一种基于ATmage64的无线电能数据采集系统的设计*

陈　琼,李秀平,杨　杰*,杨　悦

(1.东莞理工学院电子工程学院,广东 东莞 523808;2.惠州出入境检验检疫局,广东 惠州 516006)



一种基于ATmage64的无线电能数据采集系统的设计*

陈琼1,李秀平1,杨杰1*,杨悦2

(1.东莞理工学院电子工程学院,广东 东莞 523808;2.惠州出入境检验检疫局,广东 惠州 516006)

摘要:设计了一款电能数据无线采集系统。系统主要由单片机ATmage64、电能采集芯片CS7760和无线数据收发芯片IA4421组成。系统终端可通过读取感应器的数据实现对用电设备的用电量采集及对用电设备的通、断电控制,系统通信采用全双工方式,工作频率为433 MHz/915 MHz,发射功率为5 dBm,接收灵敏度为-100 dBm。该系统可广泛应用于各类需要无线数据采集的工业自动化等领域。

关键词:ATmage64;CS7760;IA4421;无线数据采集

随着我国社会的飞速发展,居民及工业用电量发生了大幅的攀升,导致用户耗电量采集工作日益繁重,传统的人工抄表或预付费抄表方式已难以满足实际工作的需求,尤其是传统耗电数据收集方式存在的可靠性、安全隐患等缺陷已经引起了相关部门的高度重视。在此背景下,这些年来我国智能电网已经得到了大规模的建设,智能化、远程化的电力抄表技术是发展的大趋势[1-2]。无线通信技术与计算机技术的结合可以实现数据的无线收发[3-4],利用这类技术可以设计一类电力耗能数据的便捷获取和智能处理的无线采集系统。

本文设计了一种无线电能数据采集系统。该系统利用电能采集芯片CS7760对用户端的耗电量数据进行采集,无线数据收发芯片IA4421则负责相关数据的无线传输和接收,数据的处理和管理等由单片机ATmega64完成。其中用户电能监控的无线接收部分终端是一个包含多通道的实时监测感应装置,用以获取相关用户的电能消耗,系统还包括开关控制、电能消耗记录与调出、串口通信等功能;ATmega64单片机采用哈佛体系结构,内部带硬件乘法器,能够迅速地处理多通道的电能数据及控制无线通信模块数据的收发,迅速完成大数据量的处理。由于该单片机内部同时带存储单位存取数据,这样可省去外部外接存储器,使系统设计实现小型化;系统数据采用LCD显示,可以满足更低成本和生产迅速的特点;电能采集芯片CS7760是一款高精度、高性能集成电路,它将瞬时有功功率以脉冲的形式直接输出,单片机使用高精度的定时器实时计算其对应的输出周期脉冲数量,转化为功率数据和电量,完成一个周期的数据计算,通过无线模块发送到终端显示与保存。无线电能终端与感应装置之间的通信通过相应的数据通信协议实现。

利用本系统的工作原理,稍作修改便可应用于其他各类需要进行无线数据采集的领域,譬如工业控制、医疗卫生等场合。

1　系统组成

所设计的无线电能数据采集系统主要由AVR单片机ATmega64、RF无线收发模块IA4421和终端用户电能传感模块CS7760组成,工作原理框图如图1所示。传感器采集到的数据传输给芯片CS7760,经过处理后再传送给单片机,在这里数据可以再次进行计算处理,处理得到的数据交给模块IA4421,数据信号经过合适的调制后,通过天线转化为电磁波发射出去。扩展EEPORM是为了存储用户的电能使用情况,以便用户可随时调用、回查历史数据记录。

图1　无线数据采集系统框图

2　系统主要硬件电路

2.1单片机电路

AVR系列单片机与51系列单片机相比有更快的运算速度和更强大的功能,。ATmega64是AVR系列单片机中配置较高的一款单片机,它是一种低功耗的8 bit CMOS微处理器,具有基于增强的AVR RISC结构,在工业控制系统和嵌入式领域有着广泛的应用。其主要特点是:(1)采用哈佛结构,具备高速的处理能力;(2)超功能精简指令集(RISC),具有32个通用工作寄存器;(3)快速的存取寄存器组及单周期指令系统,优化了目标代码的大小、执行效率;(4)片内集成多种功能模块,使得外围电路更加简单,系统更加稳定可靠。该机在每个时钟周期内完成的信息处理量要比同类产品高出很多,这就意味着ATmega64能以更低的时钟速度、更低的功耗来执行现今应用所要求的计算密集的算法。其内核能够最大限度地减小载入/存储和分支跳转操作方面的所花费的系统代价,使传输途径的吞吐量最大化,从而能以较同等处理器低得多的时钟频率和功耗执行复杂的算法。图2为ATmega64芯片的管脚图。具体使用可参见芯片厂商提供的相关资料。

