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

陳　瓊,李秀平,楊　杰*,楊　悅

(1.東莞理工學院電子工程學院,廣東 東莞 523808;2.惠州出入境檢驗檢疫局,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)的設計*

陳瓊1,李秀平1,楊杰1*,楊悅2

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

摘要:設計了一款電能數(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器的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對用電設備的用電量采集及對用電設備的通、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)可廣泛應用于各類需要無線數(shù)據(jù)采集的工業(yè)自動化等領域。

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

隨著我國社會的飛速發(fā)展,居民及工業(yè)用電量發(fā)生了大幅的攀升,導致用戶耗電量采集工作日益繁重,傳統(tǒng)的人工抄表或預付費抄表方式已難以滿足實際工作的需求,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)引起了相關部門的高度重視。在此背景下,這些年來我國智能電網(wǎng)已經(jīng)得到了大規(guī)模的建設,智能化、遠程化的電力抄表技術是發(fā)展的大趨勢[1-2]。無線通信技術與計算機技術的結合可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)[3-4],利用這類技術可以設計一類電力耗能數(shù)據(jù)的便捷獲取和智能處理的無線采集系統(tǒng)。

本文設計了一種無線電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用電能采集芯片CS7760對用戶端的耗電量數(shù)據(jù)進行采集,無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片IA4421則負責相關數(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ATmega64完成。其中用戶電能監(jiān)控的無線接收部分終端是一個包含多通道的實時監(jiān)測感應裝置,用以獲取相關用戶的電能消耗,系統(tǒng)還包括開關控制、電能消耗記錄與調出、串口通信等功能;ATmega64單片機采用哈佛體系結構,內部帶硬件乘法器,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。由于該單片機內部同時帶存儲單位存取數(shù)據(jù),這樣可省去外部外接存儲器,使系統(tǒng)設計實現(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迅速的特點;電能采集芯片CS7760是一款高精度、高性能集成電路,它將瞬時有功功率以脈沖的形式直接輸出,單片機使用高精度的定時器實時計算其對應的輸出周期脈沖數(shù)量,轉化為功率數(shù)據(jù)和電量,完成一個周期的數(shù)據(jù)計算,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裝置之間的通信通過相應的數(shù)據(jù)通信協(xié)議實現(xiàn)。

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

1　系統(tǒng)組成

所設計的無線電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由AVR單片機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,在這里數(shù)據(jù)可以再次進行計算處理,處理得到的數(shù)據(jù)交給模塊IA4421,數(shù)據(jù)信號經(jīng)過合適的調制后,通過天線轉化為電磁波發(fā)射出去。擴展EEPORM是為了存儲用戶的電能使用情況,以便用戶可隨時調用、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單片機電路

AVR系列單片機與51系列單片機相比有更快的運算速度和更強大的功能,。ATmega64是AVR系列單片機中配置較高的一款單片機,它是一種低功耗的8 bit CMOS微處理器,具有基于增強的AVR RISC結構,在工業(yè)控制系統(tǒng)和嵌入式領域有著廣泛的應用。其主要特點是:(1)采用哈佛結構,具備高速的處理能力;(2)超功能精簡指令集(RISC),具有32個通用工作寄存器;(3)快速的存取寄存器組及單周期指令系統(tǒng),優(yōu)化了目標代碼的大小、執(zhí)行效率;(4)片內集成多種功能模塊,使得外圍電路更加簡單,系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。該機在每個時鐘周期內完成的信息處理量要比同類產品高出很多,這就意味著ATmega64能以更低的時鐘速度、更低的功耗來執(zhí)行現(xiàn)今應用所要求的計算密集的算法。其內核能夠最大限度地減小載入/存儲和分支跳轉操作方面的所花費的系統(tǒng)代價,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鐘頻率和功耗執(zhí)行復雜的算法。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資料。

圖2　ATmega64管腳示意圖

2.2RF收發(fā)電路

圖3　射頻信號接收及發(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。該芯片內部由射頻功率放大器、低噪聲放大器、基帶濾波器及解調器等等電路組成,可工作在433 MHz/868 MHz/915 MHz頻段。信號發(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AD轉換后,對本振信號進行FSK調制,調制后饋入功率放大器,功放可采用A類設計,以保證信號的線性度,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)對本振信號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)形振蕩器來實現(xiàn),同時為了穩(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,還將進行FSK調制,導致最后的構架是雙環(huán)路鎖相環(huán)。接收部分,將采用零中頻技術來實現(xiàn),天線接收到的射頻信號經(jīng)過濾波和放大后,注入混頻器,與本振信號作用后,輸出為它們的差頻,信號的調制頻率隱涵其中,將其進一步放大、濾波后,利用解調電路,便可得到調制信號。FSK調制信號的解調是采用正交相關解調模式,電路中利用高精度運算放大器可實現(xiàn)高精度的高、低通濾波,AD轉換后,解調后的信號完成數(shù)字轉換,送給后續(xù)電路進行分析處理。

