基于ARM的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

入門級數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

入門級數(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，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)商并不針對每個(gè)地區(qū)或市場進(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)對微控制器將提出更多要求。

入門級數(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)載及減少處理簡單信息時(shí)對系統(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。[!--empirenews.page--]

中級和高級數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

較之入門級數(shù)據(jù)采集器，中級和高級數(shù)據(jù)采集器都具有更廣泛的功能。高級與中級的區(qū)別通常在于CPU的速度。也就是說，高級數(shù)據(jù)采集器一般需要更快的CPU速度，而這對微控制器配置至關(guān)重要。

高級數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)框圖和資源要求

高級數(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 用于高級數(shù)據(jù)采集器的微控制器配置示例

圖4 用于中級數(shù)據(jù)采集器的微控制器配置示例

高級數(shù)據(jù)采集器元件選舉及考量

對于圖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，這也正符合了中級解決方案的要求，如圖4所示。

中級數(shù)據(jù)采集器元件選舉及考量

相對于高級解決方案，中級數(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數(shù)據(jù)采集器更適合作為入門級的升級產(chǎn)品使用，并非高級解決方案的替代方案。中級數(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。