图2　ATmega64管脚示意图

2.2RF收发电路

图3　射频信号接收及发射原理框图

射频(RF)收发电路采用低功耗、多信道的FSK无线通信芯片IA4421。该芯片内部由射频功率放大器、低噪声放大器、基带滤波器及解调器等等电路组成,可工作在433 MHz/868 MHz/915 MHz频段。信号发射及接收端的基本原理见图3所示。在发射电路中,将传感器获得的信号AD转换后,对本振信号进行FSK调制,调制后馈入功率放大器,功放可采用A类设计,以保证信号的线性度,避免失真。通讯制式可采用TDMA形式,这样电路中本振源可以采用发射和接收电路共用方式。本系统对本振信号的相位噪声要求不是特别的苛刻,因而本振电路采用了环形振荡器来实现,同时为了稳定本振的频率,系统将加入锁相环模块,而且鉴于在稳定频率的同时,还将进行FSK调制,导致最后的构架是双环路锁相环。接收部分,将采用零中频技术来实现,天线接收到的射频信号经过滤波和放大后,注入混频器,与本振信号作用后,输出为它们的差频,信号的调制频率隐涵其中,将其进一步放大、滤波后,利用解调电路,便可得到调制信号。FSK调制信号的解调是采用正交相关解调模式,电路中利用高精度运算放大器可实现高精度的高、低通滤波,AD转换后,解调后的信号完成数字转换,送给后续电路进行分析处理。

芯片的管脚见图4所示,其中引脚类型关键词为:D=数字,A=模拟,S=供电,I=输入,O=输出,IO=输入/输出,芯片工作在SPI总线模式,其中SDI为SPI串口数据输入,nIRQ为中断请求输出,XTL/REF为晶振连接或外部参考输入,其他引脚定义可由芯片相应的Datasheet资料表获得。

图4　IA4421芯片管脚示意图

IA4421芯片支持天线直接驱动,芯片RF1和RF2管脚与外接天线构成差分电路便可实现数据的发送和接收,在射频频段,电路中天线与芯片输出(或输入)端口间的阻抗匹配十分重要,否则会导致它们之间信号的反射,严重影响芯片的发射和接收功能。解决问题的关键是设计合理的匹配电路,由于芯片内部已经集成了天线的匹配电路,所以应用起来还是较为简便的。只要天线与芯片间匹配良好,一般通信距离都能达到200 m左右。图5给出了芯片FIFO的一种典型用法。

图5　IA4421芯片FIFO的典型用法

2.3电能采集电路

电能采集电路主要利用芯片CS7760设计完成。CS7760可将瞬时有功功率以脉冲的形式直接输出。CS7760采用高精度ADC和DSP相结合的技术,片内集成高稳定的基准电压,对温度、纹波等外界干扰的敏感度很低,计量准确度及稳定性高。CS7760片内设计有抗混叠滤波器,最大程度地减小了片外滤波器的要求,使得片外一阶R-C滤波器的-3 dB转折频率可以扩展到100 kHz,这样不仅减小了滤波器中电阻、电容值,同时也大大减小了电阻、电容的精度要求。CS7760采用CMOS工艺设计,16-PIN,SOP封装,图6为管脚定义示意图,各个管脚描述见表1。

图6　CS7760封装管脚示意图

表1CS7760管脚描述

序号符号类型功能描述1DVDD数字电源+5V电源2AC/DC输入该引脚输入电压在1．3V至3．7V之间3AVDD模拟电源+5V电源45V1PV1N模拟输入模拟输入电流通道模拟信号输入，最大输入电压范围±1Vpp、V2P与V2N构成差分信号67V2NV2P模拟输入模拟输入电流通道模拟信号输入，最大输入电压范围±1Vpp、V2P与V2N构成差分信号91011SCFS1S0数字输入CF0校正频率选择12GAIN数字输入增益选择引脚，当输入为高的时候增益为16，当输入为低时增益为813CKI时钟输入外部时钟输入引脚，也可把一个石英晶振接在CKI与CKO之间为CS7760提供一个时钟源，规定时钟频率为3．579545MHz14CKO时钟输出石英晶振接在CKI与CKO之间为CS7760提供一个时钟源，当CKI上接有外时钟时CKO能驱动一个CMOS负载。15DGND数字地这是CS7760数字电路的接地参考点16CF数字输出频率校验输出引脚，其输出频率反映的是瞬时有功功率的大小。

CS7760可将电压通道、电流通道的信号经过ΣΔADC转换并经过高通滤波器后相乘,相乘的信号经过低通滤波后,利用数字-频率转换电路,通过CF管脚输出数字脉冲,输出频率反映即为瞬时有功功率的大小,信号流框图见图7所示。

