基于STM32的智能數(shù)據(jù)處理裝置的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉 彤

引言：以電力線載波通信技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建四表合一數(shù)據(jù)集抄系統(tǒng)，包括主站系統(tǒng)、集中器、智能數(shù)據(jù)處理裝置、計(jì)量?jī)x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(shù)據(jù)處理裝置直接面對(duì)計(jì)量?jī)x表，接受抄表指令后，選擇相應(yīng)的通信信道，對(duì)計(jì)量?jī)x表的計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行集抄，智能數(shù)據(jù)處理裝置接收到智能數(shù)據(jù)處理裝置數(shù)據(jù)后，對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換后，通過(guò)電力線載波或無(wú)線或RS485信道與集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，起著承上啟下的作用，本文針對(duì)智能數(shù)據(jù)處理裝 置硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.裝置概述

智能數(shù)據(jù)處理裝置以ARM處理器為核心，擴(kuò)展外圍模塊構(gòu)成，包括電源電路、STM32最小系統(tǒng)、載波模塊、紅外模塊、微功率無(wú)線模塊、RS485模塊、M-BUS模塊和狀態(tài)檢測(cè)模塊等，上行通信方式可采用RS-485、微功率無(wú)線、電力線載波，下行通信方式可采用RS-485、M-BUS、微功率無(wú)線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.裝置電路模塊

所有電路圍繞STM32 ARM處理器構(gòu)成，STM32小系統(tǒng)負(fù)責(zé)各通訊模塊的選擇、數(shù)據(jù)處理及狀態(tài)檢測(cè)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(tǒng)及各個(gè)電路模塊提供所需的工作電源。220V交流電源通過(guò)變壓器降壓，然后整流變?yōu)檫m合+12V電路輸入的直流電壓，經(jīng)過(guò)+12V變換電路，產(chǎn)生+12V電源，+12V電源再分別產(chǎn)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(tǒng)電源電路框圖

電源電路設(shè)計(jì)了保護(hù)環(huán)節(jié)，保護(hù)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(lián)熱敏電阻，限制起動(dòng)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(cè)的放置了TVS元件，能有效地吸收電源尖峰，保護(hù)后級(jí)器件免受沖擊。

2.2 STM32小系統(tǒng)

系統(tǒng)核心采用STM32F103RCT6處理器，是基于ARM 32-bit CortexTMM3內(nèi)核的CPU芯片，主頻可以達(dá)到72MHz，內(nèi)部大容量Flash具有UART、CAN、SPI等豐富的接口資源，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。配置電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和編程調(diào)試接口電路構(gòu)成MCU最小系統(tǒng)。

2.3 通訊模塊

裝置與不同儀表接口，兼容水、氣、熱等計(jì)量?jī)x表通訊，具備無(wú)線、載波、RS485、M-BUS等功能，考慮現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況，具備M-BUS或RS485線路的切換功能。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了兼容電力載波通訊方式外，還設(shè)計(jì)了紅外通訊、微功率無(wú)線通信、RS485通訊和M-BUS通訊模塊。

2.3.1 微功率無(wú)線通訊

無(wú)線收發(fā)模塊采用外置插接方式安裝，采用標(biāo)準(zhǔn)2.54mm間距2×6雙排插座，進(jìn)行信號(hào)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(yán)格遵照國(guó)家電網(wǎng)對(duì)通信模塊的接口要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)定義，既能滿足無(wú)線模塊通信需求，又能滿足載波模塊接口要求。

圖3 無(wú)線模塊接口定義

2.3.2 紅外模塊

紅外發(fā)射電路是通過(guò)串口信號(hào)和38K調(diào)制信號(hào)的配合，控制紅外發(fā)射管將紅外信號(hào)發(fā)射出去，通過(guò)調(diào)制三極管的開(kāi)關(guān)頻率，達(dá)到控制紅外發(fā)射管的頻率。紅外發(fā)射電路如圖4所示。

圖4 紅外發(fā)射電路

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

2.3.3 RS485通訊

裝置設(shè)計(jì)上兼容有極性和無(wú)極性兩種方式，設(shè)計(jì)3個(gè)RS485信道，有極性信道2個(gè)，無(wú)極性信道1個(gè)，如圖5所示，無(wú)極性信道電路采用RS485收發(fā)器芯片SH65HVD888設(shè)計(jì)，兼容3.3V和5V系統(tǒng)，有極性信道采用RS485收發(fā)器芯片SH65HVD72設(shè)計(jì)，芯片引腳兼容，能夠互換。

圖5 RS485通訊電路

圖6 M-BUS發(fā)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?shù)臍W洲總線標(biāo)準(zhǔn)。具有布線簡(jiǎn)單、拓?fù)錈o(wú)關(guān)、在線供電、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，在技術(shù)上更適合非電力用戶用儀表的數(shù)據(jù)傳輸。模塊包括M-BUS發(fā)送電路、接收電路和控制電路。

M-BUS發(fā)送電路由CPU發(fā)出的TTL電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三極管控制LM317的電壓調(diào)整端輸出電壓。當(dāng)CPU發(fā)送1位數(shù)據(jù)“1”時(shí)，三極管截止，此時(shí)M-BUS線上電壓為30.8V，作為接收設(shè)備的表計(jì)識(shí)別為“1”，即收到1位數(shù)據(jù)“1”；當(dāng)CPU發(fā)送1位數(shù)據(jù)“0”時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)M-BUS線上電壓為18V，作為接收設(shè)備的表計(jì)識(shí)別為“0”，即收到1位數(shù)據(jù)“0”，如圖6所示。

M-BUS通信中，計(jì)量?jī)x表的應(yīng)答信號(hào)通過(guò)調(diào)制回路電流11-20mA來(lái)實(shí)現(xiàn)，接收回路將該電流通過(guò)串在回路中的電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)比較器輸出解調(diào)信號(hào)，與CPU的串行端口接收引腳連接。

3.結(jié)論

本裝置以ARM芯片為核心，設(shè)計(jì)智能儀表接口電路，依據(jù)CJ/T-188數(shù)據(jù)通訊規(guī)約，完成了計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)上傳功能。