專利名稱：可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種數(shù)據(jù)采集器，尤其涉及一種可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器。
背景技術(shù)：
為貫徹落實《中華人民共和國可再生能源法》和《國務(wù)院關(guān)于加強節(jié)能工作的規(guī)定》，推進可再生能源在建筑領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合財政部在全國范圍內(nèi)開展可再生能源建筑應(yīng)用示范，包括太陽能、淺層地能在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。截止到2010年4月，共組織實施了 371個可再生能源建筑應(yīng)用示范項目，111個太陽能光電建筑應(yīng)用示范項目和21個可再生能源建筑應(yīng)用示范城市和示范縣。建設(shè)部要求所有項目的可再生運行數(shù)據(jù)需實時上傳至建設(shè)部數(shù)據(jù)中心，并對采集內(nèi)容和上傳格式進行了定義。為了滿足建設(shè)部數(shù)據(jù)上傳的需求，我單位針對該領(lǐng)域開發(fā)了專門用于可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集器。由于建設(shè)部提出的采集內(nèi)容涉及多類儀表，主要有電表、熱量表、溫度計、流量計、太陽能輻照儀等。這些不同檢測設(shè)備檢測原理不同、測試數(shù)據(jù)格式不一致、向上傳送及處理的方式不一樣，需要用同一個數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)對這些不同檢測設(shè)備的不同數(shù)據(jù)進行采集及分析，目前市場上廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備多為RS485總線采集儀表數(shù)據(jù)，通過RS232接口上傳至本地PC機，由PC機承擔(dān)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)上傳的任務(wù)的方式；另有部分產(chǎn)品采用了工業(yè)型類產(chǎn)品進行改造，雖然實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和上傳功能，但由于其是采用各個不同的電路模塊拼湊而成，其穩(wěn)定性不適合長期不間斷運行；還有一部分產(chǎn)品在電磁兼容性方面大多沒有進行系統(tǒng)的考慮，具有抗干擾能力不強，可靠性低的缺點，滿足不了住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部特別制定的《可再生能源建筑應(yīng)用示范項目數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》(以下簡稱導(dǎo)貝U)中對電磁兼容性方面的要求。基于本情況，本數(shù)據(jù)采集器依據(jù)導(dǎo)則要求，實現(xiàn)了對這些不同儀表的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采集、處理與上傳的功能，并充分考慮了該數(shù)據(jù)采集器需要在強電環(huán)境下長期運轉(zhuǎn)的現(xiàn)實需求，在產(chǎn)品穩(wěn)定性、抗干擾性及可靠性等方面進行了系統(tǒng)的設(shè)計。該產(chǎn)品可對各類RS485儀表(水表、電表、熱量表、溫度計、流量計、太陽能輻照儀)的實時數(shù)據(jù)進行采集、處理和上傳，并可按不同能耗數(shù)據(jù)分別上傳到部級、省級、市級數(shù)據(jù)服務(wù)器上，可同時供不同地域的技術(shù)人員查看，滿足技術(shù)人員對數(shù)據(jù)的不同要求。電磁兼容性方面，對該數(shù)據(jù)采集器進行了系統(tǒng)設(shè)計，抗電磁干擾設(shè)計，使該采集器電磁兼容性滿足了導(dǎo)則的要求。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的問題是要實現(xiàn)對不同的檢測設(shè)備(水表、電表、熱量表、溫度計、流量計、太陽能輻照儀)的不同數(shù)據(jù)進行采集、處理和上傳，通過網(wǎng)絡(luò)的方式將采集到的不同能耗數(shù)據(jù)分別上傳到部級、省級、市級數(shù)據(jù)服務(wù)器上，可同時供不同地域的技術(shù)人員查看，滿足技術(shù)人員對數(shù)據(jù)的不同要求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。