一種基于ATmage64的無線電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

陳　瓊,李秀平,楊　杰*,楊　悅

(1.東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院,廣東 東莞 523808;2.惠州出入境檢驗(yàn)檢疫局,廣東 惠州 516006)

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一種基于ATmage64的無線電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

陳瓊1,李秀平1,楊杰1*,楊悅2

(1.東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院,廣東 東莞 523808;2.惠州出入境檢驗(yàn)檢疫局,廣東 惠州 516006)

摘要:設(shè)計(jì)了一款電能數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由單片機(jī)ATmage64、電能采集芯片CS7760和無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片IA4421組成。系統(tǒng)終端可通過讀取感應(yīng)器的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的用電量采集及對(duì)用電設(shè)備的通、斷電控制,系統(tǒng)通信采用全雙工方式,工作頻率為433 MHz/915 MHz,發(fā)射功率為5 dBm,接收靈敏度為-100 dBm。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各類需要無線數(shù)據(jù)采集的工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞:ATmage64;CS7760;IA4421;無線數(shù)據(jù)采集

隨著我國(guó)社會(huì)的飛速發(fā)展,居民及工業(yè)用電量發(fā)生了大幅的攀升,導(dǎo)致用戶耗電量采集工作日益繁重,傳統(tǒng)的人工抄表或預(yù)付費(fèi)抄表方式已難以滿足實(shí)際工作的需求,尤其是傳統(tǒng)耗電數(shù)據(jù)收集方式存在的可靠性、安全隱患等缺陷已經(jīng)引起了相關(guān)部門的高度重視。在此背景下,這些年來我國(guó)智能電網(wǎng)已經(jīng)得到了大規(guī)模的建設(shè),智能化、遠(yuǎn)程化的電力抄表技術(shù)是發(fā)展的大趨勢(shì)[1-2]。無線通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)[3-4],利用這類技術(shù)可以設(shè)計(jì)一類電力耗能數(shù)據(jù)的便捷獲取和智能處理的無線采集系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)了一種無線電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用電能采集芯片CS7760對(duì)用戶端的耗電量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片IA4421則負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)的無線傳輸和接收,數(shù)據(jù)的處理和管理等由單片機(jī)ATmega64完成。其中用戶電能監(jiān)控的無線接收部分終端是一個(gè)包含多通道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感應(yīng)裝置,用以獲取相關(guān)用戶的電能消耗,系統(tǒng)還包括開關(guān)控制、電能消耗記錄與調(diào)出、串口通信等功能;ATmega64單片機(jī)采用哈佛體系結(jié)構(gòu),內(nèi)部帶硬件乘法器,能夠迅速地處理多通道的電能數(shù)據(jù)及控制無線通信模塊數(shù)據(jù)的收發(fā),迅速完成大數(shù)據(jù)量的處理。由于該單片機(jī)內(nèi)部同時(shí)帶存儲(chǔ)單位存取數(shù)據(jù),這樣可省去外部外接存儲(chǔ)器,使系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小型化;系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用LCD顯示,可以滿足更低成本和生產(chǎn)迅速的特點(diǎn);電能采集芯片CS7760是一款高精度、高性能集成電路,它將瞬時(shí)有功功率以脈沖的形式直接輸出,單片機(jī)使用高精度的定時(shí)器實(shí)時(shí)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的輸出周期脈沖數(shù)量,轉(zhuǎn)化為功率數(shù)據(jù)和電量,完成一個(gè)周期的數(shù)據(jù)計(jì)算,通過無線模塊發(fā)送到終端顯示與保存。無線電能終端與感應(yīng)裝置之間的通信通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

利用本系統(tǒng)的工作原理,稍作修改便可應(yīng)用于其他各類需要進(jìn)行無線數(shù)據(jù)采集的領(lǐng)域,譬如工業(yè)控制、醫(yī)療衛(wèi)生等場(chǎng)合。

