高建濤，韓志杰

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 北京102206）

1 設(shè)計原則

根據(jù)電力營銷數(shù)據(jù)采集終端對數(shù)據(jù)采集和處理較高的要求，在進(jìn)行硬件設(shè)計時應(yīng)遵循以下原則。

①采用低功耗的硬件電路設(shè)計及芯片，同時能根據(jù)系統(tǒng)以后的應(yīng)用需要，進(jìn)行模塊和功能擴(kuò)展。

②系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理工作，如：數(shù)據(jù)的采集、存儲，無線信號的基帶數(shù)字調(diào)制和解調(diào)，自適應(yīng)信道算法等。對CPU的運(yùn)算速度要求很高，因此需考慮選擇ARM和DSP雙CPU的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以分擔(dān)整個終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算任務(wù)。

③系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境決定了系統(tǒng)的高可靠性，因此需精簡外圍工作電路的設(shè)計，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠性。同時，也可以降低系統(tǒng)的設(shè)計成本。

④芯片要選擇工業(yè)級或者軍品級。由于終端長期處在室外，溫度、濕度以及暴風(fēng)雨等惡劣環(huán)境條件對終端原器件的要求較高。同時，為了解決意外死機(jī)情況的發(fā)生，需要設(shè)置硬件看門狗，以實(shí)現(xiàn)終端死機(jī)后能自啟動。

⑤終端外殼選擇要注意防塵、防潮，還要達(dá)到一定得靜電防護(hù)等級。同時，也要注意外殼的抗損性等。

2 主控模塊設(shè)計

主控模塊是整個終端硬件設(shè)計的核心，因此在芯片的選擇上需要考慮終端在數(shù)據(jù)處理速度方面的需求。根據(jù)需求分析，終端的主控模塊應(yīng)是具備高速DSP處理能力和ARM控制的雙內(nèi)核CPU，并且能夠提供McWiLL通信、諧波分析、各種開關(guān)信號的識別和控制命令的發(fā)出等功能。此處，終端主控模塊CPU選擇大唐微電子DTT6C01B雙內(nèi)核芯片。

DTT6C01B是基于SOC（systemon chip）設(shè)計理念開發(fā)出的一款面向通信的綜合信息處理器，采用通用總線和ARM、DSP雙核結(jié)構(gòu)，可穩(wěn)定運(yùn)行于100 MHz，提供超過500MIPS的運(yùn)算能力。COMIP芯片支持SRAM、SDRAM和Flash等多種大容量外部存儲器，支持UART、GPIO、SSI、JTAG等多種接口，包含語音Codec、輔助AD/DA和帶I/Q通道的高速AD/DA，所以可以用作多種復(fù)雜通信終端的核心處理芯片。其中,ARM主要實(shí)現(xiàn)對終端的控制，DSP實(shí)現(xiàn)終端中的數(shù)據(jù)采集、計算、處理以及通過McWiLL射頻模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

DTT6C01B提供了一套比較完整的通用系統(tǒng)的外圍設(shè)備，所有模塊可以單獨(dú)關(guān)閉進(jìn)入省電模式，使得整個系統(tǒng)消耗最小。正是因?yàn)樗哂泻芏喑Ｓ玫墓δ苣K，所以也免去了添加配置附加設(shè)備的麻煩。

3 模塊結(jié)構(gòu)

主控模塊主要由DTT6C01B綜合信息處理芯片組成，外擴(kuò)FLASH和RAM存儲、McWiLL射頻模塊、遙信遙控模塊、RS-485接口、RS-232接口以及LCD顯示屏和按鍵等。為了保護(hù)各芯片正常工作，降低干擾，主控模塊以及其外擴(kuò)模塊安置于核心板上與交采板子相隔了，通過SPI接口連接。交采板上安裝有光電隔離器件，以防電流電壓波動造成對終端各芯片的干擾和影響甚至損壞。為了更好地說明主控模塊在整個終端硬件結(jié)構(gòu)中所處的核心地位，圖1給出了包括主控模塊在內(nèi)的整個終端硬件模塊結(jié)構(gòu)。

