基于ARM7 LPC2148便攜式抄表器的設(shè)計(jì)

自動(dòng)抄表系統(tǒng)(Automatic Meter Reading System，AMRS)是一種不需要人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)就能完成抄讀用戶用電量的智能化管理系統(tǒng)，近年來，這一技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)運(yùn)而生，而發(fā)展非常迅速，他的最終目的是自動(dòng)、集中、定時(shí)地抄錄各用戶的用電量，這對(duì)于提高電力部門的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益有著十分重要的意義。

在自動(dòng)抄表系統(tǒng)中，除了使用RS485總線、電力線載波或電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊外，有些時(shí)候需要工作人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，便攜式抄表器作為十分便捷的現(xiàn)場(chǎng)抄表工具，是自動(dòng)抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集手段的一個(gè)十分有效的補(bǔ)充，有著十分廣闊的市場(chǎng)前景。

1 智能電表抄表系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智能電表抄表系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，智能電表通過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(shè)置)對(duì)電表采集一次數(shù)據(jù)，并保存到集中器中的存儲(chǔ)器里，集中器通過電力線載波或者電話線可以直接將采集到的數(shù)據(jù)上傳給系統(tǒng)主機(jī)，便攜式抄表器的主要任務(wù)是用自己的指令解釋并運(yùn)行上位機(jī)所編的程序，現(xiàn)場(chǎng)采集集中器或者智能電表的數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，通過抄表器上的USB接口可以將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存檔。從而實(shí)現(xiàn)電表到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)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(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的必要工具。他有鍵盤輸入，可以手動(dòng)查詢、更新數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù);大屏幕LCD點(diǎn)陣顯示，良好的人機(jī)對(duì)話界面;512 kB FLASH RAM，用于存放系統(tǒng)配置文件、程序及數(shù)據(jù)庫文件;1個(gè)RS 232接口，一個(gè)USB接口，1個(gè)紅外轉(zhuǎn)發(fā)器，實(shí)現(xiàn)與智能電表、集中器的有線或紅外通訊。RS 232和紅外接口完成對(duì)每個(gè)電表的數(shù)據(jù)采集工作，并可通過該接口對(duì)集中器或智能電表進(jìn)行設(shè)置、修改。USB接口完成同計(jì)算機(jī)的通訊，可以將抄表器中的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，也可以接收計(jì)算機(jī)下傳的程序文件及其他系統(tǒng)配置文件。

2 基于ARM7 LPC2148便攜式抄表器的硬件設(shè)計(jì)

LPC2148是Philip公司推出的基于ARM7 TDMI內(nèi)核的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的32位高速處理器。他的工作電壓為3.3 V，內(nèi)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(nèi)靜態(tài)RAM和512 kB的片內(nèi)FLASHI程序存儲(chǔ)器。128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60 MHz工作頻率。可外擴(kuò)EPROM，SDRAM，F(xiàn)LASH，RAM，USB，LCD;通過片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程(ISP/IAP)。單個(gè)FLASH扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400 ms。256字節(jié)編程時(shí)間為1 ms;6路PWM調(diào)制輸出，可用于控制蜂鳴器輸出不同聲音，提示系統(tǒng)各類信息;USB 2.O全速設(shè)備控制器具有2 kB終端RAM。此外，LPC2148提供8 kB的片內(nèi)RAM，可通過DMA訪問USB;14路10位A/D轉(zhuǎn)換器，可用于系統(tǒng)電池檢測(cè);低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)具有獨(dú)立的電源和特定的32 kHz時(shí)鐘輸入，可用于紀(jì)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I2C總線(400 kb/s)、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP;2種低功耗模式：空閑和掉電。根據(jù)需要設(shè)置不同的工作方式，可以降低系統(tǒng)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、鍵盤顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、RS 232接口電路、USB 2.O計(jì)算機(jī)接口電路和能源控制電路等部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

考慮到便攜式抄表器的低功耗、經(jīng)濟(jì)高效、性能穩(wěn)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，硬件上無需任何其他外圍器件，使用一個(gè)芯片即可實(shí)現(xiàn)UART接口的微控器與PC進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)其3.3 V供電性能更是適合低功耗設(shè)備的應(yīng)用。

考慮到抄表工作人員會(huì)隨時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)集中器的數(shù)據(jù)讀取和參數(shù)設(shè)置，而集中器一般都帶有RS 232接口，故在抄表器中設(shè)計(jì)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(jī)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(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中采用MAX3111E串行異步收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，其接口電路如圖3所示。

