0. 引言
隨著電力電子技術的快速發(fā)展，越來越多具有諧波源作用的非線性設備投入使用，電網電能質量日益惡化，現行的電能計量和考核方式不利于對諧波污染源的考核和治理。合理的解決辦法是分別計量基波電能和各次諧波電能，并分諧波電能的傳遞方向分別執(zhí)行懲罰性和補償性計費制度以提高電網的電能質量。實現這個準確、合理的電能計量和質量評估方案的關鍵，是研制能夠進行諧波分析的多功能電能計量監(jiān)測裝置，這樣的裝置必須能夠在高速、實時采集數據的同時對數據進行快速傅立葉變換分析和對各項電能指標進行計算、顯示，這要求用多MCU系統(tǒng)設計多功能電能表。
應用多MCU系統(tǒng)的電能計量、質量監(jiān)測裝置總體框圖如圖1所示。多MCU系統(tǒng)由兩個微處理器MCU1、MCU2及數據共享接口構成，微處理器MCU1負責外圍數據采集、濾波、A/D轉換單元模塊的控制、電能指標顯示和遠程抄表數據通信等功能，MCU2負責對采集到的數據進行FFT運算和對基波及各次諧波電能數據的分時計費計算，數據共享接口則承擔著微處理器MCU1和MCU2之間數據交換共享的作用，相當于多MCU系統(tǒng)數據中心。因此，數據共享接口性能的優(yōu)劣，將直接決定著多MCU系統(tǒng)工作效率的高低和和系統(tǒng)數據保護的可靠程度。
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目前，多MCU系統(tǒng)多采用雙口RAM（如IDT7134芯片）或微控制器的串行接口作為多個微處理器MCU之間數據共享接口，如圖2a、b所示。雙口RAM是一個配備兩套獨立的地址、數據、控制線的存儲器，允許兩個獨立的MCU對數據進行存取共享。當發(fā)生兩個MCU同時訪問同一地址的存儲單元時，通過內部仲裁邏輯控制電路提供訪問允許和延緩保持的訪問控制機制。以速度等級是55ns級的雙口RAM為例，由于雙MCU之間的數據共享讀寫控制突，這樣的多MCU系統(tǒng)必定存在110ns的數據交換延時周期，而且數據存儲具有易失性，系統(tǒng)一旦掉電重要數據就會丟失。另外，每個MCU需要至少16條I/O口線作為地址、數據、控制線，MCU之間的接線比較復雜。這對于運算速度高、數據量大、MCU外圍模塊多的多功能電能表來講效果并不理想。與之相比，串行通信數據共享方案效率更低，難以滿足系統(tǒng)對實時性的要求。隨著符合I2C總線標準的鐵電存儲器(FRAM)的出現，為用戶所熟悉的I2C總線技術將為我們解決多MCU系統(tǒng)數據共享的問題，提供了一種接線簡單、數據訪問高速、無讀寫時延和數據保護可靠性高的解決方案。本文采用Ramtron公司的FM31256芯片設計了一種應用于多功能電能表的基于I2C總線的新型多MCU系統(tǒng)，該系統(tǒng)實時性高，數據保護可靠，接線簡單器件集成度高，裝置體積小。
1. 符合I2C總線標準的鐵電存儲器(FRAM)工作原理和特性
1．1、 I2C總線標準
I2C 總線是PHILIPS公司開發(fā)的一種簡單、雙向、二線制、同步串行總線，只需要兩條信號線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息，具備多MCU系統(tǒng)所需要的裁決和高低速設備同步等功能，應用極為廣泛。
