基于A(yíng)RM7 LPC2148便攜式抄表器的設計

在自動(dòng)抄表系統中，除了使用RS485總線(xiàn)、電力線(xiàn)載波或電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行數據通訊外，有些時(shí)候需要工作人員到現場(chǎng)進(jìn)行數據采集，便攜式抄表器作為十分便捷的現場(chǎng)抄表工具，是自動(dòng)抄表系統數據采集手段的一個(gè)十分有效的補充，有著(zhù)十分廣闊的市場(chǎng)前景。

1 智能電表抄表系統簡(jiǎn)介

智能電表抄表系統的基本結構如圖1所示，智能電表通過(guò)采集器連接到集中器上，集中器每隔一定的時(shí)間（具體時(shí)間可以設置）對電表采集一次數據，并保存到集中器中的存儲器里，集中器通過(guò)電力線(xiàn)載波或者電話(huà)線(xiàn)可以直接將采集到的數據上傳給系統主機，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，現場(chǎng)采集集中器或者智能電表的數據，更新數據庫中的內容，通過(guò)抄表器上的USB接口可以將數據傳輸給計算機由計算機進(jìn)行處理、存檔。從而實(shí)現電表到計算機的數據自動(dòng)采集、傳輸、處理、打印等工作，免去了大量的手工勞動(dòng)，極大地提高了勞動(dòng)效率。

便攜式抄表器作為現場(chǎng)數據采集的必要工具。他有鍵盤(pán)輸入，可以手動(dòng)查詢(xún)、更新數據庫中的數據；大屏幕LCD點(diǎn)陣顯示，良好的人機對話(huà)界面；512 kB FLASH RAM，用于存放系統配置文件、程序及數據庫文件；1個(gè)RS 232接口，一個(gè)USB接口，1個(gè)紅外轉發(fā)器，實(shí)現與智能電表、集中器的有線(xiàn)或紅外通訊。RS 232和紅外接口完成對每個(gè)電表的數據采集工作，并可通過(guò)該接口對集中器或智能電表進(jìn)行設置、修改。USB接口完成同計算機的通訊，可以將抄表器中的數據傳送給計算機，也可以接收計算機下傳的程序文件及其他系統配置文件。

2 基于ARM7 LPC2148便攜式抄表器的硬件設計

LPC2148是Philip公司推出的基于ARM7 TDMI內核的精簡(jiǎn)指令系統的32位高速處理器。他的工作電壓為3.3 V，內核工作電壓僅為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共用的片內靜態(tài)RAM和512 kB的片內FLASHI程序存儲器。128位寬度接口／加速器可實(shí)現高達60 MHz工作頻率?？赏鈹UEPROM，SDRAM，FLASH，RAM，USB，LCD；通過(guò)片內Boot裝載程序實(shí)現在系統編程／在應用編程(ISP／IAP)。單個(gè)FLASH扇區或整片擦除時(shí)間為400 ms。256字節編程時(shí)間為1 ms；6路PWM調制輸出，可用于控制蜂鳴器輸出不同聲音，提示系統各類(lèi)信息；USB 2.O全速設備控制器具有2 kB終端RAM。此外，LPC2148提供8 kB的片內RAM，可通過(guò)DMA訪(fǎng)問(wèn)USB；14路10位A／D轉換器，可用于系統電池檢測；低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)具有獨立的電源和特定的32 kHz時(shí)鐘輸入，可用于紀錄抄表時(shí)間；多個(gè)串行接口，包括2個(gè)UART(16C550)、2個(gè)高速I(mǎi)2C總線(xiàn)(400 kb／s)、SPI和具有緩沖作用和數據長(cháng)度可變功能的SSP；2種低功耗模式：空閑和掉電。根據需要設置不同的工作方式，可以降低系統功耗。

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(pán)顯示電路、數據存儲電路、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，其硬件結構如圖2所示。

考慮到便攜式抄表器的低功耗、經(jīng)濟高效、性能穩定、接口電路簡(jiǎn)單和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，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(wú)需任何其他外圍器件，使用一個(gè)芯片即可實(shí)現UART接口的微控器與PC進(jìn)行異步數據傳輸。同時(shí)其3.3 V供電性能更是適合低功耗設備的應用。

考慮到抄表工作人員會(huì )隨時(shí)到現場(chǎng)進(jìn)行對集中器的數據讀取和參數設置，而集中器一般都帶有RS 232接口，故在抄表器中設計RS232接口電路是必須的，因LPC2148的2個(gè)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據格式轉換，本系統中采用MAX3111E串行異步收發(fā)器來(lái)實(shí)現，其接口電路如圖3所示。

LPC2148的MOSI1與DIN連接作為發(fā)送數據線(xiàn)，MISO1與DOUT連接為接收數據線(xiàn)，MAX3111E的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，從而利用其片內的轉換器實(shí)現UART到RS232電平的轉換，MAX3111E的中斷信號（IRQ）與LPC2148的外部中斷ENT1相連，以便當集中器有數據向系統傳輸時(shí)，直接給LPC2148一個(gè)中斷信號并執行相應的程序即可，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(guò)紅外通訊進(jìn)行抄表是便攜式抄表器的主要功能之一，也能真正體現其方便快捷的優(yōu)勢，紅外通信是利用950nm近紅外波頓的紅外線(xiàn)作為傳遞信息的媒體，即通信信道，發(fā)送端采用脈時(shí)調制（PPM）方式，將二進(jìn)制數字信號調制成某一頻率的脈沖序列，并驅動(dòng)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換成電信號，再經(jīng)過(guò)放大，濾波等處理后送給解調電路進(jìn)行解調，還原為二進(jìn)制數字信號后輸出。

紅外發(fā)射管選用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來(lái)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(zhuān)用紅外接收模塊TSOP173。該接收模塊是一個(gè)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(cháng)（950nm以外）的紅外光不敏感的特點(diǎn)。

紅外發(fā)送器的工作原理為：串行數據由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(guò)或非門(mén)調制成38kHz的載波信號，并利用兩個(gè)紅外發(fā)射管D1和D2以光脈沖的形式向外發(fā)送。數位“1”使T1管截止，紅外發(fā)射管D1和D2不發(fā)射紅外光。若傳送的波特率設為1 200 b／s，則每個(gè)數位“O”對應32個(gè)載波脈沖調制信號的時(shí)序，如圖4所示。

TSOP1738的工作原理為：首先，通過(guò)紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖調制紅外光信號轉化為電信號，再由前級放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理；然后，通過(guò)帶通濾波器和進(jìn)行濾波，濾波后的信號由解調電路進(jìn)行解調；最后，由輸出級電路進(jìn)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(xiàn)串行總線(xiàn)，支持一個(gè)主機同多個(gè)外設之間的通信。LPC2148帶有USB設備控制器，該控制器使能與USB主機控制器之間12 Mb／s的數據傳輸。他由寄存器接口、串行接口引擎、端點(diǎn)緩沖存儲器和DMA控制器組成。串行接口引擎對USB數據流進(jìn)行譯碼，并將數據寫(xiě)入相應的端點(diǎn)緩沖存儲器。結束后的USB傳輸或錯誤條件的狀態(tài)由狀態(tài)寄存器來(lái)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(shí)現其與上位機的通訊，主要包括抄表器向上位機傳輸抄表數據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，他是內部不帶字符發(fā)生器的3 V液晶模塊。顯示屏由128