基于ARM7 LPC2148便攜式抄表器的設(shè)計

自動抄表系統(tǒng)(Automatic Meter Reading System，AMRS)是一種不需要人員到達現(xiàn)場就能完成抄讀用戶用電量的智能化管理系統(tǒng)，近年來，這一技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)運而生，而發(fā)展非常迅速，他的最終目的是自動、集中、定時地抄錄各用戶的用電量，這對于提高電力部門的管理水平和經(jīng)濟效益有著十分重要的意義。

在自動抄表系統(tǒng)中，除了使用RS485總線、電力線載波或電話線進行數(shù)據(jù)通訊外，有些時候需要工作人員到現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集，便攜式抄表器作為十分便捷的現(xiàn)場抄表工具，是自動抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集手段的一個十分有效的補充，有著十分廣闊的市場前景。

1 智能電表抄表系統(tǒng)簡介

智能電表抄表系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，智能電表通過采集器連接到集中器上，集中器每隔一定的時間(具體時間可以設(shè)置)對電表采集一次數(shù)據(jù)，并保存到集中器中的存儲器里，集中器通過電力線載波或者電話線可以直接將采集到的數(shù)據(jù)上傳給系統(tǒng)主機，便攜式抄表器的主要任務(wù)是用自己的指令解釋并運行上位機所編的程序，現(xiàn)場采集集中器或者智能電表的數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，通過抄表器上的USB接口可以將數(shù)據(jù)傳輸給計算機由計算機進行處理、存檔。從而實現(xiàn)電表到計算機的數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、處理、打印等工作，免去了大量的手工勞動，極大地提高了勞動效率。

便攜式抄表器作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的必要工具。他有鍵盤輸入，可以手動查詢、更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù);大屏幕LCD點陣顯示，良好的人機對話界面;512 kB FLASH RAM，用于存放系統(tǒng)配置文件、程序及數(shù)據(jù)庫文件;1個RS 232接口，一個USB接口，1個紅外轉(zhuǎn)發(fā)器，實現(xiàn)與智能電表、集中器的有線或紅外通訊。RS 232和紅外接口完成對每個電表的數(shù)據(jù)采集工作，并可通過該接口對集中器或智能電表進行設(shè)置、修改。USB接口完成同計算機的通訊，可以將抄表器中的數(shù)據(jù)傳送給計算機，也可以接收計算機下傳的程序文件及其他系統(tǒng)配置文件。

2 基于ARM7 LPC2148便攜式抄表器的硬件設(shè)計

LPC2148是Philip公司推出的基于ARM7 TDMI內(nèi)核的精簡指令系統(tǒng)的32位高速處理器。他的工作電壓為3.3 V，內(nèi)核工作電壓僅為2.5 V，大大降低了芯片的功耗。他主要帶有32 kB+8 kB與USB DMA共用的片內(nèi)靜態(tài)RAM和512 kB的片內(nèi)FLASHI程序存儲器。128位寬度接口/加速器可實現(xiàn)高達60 MHz工作頻率。可外擴EPROM，SDRAM，F(xiàn)LASH，RAM，USB，LCD;通過片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程(ISP/IAP)。單個FLASH扇區(qū)或整片擦除時間為400 ms。256字節(jié)編程時間為1 ms;6路PWM調(diào)制輸出，可用于控制蜂鳴器輸出不同聲音，提示系統(tǒng)各類信息;USB 2.O全速設(shè)備控制器具有2 kB終端RAM。此外，LPC2148提供8 kB的片內(nèi)RAM，可通過DMA訪問USB;14路10位A/D轉(zhuǎn)換器，可用于系統(tǒng)電池檢測;低功耗實時時鐘(RTC)具有獨立的電源和特定的32 kHz時鐘輸入，可用于紀錄抄表時間;多個串行接口，包括2個UART(16C550)、2個高速I2C總線(400 kb/s)、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP;2種低功耗模式：空閑和掉電。根據(jù)需要設(shè)置不同的工作方式，可以降低系統(tǒng)功耗。

便攜式抄表器以PLC2148控制單元為核心，主要由電源供給電路、紅外通信電路、鍵盤顯示電路、數(shù)據(jù)存儲電路、RS 232接口電路、USB 2.O計算機接口電路和能源控制電路等部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

考慮到便攜式抄表器的低功耗、經(jīng)濟高效、性能穩(wěn)定、接口電路簡單和自動化程度高等特點，因此，選擇合適的電路芯片至關(guān)重要。

2.1 RS 232接口電路

RS 232串口電路，采用MAXIM公司的MAX3111E串行異步收發(fā)器，硬件上無需任何其他外圍器件，使用一個芯片即可實現(xiàn)UART接口的微控器與PC進行異步數(shù)據(jù)傳輸。同時其3.3 V供電性能更是適合低功耗設(shè)備的應(yīng)用。

考慮到抄表工作人員會隨時到現(xiàn)場進行對集中器的數(shù)據(jù)讀取和參數(shù)設(shè)置，而集中器一般都帶有RS 232接口，故在抄表器中設(shè)計RS232接口電路是必須的，因LPC2148的2個UART口已經(jīng)被占用，所以考慮采用SPI接口，通用PC機的RS232接口為通用異步接口UART，而SPI則為同步串行協(xié)議，所以必須考慮同步與異步之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中采用MAX3111E串行異步收發(fā)器來實現(xiàn)，其接口電路如圖3所示。