[0005]本實用新型所采用的技術(shù)措施是一種可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，它包括ARM微處理器系統(tǒng)電路和與之連接的以太網(wǎng)接口電路、RS485總線接口電路、系統(tǒng)存儲器電路、FLASH存儲器電路和I2C總線電路。本實用新型的具體特點還有，在ARM微處理器系統(tǒng)電路的I2C 口通過I2C總線電路連接有片外時鐘和電源監(jiān)控電路。所述ARM微處理器系統(tǒng)電路核心處理芯片是LPC2220微處理器。電源監(jiān)控電路芯片是CAT1025。片外時鐘是11.0529 MHz晶振。由于該能耗數(shù)據(jù)采集器采用嵌入式操作系統(tǒng)，需進行基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)還需進行AES加密、XML格式編碼，整個 數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜，因此，在對核心控制芯片的選擇上，8位的單片機已滿足不了控制系統(tǒng)速度的需求，現(xiàn)有芯片當(dāng)中以DSP和ARM最為合適。DSP主要用于數(shù)字信號處理，而ARM內(nèi)部集成更多的控制器，因此在控制領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛，比如數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)碼產(chǎn)品、樓宇系統(tǒng)等。并且，基于以ARM為核心的嵌入式操作系統(tǒng)具有更出眾的速度、更高的可靠性、更簡易的移植性，更高的性價比，基于此，本系統(tǒng)控制芯片選用了 ARM微處理器。由于LPC2220微處理器的高速、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的文波、瞬態(tài)響應(yīng)性能，時鐘源的穩(wěn)定性和電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求，因此，本控制系統(tǒng)還采用了電源監(jiān)控芯片CAT1025 (復(fù)位門檻電壓為3. O 3. 15V)，提高了系統(tǒng)的可靠性，且該芯片兼有2K位的ΕΕΡ0Μ，因EEPOM可直接進行單字節(jié)或多字節(jié)的寫入，而非FLASH存儲器那樣，寫入前需先進行擦除操作，利用EEPOM來存儲系統(tǒng)中使用到的參數(shù)，速度更快，效率更高；對系統(tǒng)時鐘的選擇，LPC2220可選擇外部晶振或外部時鐘源，外部晶振頻率范圍為I 30MHz，外部時鐘頻率為I 50MHz，由于本控制系統(tǒng)需進行RS485通訊，且通訊的計量表標準不統(tǒng)一，因此采用了能使串口波特率更精確的11. 0529 MHz晶振，提高數(shù)據(jù)采集器RS 485通訊的兼容性。因數(shù)據(jù)采集器需要采集不同類型計量表的數(shù)據(jù)，這些計量表的RS485通訊有的是遵循國家標準的，有的則是廠家自己制定的，這就要求數(shù)據(jù)采集器具有可擴展功能；并且不同用戶也會提出不同的功能要求，這也要求數(shù)據(jù)采集器具有可升級性，這都要求數(shù)據(jù)采集器的程序存儲器不能太小，要有足夠的預(yù)留空間。基于上述要求和成本，我們選用了 PHLISH公司32位的ARM7中LPC2000系列的LPC2220微處理器，它內(nèi)部不帶FLASH存儲器，因此在同類產(chǎn)品中它價格更便宜，同時LPC2220微處理器通過地址總線和數(shù)據(jù)總線與一片2Mb容量的FALSH存儲器連接，滿足后續(xù)擴展及升級要求。LPC2220具有外部總線，因此外部擴展的RAM、FLASH以及網(wǎng)絡(luò)接口芯片均連接到16位外部數(shù)據(jù)總線和地址總線上，數(shù)據(jù)總線和地址總線再直接連接到微處理器LPC2220對應(yīng)的端口。對其地址的識別采用譯碼器譯碼的方式，而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸出選用一個帶隔離變壓功能的RJ45接口 HR901170A，可防止各種干擾信號通過網(wǎng)絡(luò)接口對網(wǎng)絡(luò)芯片及控制芯片的干擾，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。