基于ARM的智能电网数据采集器设计

入门级数据采集器的应用及系统结构

入门级数据采集器通常支持单相电力线，用途是采集自动抄表系统（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中（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。

入门级数据采集器向上游网络传递信息之前通常会执行一定量的初步数据处理。例如，结合少量的数据采样和时间记录，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。这样有助于公用事业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，或报告间隔超过公差，或检测到故障或异常数据，则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，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，但同时对微控制器将提出更多要求。

入门级数据采集器系统框图和资源要求

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。

图1 用于入门级数据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电耗要求，但通常来说，数据采集器需要高效用电。公用事业公司不想增加电网电力消耗而产生的额外成本，消费者也不愿意因使用新的计量功能而增加电费支出。


入门级数据采集器元件选举及考量

恩智浦LPC1200工业控制系列为入门级数据采集器提供了不错的解决方案。如图2所示，该系列采用ARM Cortex-M0处理器，提供高达128 KB闪存，且包含数据采集器可以使用的其他资源，如RTC、ADC和SPI。

图2 LPC1200功能框图

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。