I2C 總線的信號線為數據線SDA ( Serial Data) 和時鐘線SCL (Serial Clock) ,都是雙向傳輸的。數據線SDA用于在器件之間串行的傳輸數據位、地址碼、應答、非應答信號，時鐘線SCL上傳輸由主控器件發(fā)出時鐘同步信號。根據向總線發(fā)送數據還是從總線接收數據將總線上器件的工作模式分為發(fā)送和接收。通常，在I2C總線上有一個控制總線的器件，稱為主器件(Master)，負責為所有的通信操作產生時鐘信號，而受控制的器件稱為從器件( Slave),可以是任何符合I2C總線標準的器件，但是主器件只能由帶CPU的器件擔任。每一個主器件都可以工作于主發(fā)送模式或者主接收模式，每一個從器件都可以工作于從接收模式或者從發(fā)送模式，并且可以有多個主器件共存于一條I2C總線上，比如本文所設計的多MCU系統(tǒng)中MCU1和MCU2在I2C 總線上都作為主器件。
通常，掛在總線上的從器件都有唯一的地址標號，稱為從地址（Slave ID），主器件通過向總線發(fā)送從地址來呼叫某個要與之交換數據的器件，這種呼叫和數據交換以I2C 總線通信協(xié)議為規(guī)范進行，這種協(xié)議由SDA、SCL信號線上的啟動（Start）、數據位傳輸（Data Bit）、應答（Acknowledge）和停止（Stop）四種狀態(tài)的變換控制，圖3a說明了這四種狀態(tài)的信號組成。其中啟動和停止由主器件發(fā)送，數據位和應答位可以由主器件發(fā)送，也可以由從器件發(fā)送。當主器件發(fā)送數據位時，它工作于主發(fā)送模式，此時從器件工作于從接收模式并對每個收到的字節(jié)數據以一個應答位作為收到確認信號。與此相反，從器件向總線發(fā)送數據位，主器件負責對每一個收到的字節(jié)數據進行應答或者非應答（根據需要用于結束通信）。通常，通信由主器件發(fā)送一個啟動狀態(tài)開始，然后發(fā)送一個帶有讀、寫識別的從地址，這個從地址的高7位標識器件的ID號，最低位標識讀寫或數據傳輸方向，0為寫1為讀。寫數據時由主器件向從器件傳送數據，讀數時由從器件向主器件傳送數據?？偩€上所有器件都有內部邏輯，當檢測到啟動狀態(tài)后則進入電平比較狀態(tài)，如果從地址與其ID標號相符則被選中并自動產生一個應答位，從而建立通信連接，否則不予應答。一旦建立通信連接，可根據需要由通信軟件控制主、從器件之間傳輸數據字節(jié)的長短。最后，通信結束時由主器件產生一個停止狀態(tài)（Stop）以結束這次通信。圖3b說明了I2C 總線的通信時序。
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當I2C 總線是多主器件總線時,由于SDA和SCL信號線接上拉電阻，并且各個器件的輸出都為開漏或開集的形式，因而構成“線與”的功能，就是說只要有一個器件擔當了主器件的角色，總線就處于忙的狀態(tài)，這形成了良好有序的競爭檢測機制，因而不會產生數據共享傳輸沖突。
1．2、鐵電存儲器結構原理、特性及應用
FM31256芯片是美國Ramtron公司的最新產品，集成了256Kb容量的鐵電存儲器(FRAM)、實時時鐘（RTC）、外部事件計數器、看門狗及掉電監(jiān)測復位等功能，其結構原理如圖4示。 其中，鐵電存儲器(FRAM)同時具備隨機存取記憶體（RAM）和非易失性存儲器（ROM）的特點，既可無限次讀寫存取數據，又能在斷電情況下保存數據，并且沒有讀寫延時可以總線速度存取數據，具有即時讀寫的優(yōu)點。與此相比，E2PROM在寫入數據后一般要5～10ms的等待數據寫入時間，而且寫入壽命有限，通常讀寫一百萬次以后數據寫入失效，因而并不適合做數據共享存儲器。
