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(多图) 智能电网数据采集器:适合住宅和工业应用的ARM解决方案

2011年12月30日 ?? 收藏0
数据采集器是当今智能电网的重要组成部分。影响数据采集器设计的因素有很多,按照采集器的设计复杂性, 住宅和工业应用中的数据采集器可大致分为三级:入门级、中级和高级。恩智浦半导体的ARM解决方案可以满足全部三种需求,提供合适的功能组合。

当今的电力公司在智能电网中广泛使用数据采集器跟踪电力消费、监控电网功能并分析电力运行情况。数据采集器电路通常置于电子式电表之间,这些电表用于测定电力使用量和电网上游网络。 数据采集器从电子式电表采集输入数据,进行一定的数据处理,然后将集中数据分程传递或上传至网络。

图1,用于入门级数据采集。
图1,用于入门级数据采集。

表1,入门级数据采集器的资源要求。
表1,入门级数据采集器的资源要求。

影响数据采集器设计的因素有很多,包括电力线类型(单相或多相)和公用系统(住宅或工业)的功能要求。不过,一般情况下,数据采集器的常见类别分为三种:入门级、中级和高级。本文将分别概述这三种数据采集器,并讨论为数据采集器选择微控制器时需要考虑的数据处理和系统资源要求。

入门级数据采集器

入门级数据采集器,顾名思义,能满足相对基本的系统要求。通常支持单相电力线(常与住宅电表一起使用),用来采集自动抄表系统(AMR)的数据,或新式带数字输出的智能电表数据。采集的数据通常存储在采集器系统的闪存里(内置或外置于微控制器本身),集中数据通过选定的通信接口在预定时间传输至上游网络。

图2,LPC1200功能框图。
图2,LPC1200功能框图。

入门级数据采集器通常在向上游网络传递信息之前会执行一定量的初步数据处理。例如,通过使用少量的数据采样并搭配时间记录,数据采集器可以报告某一特定时间内的电力使用情况,从短短几分钟到一个星期或一个月不等;也可以根据不同时间间隔和筛选方式对数据进行分类、存储。这样有助于电力公司详尽地分析电力使用趋势,数据粒度细化至单个用户,并可进行动态调整,实现更合理的电力输配。经配置后,数据采集器也可监测电子式电表的下游运行情况。如果电表参数发生变化,报告间隔超过公差、或检测到故障或异常数据,那么数据采集器会实现软件智能化,及时报警,并向维护团队提供远程修复所需的信息。

各地智能电网的传输方式可能有所不同,因此,应地方规范要求,可能需要扩展基本功能集。 根据数据采集器的部署位置,可以使用RS-485、通用分组无线业务(GPRS)或电力线通信(PLC)进行数据传输,也可用红外线或RS–485进行外部控制。 许多开发商并不针对每个地区或市场进行定制设计,而是采取了“一刀切”的做法,构建系统支持可能使用的所有传输方式(但不是所有传输方式都同时使用)。此做法可能在制造时带来规模经济效益,但同时可能对微控制器提出更多要求。

图3,用于高级数据采集器的微控制器配置示例。
图3,用于高级数据采集器的微控制器配置示例。

图1显示了如何配置微控制器用于入门级数据采集器,表1则列出了该设计的一般功能要求。假定该设备从多个UART端口采集数据,并支持多种基本功能,包括输入采集、数据存储、通信和维护,设计中应包括用于提供时间戳数据的实时时钟(RTC)、进行实时供电质量检查的可选模数转换器(ADC),以及与外部存储器或外部设备通信(如无线传输射频模块)一起使用的可选SPI接口。

表1中未列出微控制器本身的电耗要求,但通常来说,数据采集器需要高效用电。电力公司不想增加电网电力消耗而产生额外成本,消费者也不愿意因使用新的计量功能而增加电费支出。

考虑到这些不同需求,32位微控制器通常是最佳选择。这是因为大多数8位和16位微控制器的功率不足以处理多个数据源的数据,且往往缺乏必要的配置资源来支持系统运行。另一方面,因为大多数32位微控制器具有多种电源模式,设计人员通常可以进行系统优化,提高性能和效率。

决定使用32位架构后,设计师仍然需要找到提供合理功能组合的解决方案。这里会面对一个潜在的难题, 因为大多数32位微控制器除了具备必要的UART数量,但也提供了系统用不上的其它高级功能(如以太网、I2S和液晶显示接口)。恩智浦LPC1200工业控制系列(如图2所示),为此难题提供了不错的解决方案。该系列采用ARM Cortex-M0处理器,提供高达128KB闪存,且包含数据采集器可以使用的其它资源,如RTC、ADC和SPI。

