基于STM32的智能數據處理裝置的硬件設計與實現

湖南鐵道職業技術學院 劉 彤

引言：以電力線載波通信技術和無線通信技術為基礎構建四表合一數據集抄系統，包括主站系統、集中器、智能數據處理裝置、計量儀表單元（智能電表、智能水表、智能氣表和智能熱力表）等。

其中，智能數據處理裝置直接面對計量儀表，接受抄表指令后，選擇相應的通信信道，對計量儀表的計量數據進行集抄，智能數據處理裝置接收到智能數據處理裝置數據后，對計量數據進行規約轉換后，通過電力線載波或無線或RS485信道與集中器進行數據上傳，起著承上啟下的作用，本文針對智能數據處理裝 置硬件進行設計。

1.裝置概述

智能數據處理裝置以ARM處理器為核心，擴展外圍模塊構成，包括電源電路、STM32最小系統、載波模塊、紅外模塊、微功率無線模塊、RS485模塊、M-BUS模塊和狀態檢測模塊等，上行通信方式可采用RS-485、微功率無線、電力線載波，下行通信方式可采用RS-485、M-BUS、微功率無線，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2.裝置電路模塊

所有電路圍繞STM32 ARM處理器構成，STM32小系統負責各通訊模塊的選擇、數據處理及狀態檢測等功能，兼容電水氣暖四表的通訊方式。

2.1 電源電路

電源電路向STM32小系統及各個電路模塊提供所需的工作電源。220V交流電源通過變壓器降壓，然后整流變為適合+12V電路輸入的直流電壓，經過+12V變換電路，產生+12V電源，+12V電源再分別產生+5V電源和+3.3V電源，+5V電源主要給接口電路供電，+3.3V主要給處理器及模塊電路供電，如圖2所示。

圖2 系統電源電路框圖

電源電路設計了保護環節，保護電路和元件的安全。AC220V電源的放置壓敏電阻，防止雷擊浪涌電壓，變壓器L回路串聯熱敏電阻，限制起動電流，EMI電路濾波平滑輸入交流電源，避免尖峰脈沖的沖擊。另外，低壓側的放置了TVS元件，能有效地吸收電源尖峰，保護后級器件免受沖擊。

2.2 STM32小系統

系統核心采用STM32F103RCT6處理器，是基于ARM 32-bit CortexTMM3內核的CPU芯片，主頻可以達到72MHz，內部大容量Flash具有UART、CAN、SPI等豐富的接口資源，能夠滿足系統設計的需要。配置電源電路、復位電路、晶振電路和編程調試接口電路構成MCU最小系統。

2.3 通訊模塊

裝置與不同儀表接口，兼容水、氣、熱等計量儀表通訊，具備無線、載波、RS485、M-BUS等功能，考慮現場的應用情況，具備M-BUS或RS485線路的切換功能。因此，系統設計除了兼容電力載波通訊方式外，還設計了紅外通訊、微功率無線通信、RS485通訊和M-BUS通訊模塊。

2.3.1 微功率無線通訊

無線收發模塊采用外置插接方式安裝，采用標準2.54mm間距2×6雙排插座，進行信號連接，接口定義如圖所示。為滿足模塊的互換性要求，在硬件接口定義上嚴格遵照國家電網對通信模塊的接口要求，進行設計定義，既能滿足無線模塊通信需求，又能滿足載波模塊接口要求。

圖3 無線模塊接口定義

2.3.2 紅外模塊

紅外發射電路是通過串口信號和38K調制信號的配合，控制紅外發射管將紅外信號發射出去，通過調制三極管的開關頻率，達到控制紅外發射管的頻率。紅外發射電路如圖4所示。

圖4 紅外發射電路

紅外接收電路是采用接收調制一體器件，器件供電3.3V，紅外接收引腳，通過上拉輸入至CPU串口接收引腳上。

2.3.3 RS485通訊

裝置設計上兼容有極性和無極性兩種方式，設計3個RS485信道，有極性信道2個，無極性信道1個，如圖5所示，無極性信道電路采用RS485收發器芯片SH65HVD888設計，兼容3.3V和5V系統，有極性信道采用RS485收發器芯片SH65HVD72設計，芯片引腳兼容，能夠互換。

圖5 RS485通訊電路

圖6 M-BUS發送電路原理框圖

2.3.4 M-BUS模塊

M-BUS（Meter BUS）總線，是一種用于非電力戶用儀表傳輸的歐洲總線標準。具有布線簡單、拓撲無關、在線供電、抗干擾強等特點，在技術上更適合非電力用戶用儀表的數據傳輸。模塊包括M-BUS發送電路、接收電路和控制電路。

M-BUS發送電路由CPU發出的TTL電平信號，驅動三極管控制LM317的電壓調整端輸出電壓。當CPU發送1位數據“1”時，三極管截止，此時M-BUS線上電壓為30.8V，作為接收設備的表計識別為“1”，即收到1位數據“1”；當CPU發送1位數據“0”時，三極管導通，此時M-BUS線上電壓為18V，作為接收設備的表計識別為“0”，即收到1位數據“0”，如圖6所示。

M-BUS通信中，計量儀表的應答信號通過調制回路電流11-20mA來實現，接收回路將該電流通過串在回路中的電阻轉換為電壓信號，經比較器輸出解調信號，與CPU的串行端口接收引腳連接。

3.結論

本裝置以ARM芯片為核心，設計智能儀表接口電路，依據CJ/T-188數據通訊規約，完成了計量儀表數據的采集、轉換和數據上傳功能。