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在這個集成了多個邏輯器件的芯片中，鐵電存儲器單元（FRAM）和實時時鐘單元（RTC）均符合I2C 總線標準，最大可達到1MHz的總線頻率。由于集成在同一個芯片上，FRAM和RTC共用同一個I2C 總線接口，但是地址標號（Slave ID）各自獨立，分別為1010XA1A0D和1101X A1A0D，其中D 是數據傳輸方向位用于標志讀、寫操作，A1A0用來選擇I2C 總線上的多個同類器件，最多可以從4個FRAM或RTC器件中進行選擇，各個器件的A1A0值由芯片的外部引腳電平決定。編寫通信軟件時，在I2C 總線上首先給一個啟動（Start）信號，然后發(fā)送Slave ID（1010XA1A0D），再判斷Acknowledge信號，如果有，則主控器件發(fā)送兩個字節(jié)的存儲器地址（MSB和LSB）對FRAM的32KByte存儲空間進行尋址，之后進行數據傳輸，每個數據字節(jié)跟隨一個Acknowledge（或者Non-Acknowledge）信號，通信完畢以Stop信號結束操作。其中，MSB和LSB尋址字節(jié)可以用于單字節(jié)、多字節(jié)兩種形式的存取操作，當多字節(jié)操作時MSB指示存儲頁面不變，LSB保存在內部緩存器中，每存取一個字節(jié)單元的數據LSB自動增加1以指向下一個存儲單元，當達到存儲范圍末端時存儲器地址自動回歸0000H。這在多MCU系統(tǒng)中對特定參數的數據共享操作十分方便。
由于FRAM的上述優(yōu)點，特別適合于那些對數據采集、讀寫時間要求很高的場合，而且由于不會出現數據丟失，其可靠的存儲能力足以讓我們放心的把一些重要數據存儲其中。其近乎無限次寫入的使用壽命，使它很適合擔當數據共享存儲體，用來在多功能電能表的MCU之間共享數據，供各個子系統(tǒng)頻繁讀寫。
2. 基于I2C總線的多MCU系統(tǒng)結構及工作原理
I2C 總線接口電路簡單，使用靈活，加上鐵電存儲器的讀寫速度高、數據保護可靠、讀寫壽命無限等優(yōu)點，自然為我們提供了一種十分理想的基于I2C 總線的新型多MCU系統(tǒng)構建方案，以FM31256芯片為例設計的系統(tǒng)結構框圖如圖5所示。
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每個MCU只需兩條I/O口線如P2.2、P2.3分別與SDA、SCL總線相連即可，MCU1和MCU2分別用做控制和計算的微控制器，通常用數字信號處理器（DSP）執(zhí)行復雜算法的計算，圖5中MCU2的P2.2、P2.3線僅代表普通I/O口。另外，為了更好的協(xié)調對I2C總線資源的使用，我們設計了兩條I/O口線P2.0、P2.1用來在兩個MCU之間傳遞I2C 總線的使用信息，以達到提高多個MCU之間數據共享效率的目的。MCU1作為I2C 總線的主器件時，P2.0輸出高電平以通知MCU2此時I2C 總線正被占用，使用完畢將P2.0電平置低，此時MCU2的P2.1檢測到電平跳變則判斷出I2C 總線處于空閑可用狀態(tài)。同樣，MCU2作為I2C總線的主器件時，也從P2.0輸出高電平來通知MCU1此時I2C 總線正被占用，使用完畢將其置低，由MCU1的P2.1引腳根據電平跳變決定何時可以使用I2C 總線。這樣，無論何時鐵電存儲器都可以處于被訪問狀態(tài)，充分發(fā)揮了無讀寫延時的優(yōu)點，很大程度上提高了數據采集單元和FFT運算單元之間數據交換的實時性。
這種新型多MCU系統(tǒng)構建方案與雙口RAM的多MCU系統(tǒng)相比，既沒有數據共享沖突，也沒有讀寫延時的缺點，而且接線簡單，數據保護可靠，讀寫效率高，器件數量少，從多方面提高了可靠性，尤其適用于對數據處理實時性和可靠性要求高的電能計量和質量監(jiān)測裝置。