所述以太網(wǎng)接口電路網(wǎng)絡(luò)接口芯片是RTL8019AS。該能耗數(shù)據(jù)采集器要求采用基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)對RS485總線采集來的電表、水表等能耗表的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，通過查閱大量的資料，通過對國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)通信電路的分析、對比，采用了目前電腦網(wǎng)卡上廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)通信電路，以REALTEK公司的RTL80系列芯片網(wǎng)速最大為IOM的RTL8019AS為網(wǎng)絡(luò)接口芯片。[0011]所述RS485總線接口電路收發(fā)器芯片是SP485R。RS485總線用于采集各種能耗表(水表、電表、煤氣表)的能耗數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，由于能耗數(shù)據(jù)采集器要求其RS485總線具有帶64個能耗表的能力，基于此，選用了由業(yè)內(nèi)專業(yè)的通訊接口器件廠商Sipex公司設(shè)計生產(chǎn)的高性能SP485R芯片收發(fā)器，該芯片能夠替換通用的RS-485收發(fā)器，SP485R與現(xiàn)有的SP485產(chǎn)品管腳對應(yīng)相同，但包含了更高的ESD保護和高接收器輸入阻抗等性能。接收器輸入高阻抗可以使400個收發(fā)器接到同一條傳輸線上又不會引起RS-485發(fā)送器信號的衰減。SP481R通過使能管腳來提供關(guān)斷功能，可將電源電流(ICC)降低到O. 5μΑ以下。對于RS485總線傳輸?shù)目垢蓴_性，在ARM微處理器與RS485總線接口電路收發(fā)器芯片之間使用光耦TLP521 (見圖7中編號叭、02、03、04、05、06)進行信號隔離，在1 485總線接口電路收發(fā)器芯片與RS485總線接線端子之間使用瞬態(tài)抑制二極管Ρ6ΚΕ6. 8CA (見圖7中編號V1、V2、V3、R13、R14、R15)進行信號隔離，除了采用上述常用的方法外，還在RS485總線接口電路收發(fā)器芯片與RS485總線接線端子之間增加了電感(見圖7中編號L2、L3、 L5、L6)，電容(見圖7中編號C55、C56、C23、C24)，可慮掉高頻和低頻的干擾。采取這些措施，可最大程度的避免共模、差模干擾及電壓尖峰信號通過RS485端口對微處理器的干擾，保證了 RS485總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。所述系統(tǒng)存儲器電路包括直接連接到LPC2220的外部總線上的片外程序存儲器和片外RAM。由于該能耗數(shù)據(jù)采集器采用了網(wǎng)絡(luò)上的TCP/IP協(xié)議、XML的數(shù)據(jù)傳輸方式，最多需處理64個計量表的能量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的流量大、變量多，LPC2000系列微處理器內(nèi)的RAM、程序存儲器已滿足不了系統(tǒng)的要求，因此，分別外擴了一片2MB的片外程序存儲器、8MB的片外RAM ;片外RAM和FLASH與LPC2220的連接同網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8109AS相同，直接連接到LPC2220的外部總線上，采用這種傳輸方式的優(yōu)越性是數(shù)據(jù)傳輸速度快，可靠性高。所述FLASH存儲器電路存儲芯片是256MB的外部NAND FLASH芯片K9F2G08U0B。由于對NAND FLASH存儲芯片的操作有特定的時序要求，片選信號，讀使能信號和寫使能信號均需要單獨控制，若直接使用處理器I/O 口，則需3個，而網(wǎng)絡(luò)接口芯片片選和復(fù)位信號也需單獨控制，因此為節(jié)省資源，使用了一個可編輯邏輯器件ATF16LV8C-15XI，便可同時控制FLASH芯片和網(wǎng)絡(luò)接口芯片的各個信號。本實用新型的技術(shù)效果是通過外部擴展RAM，數(shù)據(jù)采集器有足夠的內(nèi)存空間，讓系統(tǒng)運行的更快、更穩(wěn)定；外部擴展程序存儲器，使得數(shù)據(jù)采集器有足夠的程序空間進行新增功能模塊，進行系統(tǒng)更新；通過對晶振的選擇，RS485總線抗干擾的設(shè)計，增強了 RS485總線的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集器對不同類型、不同通訊速率的計量表數(shù)據(jù)的高速采集?？傊ㄟ^以上的電路設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集器對不同計量表數(shù)據(jù)的高速穩(wěn)定采集、處理、傳送。