1　系統(tǒng)組成

所設(shè)計(jì)的無線電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由AVR單片機(jī)ATmega64、RF無線收發(fā)模塊IA4421和終端用戶電能傳感模塊CS7760組成,工作原理框圖如圖1所示。傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸給芯片CS7760,經(jīng)過處理后再傳送給單片機(jī),在這里數(shù)據(jù)可以再次進(jìn)行計(jì)算處理,處理得到的數(shù)據(jù)交給模塊IA4421,數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過合適的調(diào)制后,通過天線轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)射出去。擴(kuò)展EEPORM是為了存儲(chǔ)用戶的電能使用情況,以便用戶可隨時(shí)調(diào)用、回查歷史數(shù)據(jù)記錄。

圖1　無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)主要硬件電路

2.1單片機(jī)電路

AVR系列單片機(jī)與51系列單片機(jī)相比有更快的運(yùn)算速度和更強(qiáng)大的功能,。ATmega64是AVR系列單片機(jī)中配置較高的一款單片機(jī),它是一種低功耗的8 bit CMOS微處理器,具有基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu),在工業(yè)控制系統(tǒng)和嵌入式領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其主要特點(diǎn)是:(1)采用哈佛結(jié)構(gòu),具備高速的處理能力;(2)超功能精簡(jiǎn)指令集(RISC),具有32個(gè)通用工作寄存器;(3)快速的存取寄存器組及單周期指令系統(tǒng),優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率;(4)片內(nèi)集成多種功能模塊,使得外圍電路更加簡(jiǎn)單,系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。該機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成的信息處理量要比同類產(chǎn)品高出很多,這就意味著ATmega64能以更低的時(shí)鐘速度、更低的功耗來執(zhí)行現(xiàn)今應(yīng)用所要求的計(jì)算密集的算法。其內(nèi)核能夠最大限度地減小載入/存儲(chǔ)和分支跳轉(zhuǎn)操作方面的所花費(fèi)的系統(tǒng)代價(jià),使傳輸途徑的吞吐量最大化,從而能以較同等處理器低得多的時(shí)鐘頻率和功耗執(zhí)行復(fù)雜的算法。圖2為ATmega64芯片的管腳圖。具體使用可參見芯片廠商提供的相關(guān)資料。

圖2　ATmega64管腳示意圖

2.2RF收發(fā)電路

圖3　射頻信號(hào)接收及發(fā)射原理框圖

射頻(RF)收發(fā)電路采用低功耗、多信道的FSK無線通信芯片IA4421。該芯片內(nèi)部由射頻功率放大器、低噪聲放大器、基帶濾波器及解調(diào)器等等電路組成,可工作在433 MHz/868 MHz/915 MHz頻段。信號(hào)發(fā)射及接收端的基本原理見圖3所示。在發(fā)射電路中,將傳感器獲得的信號(hào)AD轉(zhuǎn)換后,對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行FSK調(diào)制,調(diào)制后饋入功率放大器,功放可采用A類設(shè)計(jì),以保證信號(hào)的線性度,避免失真。通訊制式可采用TDMA形式,這樣電路中本振源可以采用發(fā)射和接收電路共用方式。本系統(tǒng)對(duì)本振信號(hào)的相位噪聲要求不是特別的苛刻,因而本振電路采用了環(huán)形振蕩器來實(shí)現(xiàn),同時(shí)為了穩(wěn)定本振的頻率,系統(tǒng)將加入鎖相環(huán)模塊,而且鑒于在穩(wěn)定頻率的同時(shí),還將進(jìn)行FSK調(diào)制,導(dǎo)致最后的構(gòu)架是雙環(huán)路鎖相環(huán)。接收部分,將采用零中頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn),天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過濾波和放大后,注入混頻器,與本振信號(hào)作用后,輸出為它們的差頻,信號(hào)的調(diào)制頻率隱涵其中,將其進(jìn)一步放大、濾波后,利用解調(diào)電路,便可得到調(diào)制信號(hào)。FSK調(diào)制信號(hào)的解調(diào)是采用正交相關(guān)解調(diào)模式,電路中利用高精度運(yùn)算放大器可實(shí)現(xiàn)高精度的高、低通濾波,AD轉(zhuǎn)換后,解調(diào)后的信號(hào)完成數(shù)字轉(zhuǎn)換,送給后續(xù)電路進(jìn)行分析處理。