3. 基于新型多MCU系統(tǒng)的多功能電能表的硬件結構設計
為了合理的對諧波污染源進行考核和治理，有必要對基波電能和各次諧波電能及其傳遞方向進行計量，那么具備電能計量和質量監(jiān)測的多功能電能表必須能夠在進行高速、實時數據采集同時執(zhí)行快速傅立葉變換，從而達到諧波分析的目的。要實現這些功能，通常采用多MCU系統(tǒng)，把控制和數據處理的功能進行分離，以充分發(fā)揮各個微處理器MCU的功能。在此，考慮到數據采集的實時性要求和運算量大的需要，由MCU1負責對數據采集、濾波、A/D轉換、LCD顯示等單元進行控制，以及遠程抄表通信，采用[!--empirenews.page--]MCS51系列單片機就可以完成上述功能；由MCU2負責對采集到的數據進行FFT變換并計算各類電能指標數據，算法復雜運算速度問題尤其突出，需要采用數字信號處理器（DSP）。硬件連接原理圖如圖6所示。
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其中，MCU1的P0口作為數據采集通道接收經過A/D轉換的數字信號，W、R作為讀寫控制，P2.7和P3.3分別作為數據轉換啟動和數據接收中斷啟動信號控制引腳，串行口作為遠程自動抄表的通信接口（可擴展紅外無線通道），P1口作為液晶顯示器（LCD）的數據口，P2.3、P2.4、P2.5用于LCD的顯示控制引腳，P2.2、P2.3分別接I2C 總線的SDA和SCL，P2.0、P2.1作為雙MCU之間數據共享協(xié)調通道。MCU2主要用做運算，掉電時數據保護顯得十分重要，因此以外部中斷作為FM31256芯片的掉電監(jiān)測輸出信號的輸入端，隨時進行中斷數據保護處理。
這個系統(tǒng)與采用雙口RAM的多MCU系統(tǒng)相比，接線簡單，數據交換速度高、實時性好，數據保護可靠。另外，由于FM31256芯片集成了實時時鐘、看門狗、掉電保護中斷等單元，因而系統(tǒng)以較少的器件數量增加了電能峰、平、谷期分時計費，防止程序跑飛和系統(tǒng)掉電欠壓數據保護等功能，很大程度上提高了可靠性。
4. 結束語
為了對諧波污染源進行合理的考核和治理，有必要計量基波和各次諧波電能，實現這個電能計量和質量評估方案的關鍵，是研制能夠進行諧波分析的多功能電能計量監(jiān)測裝置，該裝置能夠在高速、實時采集數據的同時進行快速傅立葉變換分析和對各項電能指標進行計算、顯示。顯然，設計基于多MCU系統(tǒng)的多功能
電能表十分必要。
本文提出了一種基于I2C總線的新型多MCU系統(tǒng)的構建方法，應用讀寫快速、數據保護可靠、符合I2C總線標準的鐵電芯片(FM31256)作為多MCU系統(tǒng)的實時數據共享模塊，以I2C總線作為數據交換通道傳遞采集到的電量數據、加工過的電能數據以及實時時鐘數據。這種方法接線簡單，數據共享訪問高速、無讀寫延時、數據保護可靠并且元器件集成度高，是一種高效可靠的多MCU系統(tǒng)解決方案，能夠很好的發(fā)揮多MCU系統(tǒng)中各個MCU的功能，在實時測控領域中具有很高的應用價值。同時，用這種多MCU系統(tǒng)設計的多功能電能表裝置體積小，芯片集成度高，工作穩(wěn)定可靠，很好的滿足了電量數據采集、處理的高速實時性和可靠性的要求，為實現具有諧波分析功能的電能計量和質量監(jiān)測提供了先進的技術手段。
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