適合智能電網(wǎng)工業(yè)應(yīng)用的ARM解決方案

數(shù)據(jù)采集器是當(dāng)今智能電網(wǎng)的重要組成部分。影響數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)的因素有很多，按照采集器的設(shè)計(jì)復(fù)雜性,住宅和工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)采集器可大致分為三級(jí)：入門級(jí)、中級(jí)和高級(jí)。恩智浦半導(dǎo)體的ARM解決方案可以滿足全部三種需求，提供合適的功能組合。

當(dāng)今的電力公司在智能電網(wǎng)中廣泛使用數(shù)據(jù)采集器跟蹤電力消費(fèi)、監(jiān)控電網(wǎng)功能并分析電力運(yùn)行情況。數(shù)據(jù)采集器電路通常置于電子式電表之間，這些電表用于測定電力使用量和電網(wǎng)上游網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集器從電子式電表采集輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，然后將集中數(shù)據(jù)分程傳遞或上傳至網(wǎng)絡(luò)。
 

圖1用于入門級(jí)數(shù)據(jù)采集

入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器的資源要求

影響數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)的因素有很多，包括電力線類型(單相或多相)和公用系統(tǒng)(住宅或工業(yè))的功能要求。不過，一般情況下，數(shù)據(jù)采集器的常見類別分為三種：入門級(jí)、中級(jí)和高級(jí)。本文將分別概述這三種數(shù)據(jù)采集器，并討論為數(shù)據(jù)采集器選擇微控制器時(shí)需要考慮的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)資源要求。

入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器

入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器，顧名思義，能滿足相對(duì)基本的系統(tǒng)要求。通常支持單相電力線(常與住宅電表一起使用)，用來采集自動(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)的閃存里(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)。
 

圖2LPC1200功能框圖

入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器通常在向上游網(wǎng)絡(luò)傳遞信息之前會(huì)執(zhí)行一定量的初步數(shù)據(jù)處理。例如，通過使用少量的數(shù)據(jù)采樣并搭配時(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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、存儲(chǔ)。這樣有助于電力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)采集器也可監(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，報(bào)告間隔超過公差、或檢測到故障或異常數(shù)據(jù)，那么數(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，可能需要擴(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(duì)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)可能對(duì)微控制器提出更多要求。
 

圖3用于高級(jí)數(shù)據(jù)采集器的微控制器配置示例

圖1顯示了如何配置微控制器用于入門級(jí)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)中應(yīng)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。

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。電力公司不想增加電網(wǎng)電力消耗而產(chǎn)生額外成本，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。

考慮到這些不同需求，32位微控制器通常是最佳選擇。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)8位和16位微控制器的功率不足以處理多個(gè)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，且往往缺乏必要的配置資源來支持系統(tǒng)運(yùn)行。另一方面，因?yàn)榇蠖鄶?shù)32位微控制器具有多種電源模式，設(shè)計(jì)人員通?？梢赃M(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，提高性能和效率。

決定使用32位架構(gòu)后，設(shè)計(jì)師仍然需要找到提供合理功能組合的解決方案。這里會(huì)面對(duì)一個(gè)潛在的難題,因?yàn)榇蠖鄶?shù)32位微控制器除了具備必要的UART數(shù)量，但也提供了系統(tǒng)用不上的其它高級(jí)功能(如以太網(wǎng)、I2S和液晶顯示接口)。恩智浦LPC1200工業(yè)控制系列(如圖2所示)，為此難題提供了不錯(cuò)的解決方案。該系列采用ARMCortex-M0處理器，提供高達(dá)128KB閃存，且包含數(shù)據(jù)采集器可以使用的其它資源，如RTC、ADC和SPI。

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(duì)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。

中級(jí)和高級(jí)數(shù)據(jù)采集器

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

高級(jí)數(shù)據(jù)采集器典型用于更復(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。200MHz以上主頻通常是最佳選擇。高級(jí)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。

對(duì)于這樣一個(gè)方案，恩智浦LPC32x0系列不失為一個(gè)很好的選擇。該系列采用ARM9CPU內(nèi)核，其運(yùn)行速度高達(dá)266MHz，同時(shí)采用矢量浮點(diǎn)(VFP)協(xié)處理器用于高級(jí)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以太網(wǎng)MAC、1個(gè)具有全速主機(jī)和設(shè)備性能的USBOTG、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。

較之入門級(jí)產(chǎn)品，高級(jí)數(shù)據(jù)采集器的成本顯著增加。圖3的配置始終為三芯片解決方案，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，這也符合了中級(jí)解決方案的要求(見圖4)。

相對(duì)于高級(jí)解決方案，中級(jí)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，這樣在PCB方面可節(jié)省高達(dá)2美元~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(jí)數(shù)據(jù)采集器更適合作為入門級(jí)的升級(jí)產(chǎn)品使用，并非高級(jí)解決方案的替代方案。中級(jí)數(shù)據(jù)采集器更適合可以犧牲系統(tǒng)功能換取成本的工業(yè)應(yīng)用；對(duì)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。
 

圖4用于中級(jí)數(shù)據(jù)采集器的微控制器配置示例

恩智浦LPC1760系列非常適合中級(jí)數(shù)據(jù)采集器。該系列采用ARMCortex-M3CPU，主頻高達(dá)100MHz，且包括最大64KB的SRAM和512KB閃存。板載外設(shè)和通信接口也為中級(jí)數(shù)據(jù)采集器提供了充足的資源。

結(jié)合使用

對(duì)于多設(shè)備和多用戶的智能電網(wǎng)，可以將入門級(jí)和中級(jí)或高級(jí)數(shù)據(jù)采集器結(jié)合使用，從而創(chuàng)建一個(gè)更全面的系統(tǒng)。例如，在高層住宅中，數(shù)據(jù)采集可以細(xì)化到樓棟和樓層。每套公寓的電子式電表可以向每個(gè)樓層的入門級(jí)數(shù)據(jù)采集器提供數(shù)據(jù)；同時(shí)采用一系列中級(jí)或高級(jí)數(shù)據(jù)采集器將各樓層的數(shù)據(jù)合并匯總，從而生成整棟大樓的信息。這樣的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)基于層的數(shù)據(jù)采集和處理，既平衡了工作負(fù)載，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了高水平的數(shù)據(jù)粒度和可管理性。

結(jié)論

相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集器可能是微不足道的小組件，卻執(zhí)行了提高電網(wǎng)智能化的重要任務(wù)。數(shù)據(jù)采集器除了可從電子式電表池采集數(shù)據(jù)外，也可以配置用于多種實(shí)用操作：檢查輸電質(zhì)量、監(jiān)測電力使用數(shù)據(jù)、提供事件數(shù)據(jù)記錄以及報(bào)告系統(tǒng)故障。不論是入門級(jí)、中級(jí)還是高級(jí)數(shù)據(jù)采集器，選擇合適的32位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)考慮其它設(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(jí)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，是各種住宅和工業(yè)用數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)的理想選擇。