適合智能電網(wǎng)工業(yè)應用的ARM解決方案

數據采集器是當今智能電網(wǎng)的重要組成部分。影響數據采集器設計的因素有很多，按照采集器的設計復雜性,住宅和工業(yè)應用中的數據采集器可大致分為三級：入門(mén)級、中級和高級。恩智浦半導體的ARM解決方案可以滿(mǎn)足全部三種需求，提供合適的功能組合。

當今的電力公司在智能電網(wǎng)中廣泛使用數據采集器跟蹤電力消費、監控電網(wǎng)功能并分析電力運行情況。數據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 )。數據采集器從電子式電表采集輸入數據，進(jìn)行一定的數據處理，然后將集中數據分程傳遞或上傳至網(wǎng)絡(luò )。

圖1用于入門(mén)級數據采集

入門(mén)級數據采集器的資源要求

影響數據采集器設計的因素有很多，包括電力線(xiàn)類(lèi)型(單相或多相)和公用系統(住宅或工業(yè))的功能要求。不過(guò)，一般情況下，數據采集器的常見(jiàn)類(lèi)別分為三種：入門(mén)級、中級和高級。本文將分別概述這三種數據采集器，并討論為數據采集器選擇微控制器時(shí)需要考慮的數據處理和系統資源要求。

入門(mén)級數據采集器

入門(mén)級數據采集器，顧名思義，能滿(mǎn)足相對基本的系統要求。通常支持單相電力線(xiàn)(常與住宅電表一起使用)，用來(lái)采集自動(dòng)抄表系統(AMR)的數據，或新式帶數字輸出的智能電表數據。采集的數據通常存儲在采集器系統的閃存里(內置或外置于微控制器本身)，集中數據通過(guò)選定的通信接口在預定時(shí)間傳輸至上游網(wǎng)絡(luò )。

圖2LPC1200功能框圖

入門(mén)級數據采集器通常在向上游網(wǎng)絡(luò )傳遞信息之前會(huì )執行一定量的初步數據處理。例如，通過(guò)使用少量的數據采樣并搭配時(shí)間記錄，數據采集器可以報告某一特定時(shí)間內的電力使用情況，從短短幾分鐘到一個(gè)星期或一個(gè)月不等；也可以根據不同時(shí)間間隔和篩選方式對數據進(jìn)行分類(lèi)、存儲。這樣有助于電力公司詳盡地分析電力使用趨勢，數據粒度細化至單個(gè)用戶(hù)，并可進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，實(shí)現更合理的電力輸配。經(jīng)配置后，數據采集器也可監測電子式電表的下游運行情況。如果電表參數發(fā)生變化，報告間隔超過(guò)公差、或檢測到故障或異常數據，那么數據采集器會(huì )實(shí)現軟件智能化，及時(shí)報警，并向維護團隊提供遠程修復所需的信息。

各地智能電網(wǎng)的傳輸方式可能有所不同，因此，應地方規范要求，可能需要擴展基本功能集。根據數據采集器的部署位置，可以使用RS-485、通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(GPRS)或電力線(xiàn)通信(PLC)進(jìn)行數據傳輸，也可用紅外線(xiàn)或RS–485進(jìn)行外部控制。許多開(kāi)發(fā)商并不針對每個(gè)地區或市場(chǎng)進(jìn)行定制設計，而是采取了“一刀切”的做法，構建系統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(lái)規模經(jīng)濟效益，但同時(shí)可能對微控制器提出更多要求。

圖3用于高級數據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(mén)級數據采集器，表1則列出了該設計的一般功能要求。假定該設備從多個(gè)UART端口采集數據，并支持多種基本功能，包括輸入采集、數據存儲、通信和維護，設計中應包括用于提供時(shí)間戳數據的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、進(jìn)行實(shí)時(shí)供電質(zhì)量檢查的可選模數轉換器(ADC)，以及與外部存儲器或外部設備通信(如無(wú)線(xiàn)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(lái)說(shuō)，數據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，消費者也不愿意因使用新的計量功能而增加電費支出。

考慮到這些不同需求，32位微控制器通常是最佳選擇。這是因為大多數8位和16位微控制器的功率不足以處理多個(gè)數據源的數據，且往往缺乏必要的配置資源來(lái)支持系統運行。另一方面，因為大多數32位微控制器具有多種電源模式，設計人員通?？梢赃M(jìn)行系統優(yōu)化，提高性能和效率。

決定使用32位架構后，設計師仍然需要找到提供合理功能組合的解決方案。這里會(huì )面對一個(gè)潛在的難題,因為大多數32位微控制器除了具備必要的UART數量，但也提供了系統用不上的其它高級功能(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的解決方案。該系列采用ARMCortex-M0處理器，提供高達128KB閃存，且包含數據采集器可以使用的其它資源，如RTC、ADC和SPI。

LPC1200系列標配支持兩個(gè)UART，另外，其獨特的特殊應用標準產(chǎn)品(ASSP)功能使得該系統可以額外支持兩個(gè)硬件UART。ASSP功能讓設計人員可以避免增加高端設備支出，同時(shí)又具有足夠的靈活性，可在不同應用中執行多項任務(wù)。例如，其內置的ASSP還可以被配置用于I2C轉DMA傳輸、引腳模式匹配，或模擬數據記錄等。使用ASSP可降低CPU的負載及減少處理簡(jiǎn)單信息時(shí)對系統運行產(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開(kāi)銷(xiāo)。

中級和高級數據采集器

較之入門(mén)級數據采集器，中級和高級數據采集器都具有更廣泛的功能。高級與中級的區別通常在于CPU速度。也就是說(shuō)，高級數據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。

高級數據采集器典型用于更復雜的住宅設置和三相工業(yè)應用中。計算需求越高，CPU性能要求也越高。200MHz以上主頻通常是最佳選擇。高級數據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，以及供本地數據下載的USB主機。這些新增功能需要更多閃存與系統內存，且需要實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)。圖3給出了示例功能框圖。