一种基于Mc WiLL的电力营销终端设计

高建涛，韩志杰

（华北电力大学 电气与电子工程学院 北京102206）

1 设计原则

根据电力营销数据采集终端对数据采集和处理较高的要求，在进行硬件设计时应遵循以下原则。

①采用低功耗的硬件电路设计及芯片，同时能根据系统以后的应用需要，进行模块和功能扩展。

②系统需要进行大量的数据处理工作，如：数据的采集、存储，无线信号的基带数字调制和解调，自适应信道算法等。对CPU的运算速度要求很高，因此需考虑选择ARM和DSP双CPU的内核结构，以分担整个终端系统数据计算任务。

③系统的应用环境决定了系统的高可靠性，因此需精简外围工作电路的设计，提高系统工作的稳定可靠性。同时，也可以降低系统的设计成本。

④芯片要选择工业级或者军品级。由于终端长期处在室外，温度、湿度以及暴风雨等恶劣环境条件对终端原器件的要求较高。同时，为了解决意外死机情况的发生，需要设置硬件看门狗，以实现终端死机后能自启动。

⑤终端外壳选择要注意防尘、防潮，还要达到一定得静电防护等级。同时，也要注意外壳的抗损性等。

2 主控模块设计

主控模块是整个终端硬件设计的核心，因此在芯片的选择上需要考虑终端在数据处理速度方面的需求。根据需求分析，终端的主控模块应是具备高速DSP处理能力和ARM控制的双内核CPU，并且能够提供McWiLL通信、谐波分析、各种开关信号的识别和控制命令的发出等功能。此处，终端主控模块CPU选择大唐微电子DTT6C01B双内核芯片。

DTT6C01B是基于SOC（systemon chip）设计理念开发出的一款面向通信的综合信息处理器，采用通用总线和ARM、DSP双核结构，可稳定运行于100 MHz，提供超过500MIPS的运算能力。COMIP芯片支持SRAM、SDRAM和Flash等多种大容量外部存储器，支持UART、GPIO、SSI、JTAG等多种接口，包含语音Codec、辅助AD/DA和带I/Q通道的高速AD/DA，所以可以用作多种复杂通信终端的核心处理芯片。其中,ARM主要实现对终端的控制，DSP实现终端中的数据采集、计算、处理以及通过McWiLL射频模块实现数据上传。

DTT6C01B提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，所有模块可以单独关闭进入省电模式，使得整个系统消耗最小。正是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设备的麻烦。

3 模块结构

主控模块主要由DTT6C01B综合信息处理芯片组成，外扩FLASH和RAM存储、McWiLL射频模块、遥信遥控模块、RS-485接口、RS-232接口以及LCD显示屏和按键等。为了保护各芯片正常工作，降低干扰，主控模块以及其外扩模块安置于核心板上与交采板子相隔了，通过SPI接口连接。交采板上安装有光电隔离器件，以防电流电压波动造成对终端各芯片的干扰和影响甚至损坏。为了更好地说明主控模块在整个终端硬件结构中所处的核心地位，图1给出了包括主控模块在内的整个终端硬件模块结构。

DTT6C01B综合信息处理芯片采用高性能、低功耗CMOS技术，0.18 mm工艺制造，具有ARM946E和ZSP400双内核处理器。除此以外，芯片还内设通用模块、外设界面模块、通信协议模块以及调试和子系统通信模块等。通用模块包括系统控制器（CPR）、实时时钟（RTC）、直接存储器访问控制器（DMAC0、DMAC1）、定时器（TIMER0、TIMER1、TIMER2、TIMER3）、看门狗（WDT）、中断控制器（ICTL）、外部存储器控制器（MEMCTRL）、通用IO控制器（GPIO0、GPIO1）等。外设界面模块包括键盘控制器（KBS）、脉冲宽度调制模块（PWM）、智能卡接口控制器（SIM）、液晶显示控制接口（LCDC）、辅助AD/DA接口模块（AUXAD、AUXDA）等。通信协议模块包括同步串行接口控制器（SSI0、SSI1）、通用异步串行通信控制器（UART0、UART1、UART2）、射频接口控制器（RFIF）、GSM加速算子（GSMACC）、McWill加速算子（MWACC）、语音接口模块（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所提供的资源，仅需要简单外扩一些器件便可实现终端所需功能。

