基于新型多MCU系統(tǒng)的多功能電能表的設計

當I2C 總線是多主器件總線時,由于SDA和SCL信號線接上拉電阻，并且各個器件的輸出都為開漏或開集的形式，因而構成“線與”的功能，就是說只要有一個器件擔當了主器件的角色，總線就處于忙的狀態(tài)，這形成了良好有序的競爭檢測機制，因而不會產生數據共享傳輸沖突。
1．2、鐵電存儲器結構原理、特性及應用
FM31256芯片是美國Ramtron公司的最新產品，集成了256Kb容量的鐵電存儲器(FRAM)、實時時鐘（RTC）、外部事件計數器、看門狗及掉電監(jiān)測復位等功能，其結構原理如圖4示。 其中，鐵電存儲器(FRAM)同時具備隨機存取記憶體（RAM）和非易失性存儲器（ROM）的特點，既可無限次讀寫存取數據，又能在斷電情況下保存數據，并且沒有讀寫延時可以總線速度存取數據，具有即時讀寫的優(yōu)點。與此相比，E2PROM在寫入數據后一般要5～10ms的等待數據寫入時間，而且寫入壽命有限，通常讀寫一百萬次以后數據寫入失效，因而并不適合做數據共享存儲器。

在這個集成了多個邏輯器件的芯片中，鐵電存儲器單元（FRAM）和實時時鐘單元（RTC）均符合I2C 總線標準，最大可達到1MHz的總線頻率。由于集成在同一個芯片上，FRAM和RTC共用同一個I2C 總線接口，但是地址標號（Slave ID）各自獨立，分別為1010XA1A0D和1101X A1A0D，其中D 是數據傳輸方向位用于標志讀、寫操作，A1A0用來選擇I2C 總線上的多個同類器件，最多可以從4個FRAM或RTC器件中進行選擇，各個器件的A1A0值由芯片的外部引腳電平決定。編寫通信軟件時，在I2C 總線上首先給一個啟動（Start）信號，然后發(fā)送Slave ID（1010XA1A0D），再判斷Acknowledge信號，如果有，則主控器件發(fā)送兩個字節(jié)的存儲器地址（MSB和LSB）對FRAM的32KByte存儲空間進行尋址，之后進行數據傳輸，每個數據字節(jié)跟隨一個Acknowledge（或者Non-Acknowledge）信號，通信完畢以Stop信號結束操作。其中，MSB和LSB尋址字節(jié)可以用于單字節(jié)、多字節(jié)兩種形式的存取操作，當多字節(jié)操作時MSB指示存儲頁面不變，LSB保存在內部緩存器中，每存取一個字節(jié)單元的數據LSB自動增加1以指向下一個存儲單元，當達到存儲范圍末端時存儲器地址自動回歸0000H。這在多MCU系統(tǒng)中對特定參數的數據共享操作十分方便。
由于FRAM的上述優(yōu)點，特別適合于那些對數據采集、讀寫時間要求很高的場合，而且由于不會出現數據丟失，其可靠的存儲能力足以讓我們放心的把一些重要數據存儲其中。其近乎無限次寫入的使用壽命，使它很適合擔當數據共享存儲體，用來在多功能電能表的MCU之間共享數據，供各個子系統(tǒng)頻繁讀寫。
2. 基于I2C總線的多MCU系統(tǒng)結構及工作原理
I2C 總線接口電路簡單，使用靈活，加上鐵電存儲器的讀寫速度高、數據保護可靠、讀寫壽命無限等優(yōu)點，自然為我們提供了一種十分理想的基于I2C 總線的新型多MCU系統(tǒng)構建方案，以FM31256芯片為例設計的系統(tǒng)結構框圖如圖5所示。

每個MCU只需兩條I/O口線如P2.2、P2.3分別與SDA、SCL總線相連即可，MCU1和MCU2分別用做控制和計算的微控制器，通常用數字信號處理器（DSP）執(zhí)行復雜算法的計算，圖5中MCU2的P2.2、P2.3線僅代表普通I/O口。另外，為了更好的協(xié)調對I2C總線資源的使用，我們設計了兩條I/O口線P2.0、P2.1用來在兩個MCU之間傳遞I2C 總線的使用信息，以達到提高多個MCU之間數據共享效率的目的。MCU1作為I2C 總線的主器件時，P2.0輸出高電平以通知MCU2此時I2C 總線正被占用，使用完畢將P2.0電平置低，此時MCU2的P2.1檢測到電平跳變則判斷出I2C 總線處于空閑可用狀態(tài)。同樣，MCU2作為I2C總線的主器件時，也從P2.0輸出高電平來通知MCU1此時I2C 總線正被占用，使用完畢將其置低，由MCU1的P2.1引腳根據電平跳變決定何時可以使用I2C 總線。這樣，無論何時鐵電存儲器都可以處于被訪問狀態(tài)，充分發(fā)揮了無讀寫延時的優(yōu)點，很大程度上提高了數據采集單元和FFT運算單元之間數據交換的實時性。
這種新型多MCU系統(tǒng)構建方案與雙口RAM的多MCU系統(tǒng)相比，既沒有數據共享沖突，也沒有讀寫延時的缺點，而且接線簡單，數據保護可靠，讀寫效率高，器件數量少，從多方面提高了可靠性，尤其適用于對數據處理實時性和可靠性要求高的電能計量和質量監(jiān)測裝置。
3. 基于新型多MCU系統(tǒng)的多功能電能表的硬件結構設計
為了合理的對諧波污染源進行考核和治理，有必要對基波電能和各次諧波電能及其傳遞方向進行計量，那么具備電能計量和質量監(jiān)測的多功能電能表必須能夠在進行高速、實時數據采集同時執(zhí)行快速傅立葉變換，從而達到諧波分析的目的。要實現這些功能，通常采用多MCU系統(tǒng)，把控制和數據處理的功能進行分離，以充分發(fā)揮各個微處理器MCU的功能。在此，考慮到數據采集的實時性要求和運算量大的需要，由MCU1負責對數據采集、濾波、A/D轉換、LCD顯示等單元進行控制，以及遠程抄表通信，采用