目前測量儀表正向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展每一個單獨的嵌入式儀表都將成為Internet上的一個節(jié)點。本系統(tǒng)在ARM+RTOS的方式下實現(xiàn)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(tǒng)則是在uC/OS-II操作系統(tǒng)下開發(fā)的。
系統(tǒng)硬件設(shè)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(nèi)部集成了很多功能包括128k字節(jié)的高速Flash存儲器、雙UART、多個32位定時器以及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ADC、高/低通數(shù)字濾波器、能量計算單元、串行接口和數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器等。CS5460將它測得和計算出的結(jié)果分別保存在它的各個寄存器中而能量值則通過脈沖輸出給CPU還可以驅(qū)動計度器。
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(zhuǎn)化為CS5460能夠接收的小電壓信號。CS5460根據(jù)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)實現(xiàn)了電能表的遠程通信功能。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖參見《電子設(shè)計應(yīng)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(yīng)選擇適當?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。采樣電路圖參見《電子設(shè)計應(yīng)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的一個外部中斷引腳相連用來收集能量值。
由于電能的累計值以及校準常數(shù)需要保存到EEPROM中所以擴展一片24C16用來保存這些數(shù)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(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/輸出信號均為5V而LPC2104的信號為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
ARM應(yīng)用系統(tǒng)可以基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺也可以不使用操作系統(tǒng)直接通過啟動代碼啟動。為了方便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化功能本系統(tǒng)選擇基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺的方式。嵌入式實時操作系統(tǒng)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(tǒng)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語言寫的移植過程中只需要重寫少數(shù)幾個與處理器直接相關(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。
軟件部分主要實現(xiàn)以下功能：
1.數(shù)據(jù)采集及計算。計算部分主要由CS5460完成當發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換的命令之后延時適當?shù)臅r間就可以從相應(yīng)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對1秒的脈沖進行計數(shù)實現(xiàn)的。例如可以編程控制CS5460每轉(zhuǎn)換10焦耳的能量時產(chǎn)生一個脈沖然后以脈沖計數(shù)乘以10計算出有效功率。每隔幾分鐘電流累計能量會被寫入24C16串行EEPROM。這樣可以保存經(jīng)過的時間內(nèi)的所有能量。校準常數(shù)也保存在24C16中。但系統(tǒng)重新上電的時候這些校準常數(shù)會被從24C16中讀出并且寫回CS5460。
2.按鍵管理及液晶顯示。由于LPC2104的總線不開發(fā)給驅(qū)動液晶顯示帶來一定的不便但可以以普通I/O口模擬總線時序進行操作。
3.系統(tǒng)校準。在校準之前應(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)的校準信號；接著通過SPI接口向CS5460發(fā)送8位的校準命令字；最后在相應(yīng)的校準寄存器中保存校準結(jié)果，德圖PH計并且置位DRDY位以通知CS5460校準結(jié)束。校準模塊主要提供一個管理界面用戶可以通過這個界面對電流表的電壓、電流、功率等參數(shù)進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modem進行控制并且產(chǎn)生符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)流。發(fā)送數(shù)據(jù)時應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)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幀然后通過異步串行口驅(qū)動程序?qū)PP幀發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)時由異步串口驅(qū)動程序負責接收數(shù)據(jù)。然后由TCP模塊和IP協(xié)議模塊對數(shù)據(jù)進行處理將用戶數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序。
uC/OS-II屬于搶先式剝奪型實時內(nèi)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(diào)度和同步協(xié)調(diào)硬件資源。各個任務(wù)之間通過信號量、郵箱、消息隊列等通信機制進行數(shù)據(jù)共享及任務(wù)通信。基于uC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)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《電子設(shè)計應(yīng)用》2004.8。
各任務(wù)的優(yōu)先級為：過流過壓保護>數(shù)據(jù)處理>實時時鐘>數(shù)據(jù)存儲>遠程通信。
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)平臺下開發(fā)的便于單個任務(wù)調(diào)試單個任務(wù)的錯誤不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。傳統(tǒng)的嵌人式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品需要專門的網(wǎng)關(guān)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸本系統(tǒng)則實現(xiàn)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現(xiàn)嵌入式產(chǎn)品上網(wǎng)的趨勢。