图7　CS7760信号流图

如果电压或电流输入信号是非正弦波,利用傅里叶变换,电流、电压可表为:

(1)

(2)

CS7760同样可以进行电能有功功率的采集,有功功率为基波有功功率与所有谐波有功功率和,即

(3)

其中:P1=V1×I1×cosθ1,PN=VN×IN×cosθN。

3　系统主要软件

3.1主程序

程序采用C语言编写的,开发环境为ICCAVR。ICCAVR是一种符合ANSI(美国国家标准学会)标准的C语言开发工具,是AVR单片机的常用开发软件,它具有如下的几个特点:(1)拥有集成工作环境(IDE),综合了编辑器和工程管理器;(2)程序源文件可以在工作环境中编辑,所有文件被组织到一个工程里。当编译出错时,错误显示在状态窗口中,通过点击错误,光标会自动跳转到错误所在行;(3)工程管理器能生成HEX格式文件,该格式的文件可被大多数编程器直接下载到芯片中。

主程序完成设备的初始化及配置信息。图8为主程序的流程图,设备初始化包括设置串口参数、定时器初始化、MODBUS初始化、EEPROM初始化及NANDFLASH初始化。设备初始化完成后需要读取NANDFLASH的使用信息,从而更新NANDFLASH的信息。NANDFLASH信息更新完毕后,进入while循环,循环周期内检查串口0,若有数据则执行中断服务程序,否则等待TIM为O时采集并存储数据,数据存储完毕后进入while循环执行相同的命令。

图8　主程序流程图

主程序的部分代码如下:

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的相关软件

IA4421在使用前,为了指定其通信频段和模式,需要对相关的寄存器进行设置。主要包括频率配置、电源管理、波特率设置、FIFO命令、AFC命令等。为了防止通信数据阻塞等情况,系统必须对因为数据阻塞或节点崩溃所引起的影响进行处理,这需编制相关的软件来实现该功能。芯片数据发送、接收通信的流程图可见图9所示。

3.3数据存储

能耗原始数据信息可以记录时间、消耗的用电量等,为了保证足够的存储量,系统采用EEPROM与NAND FLASH结合的存储方式进行数据存储,EEPROM函数集中设定存储数据指针和读取数据指针2个变量,为防止系统掉电丢失存取数据的偏移地址,在EEPROM存取数据后需将2个变量存入特定的地址。NAND FLASH是基于页为单位进行数据存储的,系统采集多组数据后才能写入NAND FLASH中。NAND FLASH在实际的应用中为了保证数据的可靠性,需要利用ECC(Error Correcting Code)对写入或读出的信息进行校验。

图9　IA4421数据通信流程图

4　结语

利用单片机ATmage64、电能采集芯片CS7760和无线数据收发芯片IA4421等设计了一款无线数据采集系统。通信频率可在433 MHz/915 MHz频段选择,发射功率为5 dBm,接收灵敏度可达-100 dBm。通信制式采用FSK调制模式,空旷地带通信距离可达200 m以上,在室内复杂传播环境下信号传播距离可达30 m左右。接口采用SPI总线模式。该系统可应用于各种需要非接触的数据采集场合,相比于目前常见的各种数据采集模式,本系统在电路低功耗特性及用户耗能反馈告知上有自己独到的特点。

参考文献:

[1]张杰,张大彪.一种用于自动抄表系统的数据采集接口电路[J].仪表技术与传感器,2002,4(23):92-96.

[2]周长红,刘敬彪.智能抄表系统的设计和实现[J].现代电子技术,2004,5(12):55-59.

[3]张科帆,张淑华,涂强,等.基于IA4421的数字化无线温度传感器的设计与实现[J].现代电子技术,2008,20(283):189-191.

[4]邹其洪,柳兰,赵俊.基于LPC2131和IA4421的无线数据采集系统设计[J].信息与电子工程,2009,7(2):90-98.

陈琼(1972-),女,高级实验师,硕士,东莞理工学院电子工程学院教师。主要从事电子、通信系统测量方面的教学和研究工作。作为主要研究人员参与完成了多项“广东省自然科学基金项目”的研究工作,目前主持“东莞市高等院校科研机构项目”一项;

杨杰(1963-),男,副教授,硕士,东莞理工学院电子工程学院教师,主要从事嵌入式系统应用等方面的研究。主持完成“广东省科技计划项目”和“东莞市高等院校科研机构项目”各1项,在专业期刊发表论文十余篇。

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

中图分类号:TN919

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-1004-05

收稿日期:2013-12-21修改日期:2014-01-13

项目来源:东莞市高等院校科研机构科技计划项目(2012108102002)