智能电表抄表系统用ARM7 LPC2148的设计方案

本文主要介绍了基于ARM7 LPC2148便携式抄表器的硬件设计方案与电路，详细分析了RS 232接口电路；红外通讯接口电路；USB接口电路；LCD接口电路等设计方案。

自动抄表系统（Automatic Meter Reading System，AMRS）是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户用电量的智能化管理系统，近年来，这一技术在国内外应运而生，而发展非常迅速，他的最终目的是自动、集中、定时地抄录各用户的用电量，这对于提高电力部门的管理水平和经济效益有着十分重要的意义。

在自动抄表系统中，除了使用RS485总线、电力线载波或电话线进行数据通讯外，有些时候需要工作人员到现场进行数据采集，便携式抄表器作为十分便捷的现场抄表工具，是自动抄表系统数据采集手段的一个十分有效的补充，有着十分广阔的市场前景。

1 智能电表抄表系统简介

智能电表抄表系统的基本结构如图1所示，智能电表通过采集器连接到集中器上，集中器每隔一定的时间（具体时间可以设置）对电表采集一次数据，并保存到集中器中的存储器里，集中器通过电力线载波或者电话线可以直接将采集到的数据上传给系统主机，便携式抄表器的主要任务是用自己的指令解释并运行上位机所编的程序，现场采集集中器或者智能电表的数据，更新数据库中的内容，通过抄表器上的USB接口可以将数据传输给计算机由计算机进行处理、存档。从而实现电表到计算机的数据自动采集、传输、处理、打印等工作，免去了大量的手工劳动，极大地提高了劳动效率。

便携式抄表器作为现场数据采集的必要工具。他有键盘输入，可以手动查询、更新数据库中的数据；大屏幕LCD点阵显示，良好的人机对话界面；512 kB FLASH RAM，用于存放系统配置文件、程序及数据库文件；1个RS 232接口，一个USB接口，1个红外转发器，实现与智能电表、集中器的有线或红外通讯。RS 232和红外接口完成对每个电表的数据采集工作，并可通过该接口对集中器或智能电表进行设置、修改。USB接口完成同计算机的通讯，可以将抄表器中的数据传送给计算机，也可以接收计算机下传的程序文件及其他系统配置文件。

2 基于ARM7 LPC2148便携式抄表器的硬件设计

LPC2148是Philip公司推出的基于ARM7 TDMI内核的精简指令系统的32位高速处理器。他的工作电压为3.3 V，内核工作电压仅为2.5 V，大大降低了芯片的功耗。他主要带有32 kB+8 kB与USB DMA共用的片内静态RAM和512 kB的片内FLASHI程序存储器。128位宽度接口／加速器可实现高达60 MHz工作频率。可外扩EPROM，SDRAM，FLASH，RAM，USB，LCD；通过片内Boot装载程序实现在系统编程／在应用编程（ISP／IAP）。单个FLASH扇区或整片擦除时间为400 ms。256字节编程时间为1 ms；6路PWM调制输出，可用于控制蜂鸣器输出不同声音，提示系统各类信息；USB 2.O全速设备控制器具有2 kB终端RAM。此外，LPC2148提供8 kB的片内RAM，可通过DMA访问USB；14路10位A／D转换器，可用于系统电池检测；低功耗实时时钟（RTC）具有独立的电源和特定的32 kHz时钟输入，可用于纪录抄表时间；多个串行接口，包括2个UART（16C550）、2个高速I2C总线（400 kb／s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP；2种低功耗模式：空闲和掉电。根据需要设置不同的工作方式，可以降低系统功耗。

便携式抄表器以PLC2148控制单元为核心，主要由电源供给电路、红外通信电路、键盘显示电路、数据存储电路、RS 232接口电路、USB 2.O计算机接口电路和能源控制电路等部分组成，其硬件结构如图2所示。

考虑到便携式抄表器的低功耗、经济高效、性能稳定、接口电路简单和自动化程度高等特点，因此，选择合适的电路芯片至关重要。

2.1 RS 232接口电路

RS 232串口电路，采用MAXIM公司的MAX3111E串行异步收发器，硬件上无需任何其他外围器件，使用一个芯片即可实现UART接口的微控器与PC进行异步数据传输。同时其3.3 V供电性能更是适合低功耗设备的应用。

考虑到抄表工作人员会随时到现场进行对集中器的数据读取和参数设置，而集中器一般都带有RS 232接口，故在抄表器中设计RS232接口电路是必须的，因LPC2148的2个UART口已经被占用，所以考虑采用SPI接口，通用PC机的RS232接口为通用异步接口UART，而SPI则为同步串行协议，所以必须考虑同步与异步之间的数据格式转换，本系统中采用MAX3111E串行异步收发器来实现，其接口电路如图3所示。

