基于ARM單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化電能表設(shè)計(jì)

引言

目前，測(cè)量?jī)x表正向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，每一個(gè)單獨(dú)的嵌入式儀表都將成為Internet上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)在ARM+RTOS的方式下實(shí)現(xiàn)了電子式電能表的網(wǎng)絡(luò)化，硬件平臺(tái)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(shè)計(jì)

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(chǔ)器、雙UART、多個(gè)32位定時(shí)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(luò)產(chǎn)品。

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

該網(wǎng)絡(luò)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(hào)。CS5460根據(jù)采樣的電流/電壓計(jì)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(jié)果或者通過串口將結(jié)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(guān)，實(shí)現(xiàn)了電能表的遠(yuǎn)程通信功能。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CS5460只能接收小于150mV的小電壓信號(hào)，在采樣電路部分應(yīng)選擇適當(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)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(gè)外部中斷引腳相連，用來收集能量值。
由于電能的累計(jì)值以及校準(zhǔn)常數(shù)需要保存到EEPROM中，所以擴(kuò)展一片24C16用來保存這些數(shù)值。LPC2104本身帶有I2C接口，擴(kuò)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(hào)均為5V，而LPC2104的信號(hào)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(shè)計(jì)

ARM應(yīng)用系統(tǒng)可以基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)，也可以不使用操作系統(tǒng)，直接通過啟動(dòng)代碼啟動(dòng)。為了方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化功能，本系統(tǒng)選擇基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)的方式。嵌入式實(shí)時(shí)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(chǔ)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(gè)與處理器直接相關(guān)的文件就可以了。 LPC2104上移植mC/OS-II已經(jīng)有成功的實(shí)例，可以從網(wǎng)上得到。

mC/OS-II本身并不支持網(wǎng)絡(luò)功能。為了實(shí)現(xiàn)電能表的網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)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(yīng)該選用可靠數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議TCP，在網(wǎng)絡(luò)層選用基本數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議IP。

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1. 數(shù)據(jù)采集及計(jì)算。計(jì)算部分主要由CS5460完成，當(dāng)發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的命令之后，延時(shí)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，就可以從相應(yīng)的寄存器中讀出所需要的測(cè)量值。電能值是以脈沖形式傳送給CPU的。有效功率的測(cè)量是通過對(duì)1秒的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。例如可以編程控制CS5460每轉(zhuǎn)換10焦耳的能量時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，然后以脈沖計(jì)數(shù)乘以10計(jì)算出有效功率。每隔幾分鐘，電流累計(jì)能量會(huì)被寫入24C16串行EEPROM。這樣可以保存經(jīng)過的時(shí)間內(nèi)的所有能量。 校準(zhǔn)常數(shù)也保存在24C16中。當(dāng)系統(tǒng)重新上電的時(shí)候，這些校準(zhǔn)常數(shù)會(huì)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(dòng)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(shí)序進(jìn)行操作。
3. 系統(tǒng)校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)之前，應(yīng)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(zhǔn)備就緒位(DRDY)；然后，給電壓和電流的輸入通道施加相應(yīng)的校準(zhǔn)信號(hào)；接著，通過SPI接口向CS5460發(fā)送8位的校準(zhǔn)命令字；最后，在相應(yīng)的校準(zhǔn)寄存器中保存校準(zhǔn)結(jié)果，并且置位DRDY位以通知CS5460校準(zhǔn)結(jié)束。校準(zhǔn)模塊主要提供一個(gè)管理界面，用戶可以通過這個(gè)界面對(duì)電流表的電壓、電流、功率等參數(shù)進(jìn)行校正，并把校正后的數(shù)據(jù)保存。
4. 網(wǎng)絡(luò)通信。需要發(fā)出AT指令對(duì)modem進(jìn)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(shí)，應(yīng)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(dòng)程序?qū)PP幀發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)時(shí)，由異步串口驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。然后由TCP模塊和IP協(xié)議模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將用戶數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序。

mC/OS-II屬于搶先式剝奪型實(shí)時(shí)內(nèi)核，永遠(yuǎn)保證優(yōu)先級(jí)最高的就緒任務(wù)的運(yùn)行。mC/OS-II可以完成各任務(wù)之間的調(diào)度和同步，協(xié)調(diào)硬件資源。各個(gè)任務(wù)之間通過信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等通信機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)共享及任務(wù)通信。基于mC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)編程的關(guān)鍵在于任務(wù)的劃分以及優(yōu)先級(jí)的確定。該系統(tǒng)的任務(wù)劃分如圖4所示。

各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為：過流過壓保護(hù)gt;數(shù)據(jù)處理gt;實(shí)時(shí)時(shí)鐘gt;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)gt;遠(yuǎn)程通信。

結(jié)語

本文介紹的網(wǎng)絡(luò)化電能表軟件系統(tǒng)是在嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)下開發(fā)的，便于單個(gè)任務(wù)調(diào)試，單個(gè)任務(wù)的錯(cuò)誤不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。傳統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品需要專門的網(wǎng)關(guān)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，本系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)關(guān)與測(cè)量控制部分的一體化，這是以后實(shí)現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品上網(wǎng)的趨勢(shì)