基于新型多MCU系統(tǒng)的多功能電能表的設(shè)計(jì)

0. 引言
隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多具有諧波源作用的非線性設(shè)備投入使用，電網(wǎng)電能質(zhì)量日益惡化，現(xiàn)行的電能計(jì)量和考核方式不利于對(duì)諧波污染源的考核和治理。合理的解決辦法是分別計(jì)量基波電能和各次諧波電能，并分諧波電能的傳遞方向分別執(zhí)行懲罰性和補(bǔ)償性計(jì)費(fèi)制度以提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)這個(gè)準(zhǔn)確、合理的電能計(jì)量和質(zhì)量評(píng)估方案的關(guān)鍵，是研制能夠進(jìn)行諧波分析的多功能電能計(jì)量監(jiān)測(cè)裝置，這樣的裝置必須能夠在高速、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換分析和對(duì)各項(xiàng)電能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、顯示，這要求用多MCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)多功能電能表。
應(yīng)用多MCU系統(tǒng)的電能計(jì)量、質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置總體框圖如圖1所示。多MCU系統(tǒng)由兩個(gè)微處理器MCU1、MCU2及數(shù)據(jù)共享接口構(gòu)成，微處理器MCU1負(fù)責(zé)外圍數(shù)據(jù)采集、濾波、A/D轉(zhuǎn)換單元模塊的控制、電能指標(biāo)顯示和遠(yuǎn)程抄表數(shù)據(jù)通信等功能，MCU2負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算和對(duì)基波及各次諧波電能數(shù)據(jù)的分時(shí)計(jì)費(fèi)計(jì)算，數(shù)據(jù)共享接口則承擔(dān)著微處理器MCU1和MCU2之間數(shù)據(jù)交換共享的作用，相當(dāng)于多MCU系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。因此，數(shù)據(jù)共享接口性能的優(yōu)劣，將直接決定著多MCU系統(tǒng)工作效率的高低和和系統(tǒng)數(shù)據(jù)保護(hù)的可靠程度。

目前，多MCU系統(tǒng)多采用雙口RAM（如IDT7134芯片）或微控制器的串行接口作為多個(gè)微處理器MCU之間數(shù)據(jù)共享接口，如圖2a、b所示。雙口RAM是一個(gè)配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)、控制線的存儲(chǔ)器，允許兩個(gè)獨(dú)立的MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取共享。當(dāng)發(fā)生兩個(gè)MCU同時(shí)訪問(wèn)同一地址的存儲(chǔ)單元時(shí)，通過(guò)內(nèi)部仲裁邏輯控制電路提供訪問(wèn)允許和延緩保持的訪問(wèn)控制機(jī)制。以速度等級(jí)是55ns級(jí)的雙口RAM為例，由于雙MCU之間的數(shù)據(jù)共享讀寫(xiě)控制突，這樣的多MCU系統(tǒng)必定存在110ns的數(shù)據(jù)交換延時(shí)周期，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有易失性，系統(tǒng)一旦掉電重要數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。另外，每個(gè)MCU需要至少16條I/O口線作為地址、數(shù)據(jù)、控制線，MCU之間的接線比較復(fù)雜。這對(duì)于運(yùn)算速度高、數(shù)據(jù)量大、MCU外圍模塊多的多功能電能表來(lái)講效果并不理想。與之相比，串行通信數(shù)據(jù)共享方案效率更低，難以滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。隨著符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)的出現(xiàn)，為用戶所熟悉的I2C總線技術(shù)將為我們解決多MCU系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的問(wèn)題，提供了一種接線簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)訪問(wèn)高速、無(wú)讀寫(xiě)時(shí)延和數(shù)據(jù)保護(hù)可靠性高的解決方案。本文采用Ramtron公司的FM31256芯片設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于多功能電能表的基于I2C總線的新型多MCU系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高，數(shù)據(jù)保護(hù)可靠，接線簡(jiǎn)單器件集成度高，裝置體積小。