芯片的管腳見圖4所示,其中引腳類型關鍵詞為: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動,芯片RF1和RF2管腳與外接天線構成差分電路便可實現(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,否則會導致它們之間信號的反射,嚴重影響芯片的發(fā)射和接收功能。解決問題的關鍵是設計合理的匹配電路,由于芯片內部已經(jīng)集成了天線的匹配電路,所以應用起來還是較為簡便的。只要天線與芯片間匹配良好,一般通信距離都能達到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設計完成。CS7760可將瞬時有功功率以脈沖的形式直接輸出。CS7760采用高精度ADC和DSP相結合的技術,片內集成高穩(wěn)定的基準電壓,對溫度、紋波等外界干擾的敏感度很低,計量準確度及穩(wěn)定性高。CS7760片內設計有抗混疊濾波器,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轉折頻率可以擴展到100 kHz,這樣不僅減小了濾波器中電阻、電容值,同時也大大減小了電阻、電容的精度要求。CS7760采用CMOS工藝設計,16-PIN,SOP封裝,圖6為管腳定義示意圖,各個管腳描述見表1。

圖6　CS7760封裝管腳示意圖

表1CS7760管腳描述

序號符號類型功能描述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輸入，最大輸入電壓范圍±1Vpp、V2P與V2N構成差分信號67V2NV2P模擬輸入模擬輸入電流通道模擬信號輸入，最大輸入電壓范圍±1Vpp、V2P與V2N構成差分信號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，當輸入為高的時候增益為16，當輸入為低時增益為813CKI時鐘輸入外部時鐘輸入引腳，也可把一個石英晶振接在CKI與CKO之間為CS7760提供一個時鐘源，規(guī)定時鐘頻率為3．579545MHz14CKO時鐘輸出石英晶振接在CKI與CKO之間為CS7760提供一個時鐘源，當CKI上接有外時鐘時CKO能驅動一個CMOS負載。15DGND數(shù)字地這是CS7760數(shù)字電路的接地參考點16CF數(shù)字輸出頻率校驗輸出引腳，其輸出頻率反映的是瞬時有功功率的大小。

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

圖7　CS7760信號流圖

如果電壓或電流輸入信號是非正弦波,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(美國國家標準學會)標準的C語言開發(fā)工具,是AVR單片機的常用開發(fā)軟件,它具有如下的幾個特點:(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工程里。當編譯出錯時,錯誤顯示在狀態(tài)窗口中,通過點擊錯誤,光標會自動跳轉到錯誤所在行;(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。

主程序完成設備的初始化及配置信息。圖8為主程序的流程圖,設備初始化包括設置串口參數(shù)、定時器初始化、MODBUS初始化、EEPROM初始化及NANDFLASH初始化。設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,進入while循環(huán),循環(huán)周期內檢查串口0,若有數(shù)據(jù)則執(zhí)行中斷服務程序,否則等待TIM為O時采集并存儲數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)存儲完畢后進入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的相關軟件

IA4421在使用前,為了指定其通信頻段和模式,需要對相關的寄存器進行設置。主要包括頻率配置、電源管理、波特率設置、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)必須對因為數(shù)據(jù)阻塞或節(jié)點崩潰所引起的影響進行處理,這需編制相關的軟件來實現(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

能耗原始數(shù)據(jù)信息可以記錄時間、消耗的用電量等,為了保證足夠的存儲量,系統(tǒng)采用EEPROM與NAND FLASH結合的存儲方式進行數(shù)據(jù)存儲,EEPROM函數(shù)集中設定存儲數(shù)據(jù)指針和讀取數(shù)據(jù)指針2個變量,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個變量存入特定的地址。NAND FLASH是基于頁為單位進行數(shù)據(jù)存儲的,系統(tǒng)采集多組數(shù)據(jù)后才能寫入NAND FLASH中。NAND FLASH在實際的應用中為了保證數(shù)據(jù)的可靠性,需要利用ECC(Error Correcting Code)對寫入或讀出的信息進行校驗。

圖9　IA4421數(shù)據(jù)通信流程圖

4　結語

利用單片機ATmage64、電能采集芯片CS7760和無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片IA4421等設計了一款無線數(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-100 dBm。通信制式采用FSK調制模式,空曠地帶通信距離可達200 m以上,在室內復雜傳播環(huán)境下信號傳播距離可達30 m左右。接口采用SPI總線模式。該系統(tǒng)可應用于各種需要非接觸的數(shù)據(jù)采集場合,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到的特點。

參考文獻:

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陳瓊(1972-),女,高級實驗師,碩士,東莞理工學院電子工程學院教師。主要從事電子、通信系統(tǒng)測量方面的教學和研究工作。作為主要研究人員參與完成了多項“廣東省自然科學基金項目”的研究工作,目前主持“東莞市高等院?？蒲袡C構項目”一項;

楊杰(1963-),男,副教授,碩士,東莞理工學院電子工程學院教師,主要從事嵌入式系統(tǒng)應用等方面的研究。主持完成“廣東省科技計劃項目”和“東莞市高等院?？蒲袡C構項目”各1項,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:TN919

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-1004-05

收稿日期:2013-12-21修改日期:2014-01-13

項目來源:東莞市高等院校科研機構科技計劃項目(2012108102002)