芯片的管腳見圖4所示,其中引腳類型關(guān)鍵詞為:D=數(shù)字,A=模擬,S=供電,I=輸入,O=輸出,IO=輸入/輸出,芯片工作在SPI總線模式,其中SDI為SPI串口數(shù)據(jù)輸入,nIRQ為中斷請(qǐng)求輸出,XTL/REF為晶振連接或外部參考輸入,其他引腳定義可由芯片相應(yīng)的Datasheet資料表獲得。

圖4　IA4421芯片管腳示意圖

IA4421芯片支持天線直接驅(qū)動(dòng),芯片RF1和RF2管腳與外接天線構(gòu)成差分電路便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,在射頻頻段,電路中天線與芯片輸出(或輸入)端口間的阻抗匹配十分重要,否則會(huì)導(dǎo)致它們之間信號(hào)的反射,嚴(yán)重影響芯片的發(fā)射和接收功能。解決問題的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合理的匹配電路,由于芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了天線的匹配電路,所以應(yīng)用起來還是較為簡(jiǎn)便的。只要天線與芯片間匹配良好,一般通信距離都能達(dá)到200 m左右。圖5給出了芯片F(xiàn)IFO的一種典型用法。

圖5　IA4421芯片F(xiàn)IFO的典型用法

2.3電能采集電路

電能采集電路主要利用芯片CS7760設(shè)計(jì)完成。CS7760可將瞬時(shí)有功功率以脈沖的形式直接輸出。CS7760采用高精度ADC和DSP相結(jié)合的技術(shù),片內(nèi)集成高穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓,對(duì)溫度、紋波等外界干擾的敏感度很低,計(jì)量準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性高。CS7760片內(nèi)設(shè)計(jì)有抗混疊濾波器,最大程度地減小了片外濾波器的要求,使得片外一階R-C濾波器的-3 dB轉(zhuǎn)折頻率可以擴(kuò)展到100 kHz,這樣不僅減小了濾波器中電阻、電容值,同時(shí)也大大減小了電阻、電容的精度要求。CS7760采用CMOS工藝設(shè)計(jì),16-PIN,SOP封裝,圖6為管腳定義示意圖,各個(gè)管腳描述見表1。

圖6　CS7760封裝管腳示意圖

表1CS7760管腳描述

序號(hào)符號(hào)類型功能描述1DVDD數(shù)字電源+5V電源2AC/DC輸入該引腳輸入電壓在1．3V至3．7V之間3AVDD模擬電源+5V電源45V1PV1N模擬輸入模擬輸入電流通道模擬信號(hào)輸入，最大輸入電壓范圍±1Vpp、V2P與V2N構(gòu)成差分信號(hào)67V2NV2P模擬輸入模擬輸入電流通道模擬信號(hào)輸入，最大輸入電壓范圍±1Vpp、V2P與V2N構(gòu)成差分信號(hào)91011SCFS1S0數(shù)字輸入CF0校正頻率選擇12GAIN數(shù)字輸入增益選擇引腳，當(dāng)輸入為高的時(shí)候增益為16，當(dāng)輸入為低時(shí)增益為813CKI時(shí)鐘輸入外部時(shí)鐘輸入引腳，也可把一個(gè)石英晶振接在CKI與CKO之間為CS7760提供一個(gè)時(shí)鐘源，規(guī)定時(shí)鐘頻率為3．579545MHz14CKO時(shí)鐘輸出石英晶振接在CKI與CKO之間為CS7760提供一個(gè)時(shí)鐘源，當(dāng)CKI上接有外時(shí)鐘時(shí)CKO能驅(qū)動(dòng)一個(gè)CMOS負(fù)載。15DGND數(shù)字地這是CS7760數(shù)字電路的接地參考點(diǎn)16CF數(shù)字輸出頻率校驗(yàn)輸出引腳，其輸出頻率反映的是瞬時(shí)有功功率的大小。