LPC2148的MOSI1与DIN连接作为发送数据线，MISO1与DOUT连接为接收数据线，MAX3111E的TX与T1IN连接，RX与R1OUT连接，从而利用其片内的转换器实现UART到RS232电平的转换，MAX3111E的中断信号（IRQ）与LPC2148的外部中断ENT1相连，以便当集中器有数据向系统传输时，直接给LPC2148一个中断信号并执行相应的程序即可，RS232接口一般为9针，选用DB9，除5脚接地外，2、3、7、8分别接MAX3111E的T2OUT，R1IN，R2IN和T1OUT。

2.2 红外通讯接口电路

通过红外通讯进行抄表是便携式抄表器的主要功能之一，也能真正体现其方便快捷的优势，红外通信是利用950nm近红外波顿的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道，发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去，接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大，滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。

红外发射管选用Vishay公司生产的TSAL6238，用来向外发射950nm的红外光束，红外接收电路选用Vishay公司生产的专用红外接收模块TSOP173。该接收模块是一个3端元件，使用单电源+5V单元，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其他波长（950nm以外）的红外光不敏感的特点。

红外发送器的工作原理为：串行数据由LPC2148的串行输出端TXD1送出并于P0.21口产生的频率为38KHz的脉冲序列通过或非门调制成38kHz的载波信号，并利用两个红外发射管D1和D2以光脉冲的形式向外发送。数位“1”使T1管截止，红外发射管D1和D2不发射红外光。若传送的波特率设为1 200 b／s，则每个数位“O”对应32个载波脉冲调制信号的时序，如图4所示。

TSOP1738的工作原理为：首先，通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38 kHz的脉冲调制红外光信号转化为电信号，再由前级放大器和自动增益控制电路进行放大处理；然后，通过带通滤波器和进行滤波，滤波后的信号由解调电路进行解调；最后，由输出级电路进行反向放大输出，由LPC2148的RXD1口接收。

2.3 USB接口电路

USB是一种4线串行总线，支持一个主机同多个外设之间的通信。LPC2148带有USB设备控制器，该控制器使能与USB主机控制器之间12 Mb／s的数据传输。他由寄存器接口、串行接口引擎、端点缓冲存储器和DMA控制器组成。串行接口引擎对USB数据流进行译码，并将数据写入相应的端点缓冲存储器。结束后的USB传输或错误条件的状态由状态寄存器来指示，若中断使能则产生中断。

便携式抄表器采用USB 2.O通讯协议，实现其与上位机的通讯，主要包括抄表器向上位机传输抄表数据以及上位机对抄表器的升级及管理。接口电路如图5所示。

2.4 LCD接口电路

LCD显示电路，采用HS12864—16A，他是内部不带字符发生器的3 V液晶模块。显示屏由128×64点阵组成，共有64行，分为8页，每页8行，每行128列。

考虑到GPIO口资源有限，同时还有功耗问题，我们采用了串行变换法来连接驱动LCD模块。加入/串入并出的移位寄存器74HC595，用LPC2148的GPlO口复用SPI功能或直接用GPIO口模拟SPI功能进行驱动，后者更加方便。下面用这种方式进行说明，同样为方便，选用了连续的GPIO口P0.0～P0.7，具体设计系统要按实现情况进行配置。HS12864-16A的数据线为8条，所以存在于FLASH中的字模也是按8位存的，可由字模软件得出，传输数据进行显示的时候要满足以下时序：首先使D/I为高电平，R/W为低电平，接着将FLASH里的某个8位二进制字模传送到8个I/O口上，然后使能E模拟下降沿时序，把数据锁存到液晶显示器内部的显示存储器中即可显示。LCD与LPC2148的连接如图6所示。

便携式抄表器还包括键盘输入、电池检测等部分。比如键盘输入部分：可以采用键盘扫描的方式，通过接入通用I/O口，循环检测是否有键被按下，如有键被按下，则去除键抖动，判断键号并转入相应的键处理。电池检测部分只要把来自电池部分的电压连接到某个A/D口就可以了。如果所用的电池电压高于LPC2148的工作电压（3.3 V），通过电阻分压后再接到A/D口。

3 结语

本文针对当前抄表系统的现状，提出了集RS 485，RS 232，USB 2.0及红外通讯为一体的抄表通讯方案。其中RS 485主要用于智能电表和集中器之间的通讯，RS232和红外用于集中器和便携式抄表器之间的通讯，而上位机和抄表器之间则是通过USB 2.0进行通讯的。本文重点介绍了基于PLC2148便携式抄表器的设计。该抄表器具有携带方便，通讯便捷，数据存储量大，可软件升级等优点，应用前景十分广阔。随着智能抄表系统的不断普及和发展，便携式抄表器将会有更加广阔的用武之地。