引言

    目前，測量?jì)x表正向網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展，每一個(gè)單獨的嵌入式儀表都將成為Internet上的一個(gè)節點(diǎn)。本系統在A(yíng)RM+RTOS的方式下實(shí)現了電子式電能表的網(wǎng)絡(luò )化，硬件平臺以ARM核微控制器Hero-I CSoC為核心，軟件系統則是在uC/OS-II操作系統下開(kāi)發(fā)的。

系統硬件設計

    Hero-I CSoC是研祥公司推出的一款以ARM7TDMI-S為核心的32位微控制器。Hero-I CSoC內部集成了很多功能，包括128k字節的高速Flash存儲器、雙UART、多個(gè)32位定時(shí)器，以及SPI、I2C串行接口和RTC等。其中UART1帶有完全的調制解調器接口，可以用于網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品。
CS5460是Cirrus Logic公司的單相功率/電能計量芯片，帶有串行接口。CS5460集成度很高，里面包含了兩個(gè) ADC、高/低通數字濾波器、能量計算單元、串行接口和數字-頻率轉換器等。CS5460將它測得和計算出的結果分別保存在它的各個(gè)寄存器中，而能量值則通過(guò)脈沖輸出給CPU，還可以驅動(dòng)計度器。

    該網(wǎng)絡(luò )化儀表的工作原理是：首先由采樣電路將輸入的大電流/電壓轉化為CS5460能夠接收的小電壓信號。CS5460根據采樣的電流/電壓計算出電能，然后將電流、電壓、電能和功率等通過(guò)三線(xiàn)雙向串行接口傳送給CPU(能量值通過(guò)脈沖輸出)，CPU根據鍵盤(pán)的輸入指令在液晶顯示器上顯示結果或者通過(guò)串口將結果傳送到Internet上。Hero-I CSoC本身既作為CS5460的控制器，又作為嵌入式網(wǎng)關(guān)，實(shí)現了電能表的遠程通信功能。

    CS5460只能接收小于150mV的小電壓信號，在采樣電路部分應選擇適當的電流/電壓互感器，將輸入的電流/電壓轉換到CS5460能夠接收的電壓范圍。

    在電壓采樣電路中，取入的電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器降壓、隔離，然后通過(guò)低通濾波。最后端的電容C1表現出很大的阻抗，用于取電壓。電流采樣電路比電壓采樣電路多了取樣電阻R5。R5用于將從電流互感器出來(lái)的電流轉換為電壓。

    CS5460與Hero-I CSoC以標準SPI接口，非常容易。由于CS5460是以定寬變脈沖輸出能量值，因此將其能量輸出引腳與Hero-I CSoC的一個(gè)外部中斷引腳相連，用來(lái)收集能量值。

    由于電能的累計值以及校準常數需要保存到EEPROM中，所以擴展一片24C16用來(lái)保存這些數值。Hero-I CSoC本身帶有I2C接口，擴展EEPROM非常容易。

    Hero-I CSoC的4UART1口帶有完全的調制解調器接口。由于電能表接入Internet所需要傳輸的數據量不大，因此可以選用低速的modem芯片，如可選用OKI公司的MSM7512B。MSM7512B是1200bps半雙工的FSK調制解調器。采用3-5V單電源工作，功耗較低。

    另外需要注意的是CS5460輸入/輸出信號均為5V，而Hero-I CSoC的信號為3.3V，因此兩者之間需要加上電平轉換電路。

系統軟件設計

    ARM應用系統可以基于嵌入式操作系統平臺，也可以不使用操作系統，直接通過(guò)啟動(dòng)代碼啟動(dòng)。為了方便實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化功能，本系統選擇基于嵌入式操作系統平臺的方式。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統uC/OS-II在裁減之后僅有128K的Flash存儲器，故可以選擇在其中移植uC/OS-II。
首先需要將uC/OS-II操作系統移植到Hero-I CSoC微處理器上。為了便于移植，uC/OS-II的源代碼大部分是用C語(yǔ)言寫(xiě)的，移植過(guò)程中只需要重寫(xiě)少數幾個(gè)與處理器直接相關(guān)的文件就可以了。Hero-I CSoC上移植uC/OS-II已經(jīng)有成功的實(shí)例，可以從網(wǎng)上得到。

    uC/OS-II本身并不支持網(wǎng)絡(luò )功能。為了實(shí)現電能表的網(wǎng)絡(luò )化，還需要移植TCP/IP協(xié)議。由于此嵌入式系統本身的功能比較單一，因此可以選擇簡(jiǎn)單的嵌入式協(xié)議棧，將不需要用到的協(xié)議去掉。由于電能表需要傳輸的數據量不大，但可靠性要求較高，因此在傳輸層應該選用可靠數據傳輸控制協(xié)議TCP，在網(wǎng)絡(luò )層選用基本數據傳輸協(xié)議IP。