DTT6C01B綜合信息處理芯片采用高性能、低功耗CMOS技術(shù)，0.18 mm工藝制造，具有ARM946E和ZSP400雙內(nèi)核處理器。除此以外，芯片還內(nèi)設(shè)通用模塊、外設(shè)界面模塊、通信協(xié)議模塊以及調(diào)試和子系統(tǒng)通信模塊等。通用模塊包括系統(tǒng)控制器（CPR）、實(shí)時時鐘（RTC）、直接存儲器訪問控制器（DMAC0、DMAC1）、定時器（TIMER0、TIMER1、TIMER2、TIMER3）、看門狗（WDT）、中斷控制器（ICTL）、外部存儲器控制器（MEMCTRL）、通用IO控制器（GPIO0、GPIO1）等。外設(shè)界面模塊包括鍵盤控制器（KBS）、脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM）、智能卡接口控制器（SIM）、液晶顯示控制接口（LCDC）、輔助AD/DA接口模塊（AUXAD、AUXDA）等。通信協(xié)議模塊包括同步串行接口控制器（SSI0、SSI1）、通用異步串行通信控制器（UART0、UART1、UART2）、射頻接口控制器（RFIF）、GSM加速算子（GSMACC）、McWill加速算子（MWACC）、語音接口模塊（SPIF）、Inter-IC Sound接口控制器 （I2S）、Inter-Integrated Circuit接口控制器（I2C）、USB(1.1 FULL SPEED)控制器（USB）。利用DTT6C01B所提供的資源，僅需要簡單外擴(kuò)一些器件便可實(shí)現(xiàn)終端所需功能。

在終端硬件設(shè)計上，兩大處理內(nèi)核分別完成不同的工作任務(wù)。ARM內(nèi)核主要參與終端各模塊的控制以及管理數(shù)據(jù)存儲和通信等。DSP模塊主要完成McWiLL信號的基帶調(diào)制解調(diào)、編碼等以及交采信號的電能質(zhì)量分析和諧波計算等功能。通過通用模塊所提供的實(shí)時時鐘（RTC）為整個系統(tǒng)的同步提供了統(tǒng)一的時鐘信號；直接存儲訪問控制器（DMAC0、DMAC1）提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲效率，降低了ARM內(nèi)核的負(fù)擔(dān)。除此以外，定時器、看門狗以及終端控制器等均可根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。而外設(shè)界面模塊則為終端外擴(kuò)人機(jī)接口提供了幫助。通過外設(shè)界面模塊的鍵盤控制器（KBS）提供了一個4×7的三角鍵盤，主要用于ARM和三角鍵盤之間的通信，掃描和檢測鍵盤的按鍵狀態(tài)，并將用戶輸入按鍵轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的按鍵編碼；液晶顯示控制接口（LCDC）提供了異步總線接口和行場控制接口，當(dāng)采用異步總線接口時，可用于連接LCD模塊；當(dāng)工作于行場控制接口模式下時，可作為LCD控制器連接TFT格式的LCD Driver；除此以外，脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM）、智能卡接口控制器（SIM）和輔助AD/DA接口模塊（AUXAD、AUXDA）同樣可根據(jù)程序完成相應(yīng)的功能。通信協(xié)議模塊除了提供3個串行異步通信接口，為終端外擴(kuò)RS-485和RS-232接口提供了幫助以外，還為McWiLL射頻模塊提供了接口，同時也提供了SSI、I2S、I2C以及USB等通信接口。

4 串口通信和電能量采集模塊設(shè)計

DTT6C01B提供了3個異步串行接口（UART0-2）。通過外擴(kuò)MAX232和MAX485芯片提供了2路EIA電平RS-232接口和1路RS-485接口。RS-232接口作為終端的通用維護(hù)接口，而RS-485串口與數(shù)字電能表連接，通過該口完成對電能表數(shù)據(jù)的讀取與設(shè)置。目前，數(shù)字電能表已采用RS-485總線接口方式。這是因?yàn)镽S-232的信號標(biāo)準(zhǔn)電位是參考地線而來的，容易受到干擾。RS-485的信號是差分信號，可以有效防止噪聲干擾，同時也大大提高了信號的傳輸距離。本設(shè)計采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485芯片實(shí)現(xiàn)DTT6C01B異步串行接口CMOS電平信號到RS-485電平信號的轉(zhuǎn)換。