1. 符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)工作原理和特性

1．1、 I2C總線標(biāo)準(zhǔn)
I2C 總線是PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單、雙向、二線制、同步串行總線，只需要兩條信號(hào)線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息，具備多MCU系統(tǒng)所需要的裁決和高低速設(shè)備同步等功能，應(yīng)用極為廣泛。
I2C 總線的信號(hào)線為數(shù)據(jù)線SDA ( Serial Data) 和時(shí)鐘線SCL (Serial Clock) ,都是雙向傳輸?shù)?。?shù)據(jù)線SDA用于在器件之間串行的傳輸數(shù)據(jù)位、地址碼、應(yīng)答、非應(yīng)答信號(hào)，時(shí)鐘線SCL上傳輸由主控器件發(fā)出時(shí)鐘同步信號(hào)。根據(jù)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)還是從總線接收數(shù)據(jù)將總線上器件的工作模式分為發(fā)送和接收。通常，在I2C總線上有一個(gè)控制總線的器件，稱為主器件(Master)，負(fù)責(zé)為所有的通信操作產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，而受控制的器件稱為從器件( Slave),可以是任何符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的器件，但是主器件只能由帶CPU的器件擔(dān)任。每一個(gè)主器件都可以工作于主發(fā)送模式或者主接收模式，每一個(gè)從器件都可以工作于從接收模式或者從發(fā)送模式，并且可以有多個(gè)主器件共存于一條I2C總線上，比如本文所設(shè)計(jì)的多MCU系統(tǒng)中MCU1和MCU2在I2C 總線上都作為主器件。
通常，掛在總線上的從器件都有唯一的地址標(biāo)號(hào)，稱為從地址（Slave ID），主器件通過(guò)向總線發(fā)送從地址來(lái)呼叫某個(gè)要與之交換數(shù)據(jù)的器件，這種呼叫和數(shù)據(jù)交換以I2C 總線通信協(xié)議為規(guī)范進(jìn)行，這種協(xié)議由SDA、SCL信號(hào)線上的啟動(dòng)（Start）、數(shù)據(jù)位傳輸（Data Bit）、應(yīng)答（Acknowledge）和停止（Stop）四種狀態(tài)的變換控制，圖3a說(shuō)明了這四種狀態(tài)的信號(hào)組成。其中啟動(dòng)和停止由主器件發(fā)送，數(shù)據(jù)位和應(yīng)答位可以由主器件發(fā)送，也可以由從器件發(fā)送。當(dāng)主器件發(fā)送數(shù)據(jù)位時(shí)，它工作于主發(fā)送模式，此時(shí)從器件工作于從接收模式并對(duì)每個(gè)收到的字節(jié)數(shù)據(jù)以一個(gè)應(yīng)答位作為收到確認(rèn)信號(hào)。與此相反，從器件向總線發(fā)送數(shù)據(jù)位，主器件負(fù)責(zé)對(duì)每一個(gè)收到的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答或者非應(yīng)答（根據(jù)需要用于結(jié)束通信）。通常，通信由主器件發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)狀態(tài)開(kāi)始，然后發(fā)送一個(gè)帶有讀、寫(xiě)識(shí)別的從地址，這個(gè)從地址的高7位標(biāo)識(shí)器件的ID號(hào)，最低位標(biāo)識(shí)讀寫(xiě)或數(shù)據(jù)傳輸方向，0為寫(xiě)1為讀。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)由主器件向從器件傳送數(shù)據(jù)，讀數(shù)時(shí)由從器件向主器件傳送數(shù)據(jù)?？偩€上所有器件都有內(nèi)部邏輯，當(dāng)檢測(cè)到啟動(dòng)狀態(tài)后則進(jìn)入電平比較狀態(tài)，如果從地址與其ID標(biāo)號(hào)相符則被選中并自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答位，從而建立通信連接，否則不予應(yīng)答。一旦建立通信連接，可根據(jù)需要由通信軟件控制主、從器件之間傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)的長(zhǎng)短。最后，通信結(jié)束時(shí)由主器件產(chǎn)生一個(gè)停止?fàn)顟B(tài)（Stop）以結(jié)束這次通信。圖3b說(shuō)明了I2C 總線的通信時(shí)序。