軟件部分主要實(shí)現以下功能：
1.數據采集及計算。計算部分主要由CS5460完成，當發(fā)出啟動(dòng)轉換的命令之后，延時(shí)適當的時(shí)間，就可以從相應的寄存器中讀出所需要的測量值。電能值是以脈沖形式傳送給CPU的。有效功率的測量是通過(guò)對1秒的脈沖進(jìn)行計數實(shí)現的。例如可以編程控制CS5460每轉換10焦耳的能量時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，然后以脈沖計數乘以10計算出有效功率。每隔幾分鐘，電流累計能量會(huì )被寫(xiě)入24C16串行EEPROM。這樣可以保存經(jīng)過(guò)的時(shí)間內的所有能量。校準常數也保存在24C16中。但系統重新上電的時(shí)候，這些校準常數會(huì )被從24C16中讀出并且寫(xiě)回CS5460。

2.按鍵管理及液晶顯示。由于Hero-I CSoC的總線(xiàn)不開(kāi)發(fā)，給驅動(dòng)液晶顯示帶來(lái)一定的不便，但可以以普通I/O口模擬總線(xiàn)時(shí)序進(jìn)行操作。

3.系統校準。在校準之前，應該使CS5460處于有效操作狀態(tài)，并且通過(guò)SPI接收有效命令，清除狀態(tài)寄存器中的數據準備就緒位(DRDY)；
然后，給電壓和電流的輸入通道施加相應的校準信號；接著(zhù)，通過(guò)SPI接口向CS5460發(fā)送8位的校準命令字；最后，在相應的校準寄存器中保存校準結果，并且置位DRDY 位以通知CS5460校準結束。校準模塊主要提供一個(gè)管理界面，用戶(hù)可以通過(guò)這個(gè)界面對電流表的電壓、電流、功率等參數進(jìn)行校正，并把校正后的數據保存。

4.網(wǎng)絡(luò )通信。需要發(fā)出AT指令對modem進(jìn)行控制，并且產(chǎn)生符合通信協(xié)議的數據流。發(fā)送數據時(shí)，應用程序發(fā)送的數據經(jīng)TCP/IP協(xié)議封裝之后，再利用下層的PPP協(xié)議封裝為PPP幀，然后通過(guò)異步串行口驅動(dòng)程序將PPP幀發(fā)送出去。接收數據時(shí)，由異步串口驅動(dòng)程序負責接收數據。然后由TCP模塊和IP協(xié)議模塊對數據進(jìn)行處理，將用戶(hù)數據交給應用程序。

    uC/OS-II屬于搶先式剝奪型實(shí)時(shí)內核，永遠保證優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)的運行。uC/OS-II可以完成各任務(wù)之間的調度和同步，協(xié)調硬件資源。各個(gè)任務(wù)之間通過(guò)信號量、郵箱、消息隊列等通信機制進(jìn)行數據共享及任務(wù)通信?；趗C/OS-II嵌入式操作系統平臺編程的關(guān)鍵在于任務(wù)的劃分以及優(yōu)先級的確定。

    各任務(wù)的優(yōu)先級為：過(guò)流過(guò)壓保護>數據處理>實(shí)時(shí)時(shí)鐘>數據存儲>遠程通信。

結語(yǔ)

    本文介紹的網(wǎng)絡(luò )化電能表軟件系統是在嵌入式操作系統平臺下開(kāi)發(fā)的，便于單個(gè)任務(wù)調試，單個(gè)任務(wù)的錯誤不會(huì )導致整個(gè)系統的崩潰。傳統的嵌人式網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品需要專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)關(guān)以實(shí)現數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸，本系統則實(shí)現了嵌入式網(wǎng)關(guān)與測量控制部分感到一體化，這是以后實(shí)現嵌入式產(chǎn)品上網(wǎng)的趨勢。