目前測量?jì)x表正向網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展每一個(gè)單獨的嵌入式儀表都將成為Internet上的一個(gè)節點(diǎn)。本系統在A(yíng)RM+RTOS的方式下實(shí)現了電子式電能表的網(wǎng)絡(luò )化硬件平臺以ARM核微控制器LPC2104為核心軟件系統則是在uC/OS-II操作系統下開(kāi)發(fā)的。

　　系統硬件設計

　　LPC2104是Philips公司推出的一款以ARM7TDMI-S為核心的32位微控制器。LPC2104內部集成了很多功能包括128k字節的高速Flash存儲器、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帶有完全的調制解調器接口可以用于網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品。

　　CS5460是CirrusLogic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(gè)ADC、高/低通數字濾波器、能量計算單元、串行接口和數字-頻率轉換器等。CS5460將它測得和計算出的結果分別保存在它的各個(gè)寄存器中而能量值則通過(guò)脈沖輸出給CPU還可以驅動(dòng)計度器。

　　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/電壓轉化為CS5460能夠接收的小電壓信號。CS5460根據采樣的電流/電壓計算出電能然后將電流、電壓、電能和功率等通過(guò)三線(xiàn)雙向串行接口傳送給CPU(能量值通過(guò)脈沖輸出)CPU根據鍵盤(pán)的輸入指令在液晶顯示器上顯示結果或者通過(guò)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(guān)實(shí)現了電能表的遠程通信功能。本系統的硬件結構圖參見(jiàn)《電子設計應用》2004.8。

　　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的電流/電壓互感器將輸入的電流/電壓轉換到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(guò)電壓互感器降壓、隔離然后通過(guò)低通濾波。最后端的電容C1表現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(lái)的電流轉換為電壓。采樣電路圖參見(jiàn)《電子設計應用》2004.8。

　　CS5460與LPC2104以標準SPI接口非常容易。由于CS5460是以定寬變脈沖輸出能量值因此將其能量輸出引腳與LPC2194的一個(gè)外部中斷引腳相連用來(lái)收集能量值。

　　由于電能的累計值以及校準常數需要保存到EEPROM中所以擴展一片24C16用來(lái)保存這些數值。LPC2104本身帶有I2C接口擴展EEPROM非常容易。

　　LPC210的4UART1口帶有完全的調制解調器接口。由于電能表接入Internet所需要傳輸的數據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調制解調器。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換電路。

　　系統軟件設計

　　ARM應用系統可以基于嵌入式操作系統平臺也可以不使用操作系統直接通過(guò)啟動(dòng)代碼啟動(dòng)。為了方便實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化功能本系統選擇基于嵌入式操作系統平臺的方式。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統uC/OS-II在裁減之后僅有128K的Flash存儲器故可以選擇在其中移植uC/OS-II。

　　首先需要將uC/OS-II操作系統移植到LPC2104微處理器上。為了便于移植uC/OS-II的源代碼大部分是用C語(yǔ)言寫(xiě)的移植過(guò)程中只需要重寫(xiě)少數幾個(gè)與處理器直接相關(guān)的文件就可以了。LPC2104上移植uC/OS-II已經(jīng)有成功的實(shí)例可以從網(wǎng)上得到。

　　uC/OS-II本身并不支持網(wǎng)絡(luò )功能。為了實(shí)現電能表的網(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的數據量不大但可靠性要求較高因此在傳輸層應該選用可靠數據傳輸控制協(xié)議TCP在網(wǎng)絡(luò )層選用基本數據傳輸協(xié)議IP。

　　軟件部分主要實(shí)現以下功能：

　　1.數據采集及計算。計算部分主要由CS5460完成當發(fā)出啟動(dòng)轉換的命令之后延時(shí)適當的時(shí)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(guò)對1秒的脈沖進(jìn)行計數實(shí)現的。例如可以編程控制CS5460每轉換10焦耳的能量時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖然后以脈沖計數乘以10計算出有效功率。每隔幾分鐘電流累計能量會(huì )被寫(xiě)入24C16串行EEPROM。這樣可以保存經(jīng)過(guò)的時(shí)間內的所有能量。校準常數也保存在24C16中。但系統重新上電的時(shí)候這些校準常數會(huì )被從24C16中讀出并且寫(xiě)回CS5460。

　　2.按鍵管理及液晶顯示。由于LPC2104的總線(xiàn)不開(kāi)發(fā)給驅動(dòng)液晶顯示帶來(lái)一定的不便但可以以普通I/O口模擬總線(xiàn)時(shí)序進(jìn)行操作。

　　3.系統校準。在校準之前應該使CS5460處于有效操作狀態(tài)，并且通過(guò)SPI接收有效命令清除狀態(tài)寄存器中的數據準備就緒位(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(zhù)通過(guò)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，德圖PH計并且置位DRDY位以通知CS5460校準結束。校準模塊主要提供一個(gè)管理界面用戶(hù)可以通過(guò)這個(gè)界面對電流表的電壓、電流、功率等參數進(jìn)行校正并把校正后的數據保存。

　　4.網(wǎng)絡(luò )通信。需要發(fā)出AT指令對modem進(jìn)行控制并且產(chǎn)生符合通信協(xié)議的數據流。發(fā)送數據時(shí)應用程序發(fā)送的數據經(jīng)TCP/IP協(xié)議封裝之后再利用下層的PPP協(xié)議封裝為PPP幀然后通過(guò)異步串行口驅動(dòng)程序將PPP幀發(fā)送出去。接收數據時(shí)由異步串口驅動(dòng)程序負責接收數據。然后由TCP模塊和IP協(xié)議模塊對數據進(jìn)行處理將用戶(hù)數據交給應用程序。

　　uC/OS-II屬于搶先式剝奪型實(shí)時(shí)內核永遠保證優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)的運行。uC/OS-II可以完成各任務(wù)之間的調度和同步協(xié)調硬件資源。各個(gè)任務(wù)之間通過(guò)信號量、郵箱、消息隊列等通信機制進(jìn)行數據共享及任務(wù)通信。基于uC/OS-II嵌入式操作系統平臺編程的關(guān)鍵在于任務(wù)的劃分以及優(yōu)先級的確定。該任務(wù)的任務(wù)劃分圖見(jiàn)《電子設計應用》2004.8。

　　各任務(wù)的優(yōu)先級為：過(guò)流過(guò)壓保護>數據處理>實(shí)時(shí)時(shí)鐘>數據存儲>遠程通信。

　　結語(yǔ)

　　本文介紹的網(wǎng)絡(luò )化電能表軟件系統是在嵌入式操作系統平臺下開(kāi)發(fā)的便于單個(gè)任務(wù)調試單個(gè)任務(wù)的錯誤不會(huì )導致整個(gè)系統的崩潰。傳統的嵌人式網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品需要專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)關(guān)以實(shí)現數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸本系統則實(shí)現了嵌入式網(wǎng)關(guān)與測量控制部分感到一體化這是以后實(shí)現嵌入式產(chǎn)品上網(wǎng)的趨勢。