基于新型多MCU系統的多功能電能表的設計

0. 引言
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多具有諧波源作用的非線(xiàn)性設備投入使用，電網(wǎng)電能質(zhì)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行懲罰性和補償性計費制度以提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。實(shí)現這個(gè)準確、合理的電能計量和質(zhì)量評估方案的關(guān)鍵，是研制能夠進(jìn)行諧波分析的多功能電能計量監測裝置，這樣的裝置必須能夠在高速、實(shí)時(shí)采集數據的同時(shí)對數據進(jìn)行快速傅立葉變換分析和對各項電能指標進(jìn)行計算、顯示，這要求用多MCU系統設計多功能電能表。
應用多MCU系統的電能計量、質(zhì)量監測裝置總體框圖如圖1所示。多MCU系統由兩個(gè)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(jìn)行FFT運算和對基波及各次諧波電能數據的分時(shí)計費計算，數據共享接口則承擔著(zhù)微處理器MCU1和MCU2之間數據交換共享的作用，相當于多MCU系統數據中心。因此，數據共享接口性能的優(yōu)劣，將直接決定著(zhù)多MCU系統工作效率的高低和和系統數據保護的可靠程度。

目前，多MCU系統多采用雙口RAM（如IDT7134芯片）或微控制器的串行接口作為多個(gè)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(gè)配備兩套獨立的地址、數據、控制線(xiàn)的存儲器，允許兩個(gè)獨立的MCU對數據進(jìn)行存取共享。當發(fā)生兩個(gè)MCU同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一地址的存儲單元時(shí)，通過(guò)內部仲裁邏輯控制電路提供訪(fǎng)問(wèn)允許和延緩保持的訪(fǎng)問(wèn)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(xiě)控制突，這樣的多MCU系統必定存在110ns的數據交換延時(shí)周期，而且數據存儲具有易失性，系統一旦掉電重要數據就會(huì )丟失。另外，每個(gè)MCU需要至少16條I/O口線(xiàn)作為地址、數據、控制線(xiàn)，MCU之間的接線(xiàn)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(lái)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(mǎn)足系統對實(shí)時(shí)性的要求。隨著(zhù)符合I2C總線(xiàn)標準的鐵電存儲器(FRAM)的出現，為用戶(hù)所熟悉的I2C總線(xiàn)技術(shù)將為我們解決多MCU系統數據共享的問(wèn)題，提供了一種接線(xiàn)簡(jiǎn)單、數據訪(fǎng)問(wèn)高速、無(wú)讀寫(xiě)時(shí)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(xiàn)的新型多MCU系統，該系統實(shí)時(shí)性高，數據保護可靠，接線(xiàn)簡(jiǎn)單器件集成度高，裝置體積小。

1. 符合I2C總線(xiàn)標準的鐵電存儲器(FRAM)工作原理和特性

1．1、 I2C總線(xiàn)標準
I2C 總線(xiàn)是PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向、二線(xiàn)制、同步串行總線(xiàn)，只需要兩條信號線(xiàn)即可在連接于總線(xiàn)上的器件之間傳送信息，具備多MCU系統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(xiàn)的信號線(xiàn)為數據線(xiàn)SDA ( Serial Data) 和時(shí)鐘線(xiàn)SCL (Serial Clock) ,都是雙向傳輸的。數據線(xiàn)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(shí)鐘線(xiàn)SCL上傳輸由主控器件發(fā)出時(shí)鐘同步信號。根據向總線(xiàn)發(fā)送數據還是從總線(xiàn)接收數據將總線(xiàn)上器件的工作模式分為發(fā)送和接收。通常，在I2C總線(xiàn)上有一個(gè)控制總線(xiàn)的器件，稱(chēng)為主器件(Master)，負責為所有的通信操作產(chǎn)生時(shí)鐘信號，而受控制的器件稱(chēng)為從器件( Slave),可以是任何符合I2C總線(xiàn)標準的器件，但是主器件只能由帶CPU的器件擔任。每一個(gè)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(gè)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(gè)主器件共存于一條I2C總線(xiàn)上，比如本文所設計的多MCU系統中MCU1和MCU2在I2C 總線(xiàn)上都作為主器件。
通常，掛在總線(xiàn)上的從器件都有唯一的地址標號，稱(chēng)為從地址（Slave ID），主器件通過(guò)向總線(xiàn)發(fā)送從地址來(lái)呼叫某個(gè)要與之交換數據的器件，這種呼叫和數據交換以I2C 總線(xiàn)通信協(xié)議為規范進(jìn)行，這種協(xié)議由SDA、SCL信號線(xiàn)上的啟動(dòng)（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(shuō)明了這四種狀態(tài)的信號組成。其中啟動(dòng)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(shí)，它工作于主發(fā)送模式，此時(shí)從器件工作于從接收模式并對每個(gè)收到的字節數據以一個(gè)應答位作為收到確認信號。與此相反，從器件向總線(xiàn)發(fā)送數據位，主器件負責對每一個(gè)收到的字節數據進(jìn)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(gè)啟動(dòng)狀態(tài)開(kāi)始，然后發(fā)送一個(gè)帶有讀、寫(xiě)識別的從地址，這個(gè)從地址的高7位標識器件的ID號，最低位標識讀寫(xiě)或數據傳輸方向，0為寫(xiě)1為讀。寫(xiě)數據時(shí)由主器件向從器件傳送數據，讀數時(shí)由從器件向主器件傳送數據?？偩€(xiàn)上所有器件都有內部邏輯，當檢測到啟動(dòng)狀態(tài)后則進(jìn)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(dòng)產(chǎn)生一個(gè)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的長(cháng)短。最后，通信結束時(shí)由主器件產(chǎn)生一個(gè)停止狀態(tài)（Stop）以結束這次通信。圖3b說(shuō)明了I2C 總線(xiàn)的通信時(shí)序。