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          基于ARM7 LPC2148便攜式抄表器的設計

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          作者:北京交通大學電氣工程學院 曹興華,申萍 時間:2007-01-30 來源:現(xiàn)代電子技術 收藏
          自動抄表系統(tǒng)(Automatic Meter Reading System,AMRS)是一種不需要人員到達現(xiàn)場就能完成抄讀用戶用電量的智能化管理系統(tǒng),近年來,這一技術在國內(nèi)外應運而生,而發(fā)展非常迅速,他的最終目的是自動、集中、定時地抄錄各用戶的用電量,這對于提高電力部門的管理水平和經(jīng)濟效益有著十分重要的意義。

          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 便攜式抄表器的硬件設計

          是Philip公司推出的基于 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,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



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