LPC2148的MOSI1與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線，MISO1與DOUT連接為接收數(shù)據(jù)線，MAX3111E的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接，從而利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)UART到RS232電平的轉(zhuǎn)換，MAX3111E的中斷信號(hào)(IRQ)與LPC2148的外部中斷ENT1相連，以便當(dāng)集中器有數(shù)據(jù)向系統(tǒng)傳輸時(shí)，直接給LPC2148一個(gè)中斷信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)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(xiàn)其方便快捷的優(yōu)勢(shì)，紅外通信是利用950nm近紅外波頓的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道，發(fā)送端采用脈時(shí)調(diào)制(PPM)方式，將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)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(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過放大，濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)后輸出。

紅外發(fā)射管選用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來向外發(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(qiáng)、輸入靈敏度高、對(duì)其他波長(zhǎng)(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(shù)據(jù)由LPC2148的串行輸出端TXD1送出并于P0.21口產(chǎn)生的頻率為38KHz的脈沖序列通過或非門調(diào)制成38kHz的載波信號(hào)，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(shù)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(shè)為1 200 b/s，則每個(gè)數(shù)位“O”對(duì)應(yīng)32個(gè)載波脈沖調(diào)制信號(hào)的時(shí)序，如圖4所示。

TSOP1738的工作原理為：首先，通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前級(jí)放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理;然后，通過帶通濾波器和進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào);最后，由輸出級(jí)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線串行總線，支持一個(gè)主機(jī)同多個(gè)外設(shè)之間的通信。LPC2148帶有USB設(shè)備控制器，該控制器使能與USB主機(jī)控制器之間12 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸。他由寄存器接口、串行接口引擎、端點(diǎn)緩沖存儲(chǔ)器和DMA控制器組成。串行接口引擎對(duì)USB數(shù)據(jù)流進(jìn)行譯碼，并將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的端點(diǎn)緩沖存儲(chǔ)器。結(jié)束后的USB傳輸或錯(cuò)誤條件的狀態(tài)由狀態(tài)寄存器來指示，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(xiàn)其與上位機(jī)的通訊，主要包括抄表器向上位機(jī)傳輸抄表數(shù)據(jù)以及上位機(jī)對(duì)抄表器的升級(jí)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(nèi)部不帶字符發(fā)生器的3 V液晶模塊。顯示屏由128×64點(diǎn)陣組成，共有64行，分為8頁，每頁8行，每行128列。

考慮到GPIO口資源有限，同時(shí)還有功耗問題，我們采用了串行變換法來連接驅(qū)動(dòng)LCD模塊。加入/串入并出的移位寄存器74HC595，用LPC2148的GPlO口復(fù)用SPI功能或直接用GPIO口模擬SPI功能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，后者更加方便。下面用這種方式進(jìn)行說明，同樣為方便，選用了連續(xù)的GPIO口P0.0～P0.7，具體設(shè)計(jì)系統(tǒng)要按實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行配置。HS12864-16A的數(shù)據(jù)線為8條，所以存在于FLASH中的字模也是按8位存的，可由字模軟件得出，傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的時(shí)候要滿足以下時(shí)序：首先使D/I為高電平，R/W為低電平，接著將FLASH里的某個(gè)8位二進(jìn)制字模傳送到8個(gè)I/O口上，然后使能E模擬下降沿時(shí)序，把數(shù)據(jù)鎖存到液晶顯示器內(nèi)部的顯示存儲(chǔ)器中即可顯示。LCD與LPC2148的連接如圖6所示。

便攜式抄表器還包括鍵盤輸入、電池檢測(cè)等部分。比如鍵盤輸入部分：可以采用鍵盤掃描的方式，通過接入通用I/O口，循環(huán)檢測(cè)是否有鍵被按下，如有鍵被按下，則去除鍵抖動(dòng)，判斷鍵號(hào)并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理。電池檢測(cè)部分只要把來自電池部分的電壓連接到某個(gè)A/D口就可以了。如果所用的電池電壓高于LPC2148的工作電壓(3.3 V)，通過電阻分壓后再接到A/D口。

3 結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前抄表系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了集RS 485，RS 232，USB 2.0及紅外通訊為一體的抄表通訊方案。其中RS 485主要用于智能電表和集中器之間的通訊，RS232和紅外用于集中器和便攜式抄表器之間的通訊，而上位機(jī)和抄表器之間則是通過USB 2.0進(jìn)行通訊的。本文重點(diǎn)介紹了基于PLC2148便攜式抄表器的設(shè)計(jì)。該抄表器具有攜帶方便，通訊便捷，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，可軟件升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。隨著智能抄表系統(tǒng)的不斷普及和發(fā)展，便攜式抄表器將會(huì)有更加廣闊的用武之地。