要包括抄表器向上位機(jī)傳輸抄表數(shù)據(jù)以及上位機(jī)對(duì)抄表器的升級(jí)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128×64點(diǎn)陣組成，共有64行，分為8頁(yè)，每頁(yè)8行，每行128列。

考慮到gpio口資源有限，同時(shí)還有功耗問(wèn)題，我們采用了串行變換法來(lái)連接驅(qū)動(dòng)lcd模塊。加入／串入并出的移位寄存器74hc595，用lpc2148的gplo口復(fù)用spi功能或直接用gpio口模擬spi功能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，后者更加方便。下面用這種方式進(jìn)行說(shuō)明，同樣為方便，選用了連續(xù)的gpio口p0.0～p0.7，具體設(shè)計(jì)系統(tǒng)要按實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行配置。hs12864-16a的數(shù)據(jù)線為8條，所以存在于flash中的字模也是按8位存的，可由字模軟件得出，傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的時(shí)候要滿(mǎn)足以下時(shí)序：首先使d／i為高電平，r／w為低電平，接著將flash里的某個(gè)8位二進(jìn)制字模傳送到8個(gè)i／o口上，然后使能e模擬下降沿時(shí)序，把數(shù)據(jù)鎖存到液晶顯示器內(nèi)部的顯示存儲(chǔ)器中即可顯示。lcd與lpc2148的連接如圖6所示。

便攜式抄表器還包括鍵盤(pán)輸入、電池檢測(cè)等部分。比如鍵盤(pán)輸入部分：可以采用鍵盤(pán)掃描的方式，通過(guò)接入通用i／o口，循環(huán)檢測(cè)是否有鍵被按下，如有鍵被按下，則去除鍵抖動(dòng)，判斷鍵號(hào)并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理。電池檢測(cè)部分只要把來(lái)自電池部分的電壓連接到某個(gè)a／d口就可以了。如果所用的電池電壓高于lpc2148的工作電壓(3.3 v)，通過(guò)電阻分壓后再接到a／d口。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了集rs 485，rs 232，usb 2.0及紅外通訊為一體的抄表通訊方案。其中rs 485主要用于智能電表和集中器之間的通訊，rs232和紅外用于集中器和便攜式抄表器之間的通訊，而上位機(jī)和抄表器之間則是通過(guò)usb 2.0進(jìn)行通訊的。本文重點(diǎn)介紹了基于plc2148便攜式抄表器的設(shè)計(jì)。該抄表器具有攜帶方便，通訊便捷，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，可軟件升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。隨著智能抄表系統(tǒng)的不斷普及和發(fā)展，便攜式抄表器將會(huì)有更加廣闊的用武之地。