圖I是本實用新型硬件電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2 FLASH擴展及系統(tǒng)譯碼電路；圖3是網(wǎng)絡(luò)模塊電路；圖4是微處理器電路；圖5是電源模塊電路；圖6是外部RAM電路和外部FLASH圖；圖7是RS485通訊模塊電路。
具體實施方式
數(shù)據(jù)采集器通過PHLISH公司32位的ARM7中LPC2000系列的LPC2220微處理器中的計時器進行計時，當(dāng)計時達到采集周期后，微處理器將采集信號發(fā)送給RS485芯片，RS485芯片再將信號發(fā)送到RS485總線上，RS485總線上的計量表接收到采集信號后，對應(yīng)采集地址的計量表響應(yīng)采集信號，將數(shù)據(jù)發(fā)送到RS485總線上，RS485芯片接收到數(shù)據(jù)后，再發(fā)送給微處理器，形成一次計量表的數(shù)據(jù)采集。RS485總線通信電路見圖7，其中XI、X5為RS485接線端子，通過接線端子連接到各個計量表。微處理器功能引腳RXDO、TXDO分別與RS485芯片對應(yīng)的R、D腳相連，為了提高抗干擾性，RXDO與R、TXDO與D之間通過光耦Ql、Q2進行隔離，發(fā)送、接收使能選用微處理器一個I/O 口 PO. 11，同樣使用光耦Q3進行隔離。RS485總線端口采用了瞬態(tài)抑制二極管R13、R14，電感L5、L6來進行保護，避免共模、差模干擾及電壓尖峰信號通過RS485端口 對微控制器的干擾，保證了 RS485總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴榱酥庇^的顯示采集過程，電路中在微處理器發(fā)送、接收端口增加了兩個LED指示燈LED5、LED6，并將指示燈引出到外殼，未采集時，兩個指示燈熄滅，采集器發(fā)送采集指令，外殼上的發(fā)送指示燈根據(jù)采集指令而閃爍，若計量表有應(yīng)答，則接收指示燈閃爍。在使用過程中可直接看外殼上發(fā)送、接收等是否閃爍來查看采集是否正常。數(shù)據(jù)采集器采集對RS485總線上儀表的數(shù)據(jù)采集完畢后，進行數(shù)據(jù)處理，得到各個計量表的真實能耗數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)存儲在外擴的256M的FLASH存儲器芯片K9F2G08U0B內(nèi)。由于對K9F2G08U0B芯片操作有特定的時序要求，所以，使用了一個可編輯邏輯器件ATF16LV8C產(chǎn)生片選信號、讀使能信號和寫使能信號；K9F2G08U0B的1/00 1/07引腳連接到LPC2220的外部擴展數(shù)據(jù)總線DO D7，通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送地址、命令和數(shù)據(jù)；K9F2G08U0B的CLE和ALE引腳分別連接到LPC2220的A20和A19引腳，這樣就可以通過不同的地址來區(qū)別對K9F2G08U0B的命令、地址和數(shù)據(jù)操作，電路如圖2所示。數(shù)據(jù)存儲完畢后，數(shù)據(jù)采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS上傳到數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)絡(luò)接口電路見圖3，同F(xiàn)LASH存儲器一樣，網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS的數(shù)據(jù)線SDO SD15直接連接到到微處理器LPC2220的外部擴展數(shù)據(jù)總線DO D15，由于RTL8019AS的工作電源是5V而LPC2220的I/O 口電壓為3. 3V，所以需在總線上串接470 Ω的保護電阻。RTL8019AS的工作電壓最小值為2. 0V，所以與LPC2220連接不需要加電平轉(zhuǎn)換芯片。由于RTL8019AS的復(fù)位和中斷需要獨立控制，因此單獨將這兩個功能腳連接到微處理器的I/O 口 PO. 8和PO. 9，而在程序當(dāng)中，對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收可使用中斷來接收，也可以使用查詢方式。