專利名稱：可再生能源數據監測數據采集器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種數據采集器，尤其涉及一種可再生能源數據監測數據采集器。
背景技術：
為貫徹落實《中華人民共和國可再生能源法》和《國務院關于加強節能工作的規定》，推進可再生能源在建筑領域的規模化應用，住房和城鄉建設部聯合財政部在全國范圍內開展可再生能源建筑應用示范，包括太陽能、淺層地能在建筑領域的應用。截止到2010年4月，共組織實施了 371個可再生能源建筑應用示范項目，111個太陽能光電建筑應用示范項目和21個可再生能源建筑應用示范城市和示范縣。建設部要求所有項目的可再生運行數據需實時上傳至建設部數據中心，并對采集內容和上傳格式進行了定義。為了滿足建設部數據上傳的需求，我單位針對該領域開發了專門用于可再生能源數據監測的數據采集器。由于建設部提出的采集內容涉及多類儀表，主要有電表、熱量表、溫度計、流量計、太陽能輻照儀等。這些不同檢測設備檢測原理不同、測試數據格式不一致、向上傳送及處理的方式不一樣，需要用同一個數據采集器實現對這些不同檢測設備的不同數據進行采集及分析，目前市場上廣泛應用的數據采集設備多為RS485總線采集儀表數據，通過RS232接口上傳至本地PC機，由PC機承擔數據處理和數據上傳的任務的方式；另有部分產品采用了工業型類產品進行改造，雖然實現了數據采集、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，其穩定性不適合長期不間斷運行；還有一部分產品在電磁兼容性方面大多沒有進行系統的考慮，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建設部特別制定的《可再生能源建筑應用示范項目數據監測系統技術導則》(以下簡稱導貝U)中對電磁兼容性方面的要求。基于本情況，本數據采集器依據導則要求，實現了對這些不同儀表的數據進行統一采集、處理與上傳的功能，并充分考慮了該數據采集器需要在強電環境下長期運轉的現實需求，在產品穩定性、抗干擾性及可靠性等方面進行了系統的設計。該產品可對各類RS485儀表(水表、電表、熱量表、溫度計、流量計、太陽能輻照儀)的實時數據進行采集、處理和上傳，并可按不同能耗數據分別上傳到部級、省級、市級數據服務器上，可同時供不同地域的技術人員查看，滿足技術人員對數據的不同要求。電磁兼容性方面，對該數據采集器進行了系統設計，抗電磁干擾設計，使該采集器電磁兼容性滿足了導則的要求。
發明內容本實用新型所要解決的問題是要實現對不同的檢測設備(水表、電表、熱量表、溫度計、流量計、太陽能輻照儀)的不同數據進行采集、處理和上傳，通過網絡的方式將采集到的不同能耗數據分別上傳到部級、省級、市級數據服務器上，可同時供不同地域的技術人員查看，滿足技術人員對數據的不同要求，實現數據的共享。[0005]本實用新型所采用的技術措施是一種可再生能源數據監測數據采集器，它包括ARM微處理器系統電路和與之連接的以太網接口電路、RS485總線接口電路、系統存儲器電路、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微處理器系統電路的I2C 口通過I2C總線電路連接有片外時鐘和電源監控電路。所述ARM微處理器系統電路核心處理芯片是LPC2220微處理器。電源監控電路芯片是CAT1025。片外時鐘是11.0529 MHz晶振。由于該能耗數據采集器采用嵌入式操作系統，需進行基于TCP/IP的網絡通信，網絡傳輸的數據還需進行AES加密、XML格式編碼，整個 數據處理過程復雜，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速度的需求，現有芯片當中以DSP和ARM最為合適。DSP主要用于數字信號處理，而ARM內部集成更多的控制器，因此在控制領域應用更為廣泛，比如數控系統、數碼產品、樓宇系統等。并且，基于以ARM為核心的嵌入式操作系統具有更出眾的速度、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致其噪聲容限低，對電源的文波、瞬態響應性能，時鐘源的穩定性和電源監控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求，因此，本控制系統還采用了電源監控芯片CAT1025 (復位門檻電壓為3. O 3. 15V)，提高了系統的可靠性，且該芯片兼有2K位的ΕΕΡ0Μ，因EEPOM可直接進行單字節或多字節的寫入，而非FLASH存儲器那樣，寫入前需先進行擦除操作，利用EEPOM來存儲系統中使用到的參數，速度更快，效率更高；對系統時鐘的選擇，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，由于本控制系統需進行RS485通訊，且通訊的計量表標準不統一，因此采用了能使串口波特率更精確的11. 0529 MHz晶振，提高數據采集器RS 485通訊的兼容性。因數據采集器需要采集不同類型計量表的數據，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，這就要求數據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，這也要求數據采集器具有可升級性，這都要求數據采集器的程序存儲器不能太小，要有足夠的預留空間。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，它內部不帶FLASH存儲器，因此在同類產品中它價格更便宜，同時LPC2220微處理器通過地址總線和數據總線與一片2Mb容量的FALSH存儲器連接，滿足后續擴展及升級要求。