CS7760可將電壓通道、電流通道的信號(hào)經(jīng)過ΣΔADC轉(zhuǎn)換并經(jīng)過高通濾波器后相乘,相乘的信號(hào)經(jīng)過低通濾波后,利用數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換電路,通過CF管腳輸出數(shù)字脈沖,輸出頻率反映即為瞬時(shí)有功功率的大小,信號(hào)流框圖見圖7所示。

圖7　CS7760信號(hào)流圖

如果電壓或電流輸入信號(hào)是非正弦波,利用傅里葉變換,電流、電壓可表為:

(1)

(2)

CS7760同樣可以進(jìn)行電能有功功率的采集,有功功率為基波有功功率與所有諧波有功功率和,即

(3)

其中:P1=V1×I1×cosθ1,PN=VN×IN×cosθN。

3　系統(tǒng)主要軟件

3.1主程序

程序采用C語言編寫的,開發(fā)環(huán)境為ICCAVR。ICCAVR是一種符合ANSI(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)的C語言開發(fā)工具,是AVR單片機(jī)的常用開發(fā)軟件,它具有如下的幾個(gè)特點(diǎn):(1)擁有集成工作環(huán)境(IDE),綜合了編輯器和工程管理器;(2)程序源文件可以在工作環(huán)境中編輯,所有文件被組織到一個(gè)工程里。當(dāng)編譯出錯(cuò)時(shí),錯(cuò)誤顯示在狀態(tài)窗口中,通過點(diǎn)擊錯(cuò)誤,光標(biāo)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤所在行;(3)工程管理器能生成HEX格式文件,該格式的文件可被大多數(shù)編程器直接下載到芯片中。

主程序完成設(shè)備的初始化及配置信息。圖8為主程序的流程圖,設(shè)備初始化包括設(shè)置串口參數(shù)、定時(shí)器初始化、MODBUS初始化、EEPROM初始化及NANDFLASH初始化。設(shè)備初始化完成后需要讀取NANDFLASH的使用信息,從而更新NANDFLASH的信息。NANDFLASH信息更新完畢后,進(jìn)入while循環(huán),循環(huán)周期內(nèi)檢查串口0,若有數(shù)據(jù)則執(zhí)行中斷服務(wù)程序,否則等待TIM為O時(shí)采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后進(jìn)入while循環(huán)執(zhí)行相同的命令。

圖8　主程序流程圖

主程序的部分代碼如下:

init_devices();

…

init_modbus():

…

while(1)

{

delay_nms(100);

check_comm0_modbus();

if(TIM=0)

{

TIM=30;

ReadTime();

for(i=l;i<33;i++)

{

readPower(i);

delay_nms(50);

check_comm1_modbus();

}

writNFflash();

…

3.2IA4421的相關(guān)軟件

IA4421在使用前,為了指定其通信頻段和模式,需要對(duì)相關(guān)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。主要包括頻率配置、電源管理、波特率設(shè)置、FIFO命令、AFC命令等。為了防止通信數(shù)據(jù)阻塞等情況,系統(tǒng)必須對(duì)因?yàn)閿?shù)據(jù)阻塞或節(jié)點(diǎn)崩潰所引起的影響進(jìn)行處理,這需編制相關(guān)的軟件來實(shí)現(xiàn)該功能。芯片數(shù)據(jù)發(fā)送、接收通信的流程圖可見圖9所示。

