摘 要： 主要闡述了ARM微控制器在智能電網(wǎng)的入門級(jí)和中高級(jí)數(shù)據(jù)采集器中的應(yīng)用,，從而更好地完成智能家居控制功能。該設(shè)計(jì)方案充分利用了ARM微控制器的高性能和低耗電優(yōu)點(diǎn),，系統(tǒng)的擴(kuò)展性和升降級(jí)能力強(qiáng),，在智能家居市場(chǎng)應(yīng)用廣泛。
關(guān)鍵詞： ARM,；微控制器,；智能電網(wǎng)
入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器通常支持單相電力線，用途是采集自動(dòng)抄表系統(tǒng)（AMR）的數(shù)據(jù)或新式帶數(shù)字輸出的智能電表數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在采集器系統(tǒng)的閃存中（內(nèi)置或外置于微控制器本身）,，集中數(shù)據(jù)通過選定的通信接口在預(yù)定時(shí)間傳輸至上游網(wǎng)絡(luò),。
入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器向上游網(wǎng)絡(luò)傳遞信息之前通常會(huì)執(zhí)行一定量的初步數(shù)據(jù)處理。例如,，結(jié)合少量的數(shù)據(jù)采樣和時(shí)間記錄,，數(shù)據(jù)采集器可以報(bào)告某一特定時(shí)間內(nèi)的電力使用情況，從短短幾分鐘到一個(gè)星期或一個(gè)月不等,。也可以根據(jù)不同時(shí)間間隔和篩選方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,、存儲(chǔ)。這樣有助于公用事業(yè)公司詳盡地分析電力使用趨勢(shì),，數(shù)據(jù)粒度細(xì)化至單個(gè)用戶,，并可進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)更合理的電力輸配,。經(jīng)配置后，數(shù)據(jù)采集器可監(jiān)測(cè)電子式電表的下游運(yùn)行情況,。如果電表參數(shù)發(fā)生變化,，或報(bào)告間隔超過公差，或檢測(cè)到故障或異常數(shù)據(jù),，則數(shù)據(jù)采集器會(huì)實(shí)現(xiàn)軟件智能化,，及時(shí)報(bào)警，并向維護(hù)團(tuán)隊(duì)提供遠(yuǎn)程修復(fù)所需的信息,。
各地智能電網(wǎng)的傳輸方式可能有所不同,，因此，應(yīng)地方規(guī)范要求,，需要擴(kuò)展基本功能集,。根據(jù)數(shù)據(jù)采集器的部署位置，可以使用RS-485,、通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）或電力線通信（PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，也可用紅外線或RS-485進(jìn)行外部控制。許多開發(fā)商并不針對(duì)每個(gè)地區(qū)或市場(chǎng)進(jìn)行定制設(shè)計(jì),，而是采取了“一刀切”的做法,，構(gòu)建系統(tǒng)支持可能使用的所有傳輸方式（但不是所有傳輸方式都同時(shí)使用）。此做法可能在制造時(shí)帶來規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,，但同時(shí)對(duì)微控制器將提出更多要求,。
入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)框圖和資源要求
圖1顯示了如何配置微控制器用于入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器，表1則列出了該設(shè)計(jì)的一般功能要求,。假定該設(shè)備從多個(gè)UART端口采集數(shù)據(jù),，并支持多種基本功能，包括輸入采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、通信和維護(hù),。設(shè)計(jì)中包括用于提供時(shí)間戳數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、進(jìn)行實(shí)時(shí)供電質(zhì)量檢查的可選模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC以及與外部存儲(chǔ)器或外部設(shè)備通信（如無線傳輸射頻模塊）一起使用的可選SPI接口,。
圖1 用于入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器的微控制器配置示例
表1中未列出微控制器本身的電耗要求,，但通常來說，數(shù)據(jù)采集器需要高效用電,。公用事業(yè)公司不想增加電網(wǎng)電力消耗而產(chǎn)生的額外成本,，消費(fèi)者也不愿意因使用新的計(jì)量功能而增加電費(fèi)支出。
入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器元件選舉及考量
恩智浦LPC1200工業(yè)控制系列為入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器提供了不錯(cuò)的解決方案,。如圖2所示,，該系列采用ARM Cortex-M0處理器，提供高達(dá)128 KB閃存,，且包含數(shù)據(jù)采集器可以使用的其他資源,，如RTC、ADC和SPI,。
圖2 LPC1200功能框圖