在终端硬件设计上，两大处理内核分别完成不同的工作任务。ARM内核主要参与终端各模块的控制以及管理数据存储和通信等。DSP模块主要完成McWiLL信号的基带调制解调、编码等以及交采信号的电能质量分析和谐波计算等功能。通过通用模块所提供的实时时钟（RTC）为整个系统的同步提供了统一的时钟信号；直接存储访问控制器（DMAC0、DMAC1）提高了系统数据存储效率，降低了ARM内核的负担。除此以外，定时器、看门狗以及终端控制器等均可根据程序实现不同的功能。而外设界面模块则为终端外扩人机接口提供了帮助。通过外设界面模块的键盘控制器（KBS）提供了一个4×7的三角键盘，主要用于ARM和三角键盘之间的通信，扫描和检测键盘的按键状态，并将用户输入按键转换为相应的按键编码；液晶显示控制接口（LCDC）提供了异步总线接口和行场控制接口，当采用异步总线接口时，可用于连接LCD模块；当工作于行场控制接口模式下时，可作为LCD控制器连接TFT格式的LCD Driver；除此以外，脉冲宽度调制模块（PWM）、智能卡接口控制器（SIM）和辅助AD/DA接口模块（AUXAD、AUXDA）同样可根据程序完成相应的功能。通信协议模块除了提供3个串行异步通信接口，为终端外扩RS-485和RS-232接口提供了帮助以外，还为McWiLL射频模块提供了接口，同时也提供了SSI、I2S、I2C以及USB等通信接口。

4 串口通信和电能量采集模块设计

DTT6C01B提供了3个异步串行接口（UART0-2）。通过外扩MAX232和MAX485芯片提供了2路EIA电平RS-232接口和1路RS-485接口。RS-232接口作为终端的通用维护接口，而RS-485串口与数字电能表连接，通过该口完成对电能表数据的读取与设置。目前，数字电能表已采用RS-485总线接口方式。这是因为RS-232的信号标准电位是参考地线而来的，容易受到干扰。RS-485的信号是差分信号，可以有效防止噪声干扰，同时也大大提高了信号的传输距离。本设计采用MAXIM公司生产的MAX485芯片实现DTT6C01B异步串行接口CMOS电平信号到RS-485电平信号的转换。

MAX485采用单一电源5 V工作，额定电流为300 A，采用半双工通信方式，共有8个管脚，芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO和TI端分别为接收器的输出端和驱动器的输入端，只需分别与DTT6C01B的uartx_rxd和uartx_txd相连即可；E2和TE端分别为接收和发送的使能端，当E2为逻辑0时，器件处于接收状态；当TE为逻辑1时，器件处于发送状态。A端和B端分别为RS-485接口接收和发送的差分信号端。为了提高系统抗干扰能力，在本系统中对RS-485接口与DTT6C01B进行了光电隔离。MAX485的连接如图2所示。

MAX232芯片连接与MAX485类似。而DTT6C01B所提供了通用串行接口可工作于非流控和自动流控模式（仅UART0可工作于这两种模式，UART1和UART2仅工作于非流控模式）。在非流控模式下UART x（x=0，1，2）用TXD（uatx_txd管脚信号）发送数据，用RXD（uatx_rxd管脚信号）接收数据。在流控模式下，DTT6C01B还提供了uart_cts和uart_rts作为流量控制。DTT6C01B的串口0与外扩电平转换芯片的连接如图3所示。

5 遥信、遥控模块

遥信主要是实现系统检测开关变位状态，包括故障指示器动作信号、异常信号等。遥控主要是系统通过继电器实现对开关的控制。由于开关和继电器等处在强电场中，电磁干扰比较严重。因此，必须采取抗干扰措施，将输入信号和输出信号进行光电隔离。

在遥信模块设计中，开关信号输入端不能直接和DTT6C01B的I/O口连接，两者之间必须加入光电隔离电路，如图4所示。另外，输入端还要采用电阻等器件对信号进行调理，以处理掉信号的毛刺。

光电耦合器TLP121实现了开关信号与DTT6C01B的完全隔离。本设计中要求系统具有5路开关状态量输入，因此只需将5路开关信号分别连接在5路光电隔离电路的A端，将DTT6C01B的I/O管脚gpio_0到gpio_4分别连接在5路光电隔离电路的B端。

在遥控模块设计中，DTT6C01B通过对跳闸继电器的控制，实现对用电开关的远程跳、合闸控制。本设计中要求系统具有2路开关控制量输出，每一路中有一个常开继电器和一个常闭继电器。因此设计时用DTT6C01B的4个I/O管脚gpio_5到gpio_8分别去控制跳闸继电器。

6 结束语

本文对现有电力营销数据采集终端及其通信方式进行了分析，针对现有电力营销数据采集网络主要借助于公众移动通信网络（GPRS/CDMA），存在数据传输速率低，安全性、实时性差等各种先天不足，这已无法满足电力营销现代化管理的需要。因此，本文引入了McWiLL宽带无线通信技术，设计了一种基于McWiLL的新型宽带无线电力营销数据采集终端。该终端具有结构小巧、内部模块高集成化等特点。同时，采用McWiLL专用宽带无线网络技术保证了数据传输的可靠性、安全性、实时性，具有良好的推广价值。

1 陈邦媛.射频通信电路.北京：科学出版社，2002

2 余成波.无线点对多点的远程在线数据采集系统的研制.电子技术应用，2003

3 张沛泉.无线数据传输模块的设计与实现.硕士学位论文，电子科技大学，2002

4 周立功.ARM嵌入式系统基础教程.北京：北京航空航天大学出版社，2005

5 温斌，林波，江连山等.McWiLL宽带无线接入技术及应用.北京：人民邮电出版社，2009