MAX485采用單一電源5 V工作，額定電流為300 A，采用半雙工通信方式，共有8個管腳，芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單，內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器。RO和TI端分別為接收器的輸出端和驅(qū)動器的輸入端，只需分別與DTT6C01B的uartx_rxd和uartx_txd相連即可；E2和TE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)E2為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)TE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)。A端和B端分別為RS-485接口接收和發(fā)送的差分信號端。為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，在本系統(tǒng)中對RS-485接口與DTT6C01B進(jìn)行了光電隔離。MAX485的連接如圖2所示。

MAX232芯片連接與MAX485類似。而DTT6C01B所提供了通用串行接口可工作于非流控和自動流控模式（僅UART0可工作于這兩種模式，UART1和UART2僅工作于非流控模式）。在非流控模式下UART x（x=0，1，2）用TXD（uatx_txd管腳信號）發(fā)送數(shù)據(jù)，用RXD（uatx_rxd管腳信號）接收數(shù)據(jù)。在流控模式下，DTT6C01B還提供了uart_cts和uart_rts作為流量控制。DTT6C01B的串口0與外擴(kuò)電平轉(zhuǎn)換芯片的連接如圖3所示。

5 遙信、遙控模塊

遙信主要是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)檢測開關(guān)變位狀態(tài)，包括故障指示器動作信號、異常信號等。遙控主要是系統(tǒng)通過繼電器實(shí)現(xiàn)對開關(guān)的控制。由于開關(guān)和繼電器等處在強(qiáng)電場中，電磁干擾比較嚴(yán)重。因此，必須采取抗干擾措施，將輸入信號和輸出信號進(jìn)行光電隔離。

在遙信模塊設(shè)計中，開關(guān)信號輸入端不能直接和DTT6C01B的I/O口連接，兩者之間必須加入光電隔離電路，如圖4所示。另外，輸入端還要采用電阻等器件對信號進(jìn)行調(diào)理，以處理掉信號的毛刺。

光電耦合器TLP121實(shí)現(xiàn)了開關(guān)信號與DTT6C01B的完全隔離。本設(shè)計中要求系統(tǒng)具有5路開關(guān)狀態(tài)量輸入，因此只需將5路開關(guān)信號分別連接在5路光電隔離電路的A端，將DTT6C01B的I/O管腳gpio_0到gpio_4分別連接在5路光電隔離電路的B端。

在遙控模塊設(shè)計中，DTT6C01B通過對跳閘繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)對用電開關(guān)的遠(yuǎn)程跳、合閘控制。本設(shè)計中要求系統(tǒng)具有2路開關(guān)控制量輸出，每一路中有一個常開繼電器和一個常閉繼電器。因此設(shè)計時用DTT6C01B的4個I/O管腳gpio_5到gpio_8分別去控制跳閘繼電器。

6 結(jié)束語

本文對現(xiàn)有電力營銷數(shù)據(jù)采集終端及其通信方式進(jìn)行了分析，針對現(xiàn)有電力營銷數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)主要借助于公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)（GPRS/CDMA），存在數(shù)據(jù)傳輸速率低，安全性、實(shí)時性差等各種先天不足，這已無法滿足電力營銷現(xiàn)代化管理的需要。因此，本文引入了McWiLL寬帶無線通信技術(shù)，設(shè)計了一種基于McWiLL的新型寬帶無線電力營銷數(shù)據(jù)采集終端。該終端具有結(jié)構(gòu)小巧、內(nèi)部模塊高集成化等特點(diǎn)。同時，采用McWiLL專用寬帶無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴踩?、?shí)時性，具有良好的推廣價值。

1 陳邦媛.射頻通信電路.北京：科學(xué)出版社，2002

2 余成波.無線點(diǎn)對多點(diǎn)的遠(yuǎn)程在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制.電子技術(shù)應(yīng)用，2003

3 張沛泉.無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).碩士學(xué)位論文，電子科技大學(xué)，2002

4 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005

5 溫斌，林波，江連山等.McWiLL寬帶無線接入技術(shù)及應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2009