LPC1200系列標(biāo)配支持兩個(gè)UART,，另外，其獨(dú)特的特殊應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）功能使得該系統(tǒng)可以額外支持兩個(gè)硬件UART,。ASSP功能讓設(shè)計(jì)人員可以避免增加高端設(shè)備支出,，同時(shí)又具有足夠的靈活性，可在不同應(yīng)用中執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù),。例如,，其內(nèi)置的ASSP還可以被配置用于I2C轉(zhuǎn)DMA傳輸、引腳模式匹配或模擬數(shù)據(jù)記錄等,。使用ASSP可降低CPU的負(fù)載及減少處理簡(jiǎn)單信息時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的中斷,，可在定制微控制器功能的同時(shí)最大限度地降低系統(tǒng)開銷。
中級(jí)和高級(jí)數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
較之入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器,，中級(jí)和高級(jí)數(shù)據(jù)采集器都具有更廣泛的功能,。高級(jí)與中級(jí)的區(qū)別通常在于CPU的速度。也就是說,，高級(jí)數(shù)據(jù)采集器一般需要更快的CPU速度,，而這對(duì)微控制器配置至關(guān)重要。
高級(jí)數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)框圖和資源要求
高級(jí)數(shù)據(jù)采集器常用于更復(fù)雜的住宅設(shè)置和三相工業(yè)應(yīng)用中,。計(jì)算需求越高,，CPU性能要求也越高。200 MHz以上主頻通常是最佳選擇,。高級(jí)數(shù)據(jù)采集器還具備更先進(jìn)的通信和控制功能,，如以太網(wǎng)和Wi-Fi,、用于交互式顯示的LCD接口以及供本地?cái)?shù)據(jù)下載的USB主機(jī)。這些新增功能需要更多閃存與系統(tǒng)內(nèi)存,，且需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）,。圖3給出了示例功能框圖。
圖3 用于高級(jí)數(shù)據(jù)采集器的微控制器配置示例
圖4 用于中級(jí)數(shù)據(jù)采集器的微控制器配置示例
高級(jí)數(shù)據(jù)采集器元件選舉及考量
對(duì)于圖3的應(yīng)用方案,，恩智浦LPC3250系列不失為一個(gè)很好的選擇,。該系列采用ARM9 CPU內(nèi)核，其運(yùn)行速度高達(dá)266 MHz,，同時(shí)采用矢量浮點(diǎn)（VFP）協(xié)處理器用于高級(jí)算術(shù)運(yùn)算,。此外，還提供了必要的外設(shè)和接口,，包括7個(gè)UART,、1個(gè)帶專用DMA控制器的10/100 G以太網(wǎng)MAC、1個(gè)具有全速主機(jī)和設(shè)備性能的USB OTG,、1個(gè)RTC,，以及1個(gè)靈活的可支持STN和TFT面板的LCD控制器。
圖3的配置為三芯片解決方案,，因?yàn)槲⒖刂破餍枰獠縎DRAM和NAND閃存才能形成足夠的存儲(chǔ)器資源,。如果系統(tǒng)不需要這么快的CPU時(shí)鐘頻率，則選擇一款板載資源充足的微控制器往往更為可取,，這也正符合了中級(jí)解決方案的要求,，如圖4所示,。
中級(jí)數(shù)據(jù)采集器元件選舉及考量
相對(duì)于高級(jí)解決方案,，中級(jí)數(shù)據(jù)采集器的突出優(yōu)點(diǎn)是成本較低。因?yàn)樾枰^少的組件,，所以在PCB方面可節(jié)省高達(dá)2~3美元成本,。簡(jiǎn)單的配置帶來更好的經(jīng)濟(jì)性，但性能上的局限使得中級(jí)數(shù)據(jù)采集器更適合作為入門級(jí)的升級(jí)產(chǎn)品使用,，并非高級(jí)解決方案的替代方案,。中級(jí)數(shù)據(jù)采集器更適合于以犧牲系統(tǒng)功能換取成本的工業(yè)應(yīng)用。對(duì)于想提高系統(tǒng)性能的住宅應(yīng)用來說也是不錯(cuò)的選擇,，如以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信可用于控制用戶電源開與閉,，或用于報(bào)告狀態(tài)變化（顯示設(shè)備篡改）等。
恩智浦LPC1760系列非常適合中級(jí)數(shù)據(jù)采集器,。該系列采用ARM Cortex-M3 CPU,，主頻高達(dá)100 MHz，且包括最大64 KB的SRAM和512 KB閃存,。板載外設(shè)和通信接口也為中級(jí)數(shù)據(jù)采集器提供了充足的資源,。
數(shù)據(jù)采集器執(zhí)行了提高電網(wǎng)智能化的重要任務(wù),。選擇合適的32 bit微控制器可簡(jiǎn)化開發(fā)步驟，設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)高效的解決方案,。選擇微控制器時(shí),，工程師應(yīng)考慮片上資源，也應(yīng)考慮其他設(shè)計(jì)因素,，如設(shè)備可靠性（溫度和濕度范圍,、數(shù)據(jù)保持能力、電流快速瞬變可靠性,、防靜電等）,、系統(tǒng)級(jí)組件集成、 區(qū)分功能（如數(shù)據(jù)加密）,，當(dāng)然還有價(jià)格因素,。恩智浦的ARM解決方案包括LPC1200、LPC32x0和LPC1760系列,，可提供最佳的性能特點(diǎn)組合及滿足系統(tǒng)需求,，是各種住宅甚至是工業(yè)用數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)的理想選擇。