3.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

能耗原始數(shù)據(jù)信息可以記錄時(shí)間、消耗的用電量等,為了保證足夠的存儲(chǔ)量,系統(tǒng)采用EEPROM與NAND FLASH結(jié)合的存儲(chǔ)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),EEPROM函數(shù)集中設(shè)定存儲(chǔ)數(shù)據(jù)指針和讀取數(shù)據(jù)指針2個(gè)變量,為防止系統(tǒng)掉電丟失存取數(shù)據(jù)的偏移地址,在EEPROM存取數(shù)據(jù)后需將2個(gè)變量存入特定的地址。NAND FLASH是基于頁為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的,系統(tǒng)采集多組數(shù)據(jù)后才能寫入NAND FLASH中。NAND FLASH在實(shí)際的應(yīng)用中為了保證數(shù)據(jù)的可靠性,需要利用ECC(Error Correcting Code)對(duì)寫入或讀出的信息進(jìn)行校驗(yàn)。

圖9　IA4421數(shù)據(jù)通信流程圖

4　結(jié)語

利用單片機(jī)ATmage64、電能采集芯片CS7760和無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片IA4421等設(shè)計(jì)了一款無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通信頻率可在433 MHz/915 MHz頻段選擇,發(fā)射功率為5 dBm,接收靈敏度可達(dá)-100 dBm。通信制式采用FSK調(diào)制模式,空曠地帶通信距離可達(dá)200 m以上,在室內(nèi)復(fù)雜傳播環(huán)境下信號(hào)傳播距離可達(dá)30 m左右。接口采用SPI總線模式。該系統(tǒng)可應(yīng)用于各種需要非接觸的數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合,相比于目前常見的各種數(shù)據(jù)采集模式,本系統(tǒng)在電路低功耗特性及用戶耗能反饋告知上有自己獨(dú)到的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

[1]張杰,張大彪.一種用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口電路[J].儀表技術(shù)與傳感器,2002,4(23):92-96.

[2]周長(zhǎng)紅,劉敬彪.智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2004,5(12):55-59.

[3]張科帆,張淑華,涂強(qiáng),等.基于IA4421的數(shù)字化無線溫度傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,20(283):189-191.

[4]鄒其洪,柳蘭,趙俊.基于LPC2131和IA4421的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息與電子工程,2009,7(2):90-98.

陳瓊(1972-),女,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,碩士,東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院教師。主要從事電子、通信系統(tǒng)測(cè)量方面的教學(xué)和研究工作。作為主要研究人員參與完成了多項(xiàng)“廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目”的研究工作,目前主持“東莞市高等院?？蒲袡C(jī)構(gòu)項(xiàng)目”一項(xiàng);

楊杰(1963-),男,副教授,碩士,東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院教師,主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等方面的研究。主持完成“廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目”和“東莞市高等院?？蒲袡C(jī)構(gòu)項(xiàng)目”各1項(xiàng),在專業(yè)期刊發(fā)表論文十余篇。

DesignofanElectricityConsumptionDataWirelessCollectionSystemBasedonATmega64*

CHENQiong1,LIXiuping1,YANGJie1*,YANGYue2

(1.School of Electronic Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan Guangdong 523808,China;2.Huizhou Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Huizhou Guangdong 516006,China)

Abstract:A wireless electricity consumption data collection system based on AVR mage32,CS7760 and IC IA4421 is designed.The system terminal can collect the power consumption of electrical equipments by the sensors and to control the power on or off of these equipments.The full-duplex wireless communication operates at 433 MHz/915 MHz,the transmitting power is 5 dBm,and the receive sensitivity is -100 dBm.The system is widely suitable for these industrial automation and other wireless data collection fields.

Key words:ATmage64;CS7760;IA4421;wireless data collection

doi:EEACC:7210G10.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.044

中圖分類號(hào):TN919

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-1004-05

收稿日期:2013-12-21修改日期:2014-01-13

項(xiàng)目來源:東莞市高等院校科研機(jī)構(gòu)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012108102002)