摘 要： 主要闡述了ARM微控制器在智能電網的入門級和中高級數據采集器中的應用，從而更好地完成智能家居控制功能。該設計方案充分利用了ARM微控制器的高性能和低耗電優點，系統的擴展性和升降級能力強，在智能家居市場應用廣泛。
關鍵詞： ARM；微控制器；智能電網
入門級數據采集器的應用及系統結構
入門級數據采集器通常支持單相電力線，用途是采集自動抄表系統（AMR）的數據或新式帶數字輸出的智能電表數據。采集的數據通常存儲在采集器系統的閃存中（內置或外置于微控制器本身），集中數據通過選定的通信接口在預定時間傳輸至上游網絡。
入門級數據采集器向上游網絡傳遞信息之前通常會執行一定量的初步數據處理。例如，結合少量的數據采樣和時間記錄，數據采集器可以報告某一特定時間內的電力使用情況，從短短幾分鐘到一個星期或一個月不等。也可以根據不同時間間隔和篩選方式對數據進行分類、存儲。這樣有助于公用事業公司詳盡地分析電力使用趨勢，數據粒度細化至單個用戶，并可進行動態調整，實現更合理的電力輸配。經配置后，數據采集器可監測電子式電表的下游運行情況。如果電表參數發生變化，或報告間隔超過公差，或檢測到故障或異常數據，則數據采集器會實現軟件智能化，及時報警，并向維護團隊提供遠程修復所需的信息。
各地智能電網的傳輸方式可能有所不同，因此，應地方規范要求，需要擴展基本功能集。根據數據采集器的部署位置，可以使用RS-485、通用分組無線業務（GPRS）或電力線通信（PLC）進行數據傳輸，也可用紅外線或RS-485進行外部控制。許多開發商并不針對每個地區或市場進行定制設計，而是采取了“一刀切”的做法，構建系統支持可能使用的所有傳輸方式（但不是所有傳輸方式都同時使用）。此做法可能在制造時帶來規模經濟效益，但同時對微控制器將提出更多要求。
入門級數據采集器系統框圖和資源要求
圖1顯示了如何配置微控制器用于入門級數據采集器，表1則列出了該設計的一般功能要求。假定該設備從多個UART端口采集數據，并支持多種基本功能，包括輸入采集、數據存儲、通信和維護。設計中包括用于提供時間戳數據的實時時鐘RTC、進行實時供電質量檢查的可選模數轉換器ADC以及與外部存儲器或外部設備通信（如無線傳輸射頻模塊）一起使用的可選SPI接口。
圖1 用于入門級數據采集器的微控制器配置示例
表1中未列出微控制器本身的電耗要求，但通常來說，數據采集器需要高效用電。公用事業公司不想增加電網電力消耗而產生的額外成本，消費者也不愿意因使用新的計量功能而增加電費支出。
入門級數據采集器元件選舉及考量
恩智浦LPC1200工業控制系列為入門級數據采集器提供了不錯的解決方案。如圖2所示，該系列采用ARM Cortex-M0處理器，提供高達128 KB閃存，且包含數據采集器可以使用的其他資源，如RTC、ADC和SPI。
圖2 LPC1200功能框圖
LPC1200系列標配支持兩個UART，另外，其獨特的特殊應用標準產品（ASSP）功能使得該系統可以額外支持兩個硬件UART。ASSP功能讓設計人員可以避免增加高端設備支出，同時又具有足夠的靈活性，可在不同應用中執行多項任務。例如，其內置的ASSP還可以被配置用于I2C轉DMA傳輸、引腳模式匹配或模擬數據記錄等。使用ASSP可降低CPU的負載及減少處理簡單信息時對系統運行產生的中斷，可在定制微控制器功能的同時最大限度地降低系統開銷。
中級和高級數據采集器的應用及系統結構
較之入門級數據采集器，中級和高級數據采集器都具有更廣泛的功能。高級與中級的區別通常在于CPU的速度。也就是說，高級數據采集器一般需要更快的CPU速度，而這對微控制器配置至關重要。
高級數據采集器系統框圖和資源要求
高級數據采集器常用于更復雜的住宅設置和三相工業應用中。計算需求越高，CPU性能要求也越高。200 MHz以上主頻通常是最佳選擇。高級數據采集器還具備更先進的通信和控制功能，如以太網和Wi-Fi、用于交互式顯示的LCD接口以及供本地數據下載的USB主機。這些新增功能需要更多閃存與系統內存，且需要實時操作系統（RTOS）。圖3給出了示例功能框圖。
圖3 用于高級數據采集器的微控制器配置示例
圖4 用于中級數據采集器的微控制器配置示例
高級數據采集器元件選舉及考量
對于圖3的應用方案，恩智浦LPC3250系列不失為一個很好的選擇。該系列采用ARM9 CPU內核，其運行速度高達266 MHz，同時采用矢量浮點（VFP）協處理器用于高級算術運算。此外，還提供了必要的外設和接口，包括7個UART、1個帶專用DMA控制器的10/100 G以太網MAC、1個具有全速主機和設備性能的USB OTG、1個RTC，以及1個靈活的可支持STN和TFT面板的LCD控制器。
圖3的配置為三芯片解決方案，因為微控制器需要外部SDRAM和NAND閃存才能形成足夠的存儲器資源。如果系統不需要這么快的CPU時鐘頻率，則選擇一款板載資源充足的微控制器往往更為可取，這也正符合了中級解決方案的要求，如圖4所示。
中級數據采集器元件選舉及考量
相對于高級解決方案，中級數據采集器的突出優點是成本較低。因為需要較少的組件，所以在PCB方面可節省高達2~3美元成本。簡單的配置帶來更好的經濟性，但性能上的局限使得中級數據采集器更適合作為入門級的升級產品使用，并非高級解決方案的替代方案。中級數據采集器更適合于以犧牲系統功能換取成本的工業應用。對于想提高系統性能的住宅應用來說也是不錯的選擇，如以太網實時通信可用于控制用戶電源開與閉，或用于報告狀態變化（顯示設備篡改）等。
恩智浦LPC1760系列非常適合中級數據采集器。該系列采用ARM Cortex-M3 CPU，主頻高達100 MHz，且包括最大64 KB的SRAM和512 KB閃存。板載外設和通信接口也為中級數據采集器提供了充足的資源。
數據采集器執行了提高電網智能化的重要任務。選擇合適的32 bit微控制器可簡化開發步驟，設計出經濟高效的解決方案。選擇微控制器時，工程師應考慮片上資源，也應考慮其他設計因素，如設備可靠性（溫度和濕度范圍、數據保持能力、電流快速瞬變可靠性、防靜電等）、系統級組件集成、 區分功能（如數據加密），當然還有價格因素。恩智浦的ARM解決方案包括LPC1200、LPC32x0和LPC1760系列，可提供最佳的性能特點組合及滿足系統需求，是各種住宅甚至是工業用數據采集器設計的理想選擇。