中斷方式響應(yīng)速度快，但要求處理速度也要快，否則就會出現(xiàn)中斷嵌套，而且，若是在一個網(wǎng)絡(luò)中有計算機中病毒或木馬，對整個局域網(wǎng)發(fā)動DDoS攻擊，使用中斷接收就會出現(xiàn)響應(yīng)不及時或者內(nèi)存溢出等錯誤，導(dǎo)致采集器無法正常工作。因此，本采集器采用查詢方式接收，確保每一次接收到的數(shù)據(jù)都能夠進行處理，從速度上來說，不及中斷，但勝在穩(wěn)定。為了直觀的顯示網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，微處理器上特別引出3個I/O 口連接3個LED指示燈到外殼，對數(shù)據(jù)采集器可連接對3個服務(wù)器進行狀態(tài)顯示，若連接上，對應(yīng)的指示燈常亮，否則熄滅，如此只要查看外殼上的指示燈即可知道數(shù)據(jù)采集器工作是否正常，網(wǎng)絡(luò)是否正常，服務(wù)器指示燈連接示意圖見圖7。
權(quán)利要求1.ー種可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，它包括ARM微處理器系統(tǒng)電路和與之連接的以太網(wǎng)接ロ電路、RS485總線接ロ電路、系統(tǒng)存儲器電路、FLASH存儲器電路和I2C總線電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，其特征是在ARM微處理器系統(tǒng)電路的I2C ロ通過I2C總線電路連接有片外時鐘和電源監(jiān)控電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，其特征是電源監(jiān)控電路采用CAT1025芯片；片外時鐘是11. 0529 MHz晶振。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，其特征是所述ARM微處理器系統(tǒng)電路核心處理芯片是LPC2220微處理器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，其特征是LPC2220微處理器通過地址總線和數(shù)據(jù)總線與一片2MB容量的FALSH存儲器連接；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸出選用ー個帶隔離變壓功能的RJ45接ロ HR901170A，所述以太網(wǎng)接ロ電路網(wǎng)絡(luò)接ロ芯片為RTL8019AS。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，其特征是所述RS485總線接ロ電路收發(fā)器芯片為SP485R。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，其特征是在ARM微處理器與RS485總線接ロ電路收發(fā)器芯片之間使用光耦TLP521進行信號隔離，在RS485總線接ロ電路收發(fā)器芯片與RS485總線接線端子之間使用瞬態(tài)抑制ニ極管P6KE6. 8CA進行信號隔離，還在RS485總線接ロ電路收發(fā)器芯片與RS485總線接線端子之間增加了電感L2、L3、L5、L6,電容 C55、C56、C23、C24。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，其特征是所述系統(tǒng)存儲器電路包括直接連接到LPC2220的外部總線上的片外程序存儲器和片外RAM。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，其特征是所述FLASH存儲器電路存儲芯片是256MB的外部NAND FLASH存儲芯片K9F2G08U0B。
專利摘要一種可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集器，它包括ARM微處理器系統(tǒng)電路和與之連接的以太網(wǎng)接口電路、RS485總線接口電路、系統(tǒng)存儲器電路、FLASH存儲器電路和I2C總線電路。本實用新型專門用于制造可再生能源數(shù)據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集器。
文檔編號G08C19/00GK202422403SQ201120518578
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者李迪, 李震, 林茂多, 王薇薇, 蔣義新, 韓隨旗 申請人:山東省建筑科學(xué)研究院