LPC2148的MOSI1與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線，MISO1與DOUT連接為接收數(shù)據(jù)線，MAX3111E的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，從而利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)UART到RS232電平的轉(zhuǎn)換，MAX3111E的中斷信號(IRQ)與LPC2148的外部中斷ENT1相連，以便當(dāng)集中器有數(shù)據(jù)向系統(tǒng)傳輸時，直接給LPC2148一個中斷信號并執(zhí)行相應(yīng)的程序即可，RS232接口一般為9針，選用DB9，除5腳接地外，2、3、7、8分別接MAX3111E的T2OUT，R1IN，R2IN和T1OUT。

2.2 紅外通訊接口電路

通過紅外通訊進行抄表是便攜式抄表器的主要功能之一，也能真正體現(xiàn)其方便快捷的優(yōu)勢，紅外通信是利用950nm近紅外波頓的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道，發(fā)送端采用脈時調(diào)制(PPM)方式，將二進制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)動紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送出去，接收端將接收到的光脈轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過放大，濾波等處理后送給解調(diào)電路進行解調(diào)，還原為二進制數(shù)字信號后輸出。

紅外發(fā)射管選用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來向外發(fā)射950nm的紅外光束，紅外接收電路選用Vishay公司生產(chǎn)的專用紅外接收模塊TSOP173。該接收模塊是一個3端元件，使用單電源+5V單元，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其他波長(950nm以外)的紅外光不敏感的特點。

紅外發(fā)送器的工作原理為：串行數(shù)據(jù)由LPC2148的串行輸出端TXD1送出并于P0.21口產(chǎn)生的頻率為38KHz的脈沖序列通過或非門調(diào)制成38kHz的載波信號，并利用兩個紅外發(fā)射管D1和D2以光脈沖的形式向外發(fā)送。數(shù)位“1”使T1管截止，紅外發(fā)射管D1和D2不發(fā)射紅外光。若傳送的波特率設(shè)為1 200 b/s，則每個數(shù)位“O”對應(yīng)32個載波脈沖調(diào)制信號的時序，如圖4所示。

TSOP1738的工作原理為：首先，通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由前級放大器和自動增益控制電路進行放大處理;然后，通過帶通濾波器和進行濾波，濾波后的信號由解調(diào)電路進行解調(diào);最后，由輸出級電路進行反向放大輸出，由LPC2148的RXD1口接收。

2.3 USB接口電路

USB是一種4線串行總線，支持一個主機同多個外設(shè)之間的通信。LPC2148帶有USB設(shè)備控制器，該控制器使能與USB主機控制器之間12 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸。他由寄存器接口、串行接口引擎、端點緩沖存儲器和DMA控制器組成。串行接口引擎對USB數(shù)據(jù)流進行譯碼，并將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的端點緩沖存儲器。結(jié)束后的USB傳輸或錯誤條件的狀態(tài)由狀態(tài)寄存器來指示，若中斷使能則產(chǎn)生中斷。

便攜式抄表器采用USB 2.O通訊協(xié)議，實現(xiàn)其與上位機的通訊，主要包括抄表器向上位機傳輸抄表數(shù)據(jù)以及上位機對抄表器的升級及管理。接口電路如圖5所示。

2.4 LCD接口電路

LCD顯示電路，采用HS12864—16A，他是內(nèi)部不帶字符發(fā)生器的3 V液晶模塊。顯示屏由128×64點陣組成，共有64行，分為8頁，每頁8行，每行128列。

考慮到GPIO口資源有限，同時還有功耗問題，我們采用了串行變換法來連接驅(qū)動LCD模塊。加入/串入并出的移位寄存器74HC595，用LPC2148的GPlO口復(fù)用SPI功能或直接用GPIO口模擬SPI功能進行驅(qū)動，后者更加方便。下面用這種方式進行說明，同樣為方便，選用了連續(xù)的GPIO口P0.0～P0.7，具體設(shè)計系統(tǒng)要按實現(xiàn)情況進行配置。HS12864-16A的數(shù)據(jù)線為8條，所以存在于FLASH中的字模也是按8位存的，可由字模軟件得出，傳輸數(shù)據(jù)進行顯示的時候要滿足以下時序：首先使D/I為高電平，R/W為低電平，接著將FLASH里的某個8位二進制字模傳送到8個I/O口上，然后使能E模擬下降沿時序，把數(shù)據(jù)鎖存到液晶顯示器內(nèi)部的顯示存儲器中即可顯示。LCD與LPC2148的連接如圖6所示。

便攜式抄表器還包括鍵盤輸入、電池檢測等部分。比如鍵盤輸入部分：可以采用鍵盤掃描的方式，通過接入通用I/O口，循環(huán)檢測是否有鍵被按下，如有鍵被按下，則去除鍵抖動，判斷鍵號并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理。電池檢測部分只要把來自電池部分的電壓連接到某個A/D口就可以了。如果所用的電池電壓高于LPC2148的工作電壓(3.3 V)，通過電阻分壓后再接到A/D口。

3 結(jié)語

本文針對當(dāng)前抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了集RS 485，RS 232，USB 2.0及紅外通訊為一體的抄表通訊方案。其中RS 485主要用于智能電表和集中器之間的通訊，RS232和紅外用于集中器和便攜式抄表器之間的通訊，而上位機和抄表器之間則是通過USB 2.0進行通訊的。本文重點介紹了基于PLC2148便攜式抄表器的設(shè)計。該抄表器具有攜帶方便，通訊便捷，數(shù)據(jù)存儲量大，可軟件升級等優(yōu)點，應(yīng)用前景十分廣闊。隨著智能抄表系統(tǒng)的不斷普及和發(fā)展，便攜式抄表器將會有更加廣闊的用武之地。