LPC1200系列标配支持两个UART,另外,其独特的特殊应用标准产品(ASSP)功能使得该系统可以额外支持两个硬件UART。ASSP功能让设计人员可以避免增加高端设备支出,同时又具有足够的灵活性,可在不同应用中执行多项任务。例如,其内置的ASSP还可以被配置用于I2C转DMA传输、引脚模式匹配,或模拟数据记录等。使用ASSP可降低CPU的负载及减少处理简单信息时对系统运行产生的中断,可在定制微控制器功能的同时,最大限度地降低系统开销。

中级和高级数据采集器

较之入门级数据采集器,中级和高级数据采集器都具有更广泛的功能。高级与中级的区别通常在于CPU速度。也就是说,高级数据采集器一般需要更快的CPU速度,而这对微控制器配置至关重要。

高级数据采集器典型用于更复杂的住宅设置和三相工业应用中。计算需求越高,CPU性能要求也越高。200MHz以上主频通常是最佳选择。高级数据采集器还具备更先进的通信和控制功能,如以太网和Wi-Fi,用于交互式显示的LCD接口,以及供本地数据下载的USB主机。这些新增功能需要更多闪存与系统内存,且需要实时操作系统(RTOS)。图3给出了示例功能框图。

对于这样一个方案,恩智浦LPC32x0系列不失为一个很好的选择。该系列采用ARM9 CPU内核,其运行速度高达266MHz,同时采用矢量浮点(VFP)协处理器用于高级算术运算。此外,还提供了必要的外设和接口,包括7个UART、1个带专用DMA控制器的10/100以太网MAC、1个具有全速主机和设备性能的USB OTG、1个RTC,以及1个灵活的可支持STN和TFT面板的LCD控制器。

较之入门级产品,高级数据采集器的成本显著增加。 图3的配置始终为三芯片解决方案,因为微控制器需要外部SDRAM和NAND闪存才能形成足够的存储器资源。如果系统不需要这么快的CPU时钟频率,则选择一款板载资源充足的微控制器往往更为可取,这也符合了中级解决方案的要求(见图4)。

相对于高级解决方案,中级数据采集器的突出优点是成本较低。因为需要较少的组件,这样在PCB方面可节省高达2美元~3美元成本。简单的配置带来更好的经济性,但性能上的局限使得中级数据采集器更适合作为入门级的升级产品使用,并非高级解决方案的替代方案。中级数据采集器更适合可以牺牲系统功能换取成本的工业应用;对于想提高系统性能的住宅应用来说也是不错的选择,如以太网实时通信,可用于控制用户电源开与闭,或用于报告状态变化(显示设备篡改)等。

图4,用于中级数据采集器的微控制器配置示例。
图4,用于中级数据采集器的微控制器配置示例。

恩智浦LPC1760系列非常适合中级数据采集器。该系列采用ARM Cortex-M3 CPU,主频高达100MHz,且包括最大64KB的SRAM和512KB闪存。板载外设和通信接口也为中级数据采集器提供了充足的资源。

结合使用

对于多设备和多用户的智能电网,可以将入门级和中级或高级数据采集器结合使用,从而创建一个更全面的系统。例如,在高层住宅中,数据采集可以细化到楼栋和楼层。每套公寓的电子式电表可以向每个楼层的入门级数据采集器提供数据;同时采用一系列中级或高级数据采集器将各楼层的数据合并汇总,从而生成整栋大楼的信息。这样的设置可以实现基于层的数据采集和处理,既平衡了工作负载,同时还实现了高水平的数据粒度和可管理性。

结论

相对于整个系统,数据采集器可能是微不足道的小组件,却执行了提高电网智能化的重要任务。数据采集器除了可从电子式电表池采集数据外,也可以配置用于多种实用操作:检查输电质量、监测电力使用数据、提供事件数据记录以及报告系统故障。不论是入门级、中级还是高级数据采集器,选择合适的32位微控制器可简化开发步骤,设计出经济高效的解决方案。选择微控制器时,工程师应考虑片上资源,也应考虑其它设计因素,如设备可靠性(温度和湿度范围、数据保持能力、电流快速瞬变可靠性、防静电等)、系统级组件集成、区分功能(如数据加密),当然还有价格因素。恩智浦的ARM解决方案,包括LPC1200、LPC32x0和LPC1760系列,可提供最佳的性能特点组合,是各种住宅和工业用数据采集器设计的理想选择。


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