LPC2220具有外部總線，因此外部擴展的RAM、FLASH以及網絡接口芯片均連接到16位外部數據總線和地址總線上，數據總線和地址總線再直接連接到微處理器LPC2220對應的端口。對其地址的識別采用譯碼器譯碼的方式，而網絡數據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絡接口對網絡芯片及控制芯片的干擾，保證網絡數據的可靠傳輸。所述以太網接口電路網絡接口芯片是RTL8019AS。該能耗數據采集器要求采用基于TCP/IP協議的網絡對RS485總線采集來的電表、水表等能耗表的數據傳輸到數據中心，通過查閱大量的資料，通過對國內外網絡通信電路的分析、對比，采用了目前電腦網卡上廣泛使用的網絡通信電路，以REALTEK公司的RTL80系列芯片網速最大為IOM的RTL8019AS為網絡接口芯片。[0011]所述RS485總線接口電路收發器芯片是SP485R。RS485總線用于采集各種能耗表(水表、電表、煤氣表)的能耗數據，經過處理后再通過網絡傳輸到數據中心，由于能耗數據采集器要求其RS485總線具有帶64個能耗表的能力，基于此，選用了由業內專業的通訊接口器件廠商Sipex公司設計生產的高性能SP485R芯片收發器，該芯片能夠替換通用的RS-485收發器，SP485R與現有的SP485產品管腳對應相同，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個收發器接到同一條傳輸線上又不會引起RS-485發送器信號的衰減。SP481R通過使能管腳來提供關斷功能，可將電源電流(ICC)降低到O. 5μΑ以下。對于RS485總線傳輸的抗干擾性，在ARM微處理器與RS485總線接口電路收發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總線接口電路收發器芯片與RS485總線接線端子之間使用瞬態抑制二極管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總線數據傳輸的可靠性。所述系統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。由于該能耗數據采集器采用了網絡上的TCP/IP協議、XML的數據傳輸方式，最多需處理64個計量表的能量數據，數據的流量大、變量多，LPC2000系列微處理器內的RAM、程序存儲器已滿足不了系統的要求，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的連接同網絡接口芯片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越性是數據傳輸速度快，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，而網絡接口芯片片選和復位信號也需單獨控制，因此為節省資源，使用了一個可編輯邏輯器件ATF16LV8C-15XI，便可同時控制FLASH芯片和網絡接口芯片的各個信號。本實用新型的技術效果是通過外部擴展RAM，數據采集器有足夠的內存空間，讓系統運行的更快、更穩定；外部擴展程序存儲器，使得數據采集器有足夠的程序空間進行新增功能模塊，進行系統更新；通過對晶振的選擇，RS485總線抗干擾的設計，增強了 RS485總線的數據傳輸的穩定性和可靠性，實現了數據采集器對不同類型、不同通訊速率的計量表數據的高速采集。總之，通過以上的電路設計，實現了數據采集器對不同計量表數據的高速穩定采集、處理、傳送。
圖I是本實用新型硬件電路結構框圖；圖2 FLASH擴展及系統譯碼電路；圖3是網絡模塊電路；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
數據采集器通過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，當計時達到采集周期后，微處理器將采集信號發送給RS485芯片，RS485芯片再將信號發送到RS485總線上，RS485總線上的計量表接收到采集信號后，對應采集地址的計量表響應采集信號，將數據發送到RS485總線上，RS485芯片接收到數據后，再發送給微處理器，形成一次計量表的數據采集。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總線數據傳輸的可靠性。為了直觀的顯示采集過程，電路中在微處理器發送、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，采集器發送采集指令，外殼上的發送指示燈根據采集指令而閃爍，若計量表有應答，則接收指示燈閃爍。在使用過程中可直接看外殼上發送、接收等是否閃爍來查看采集是否正常。數據采集器采集對RS485總線上儀表的數據采集完畢后，進行數據處理，得到各個計量表的真實能耗數據，然后將這些數據存儲在外擴的256M的FLASH存儲器芯片K9F2G08U0B內。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的外部擴展數據總線DO D7，通過數據總線發送地址、命令和數據；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別對K9F2G08U0B的命令、地址和數據操作，電路如圖2所示。數據存儲完畢后，數據采集器將采集到的數據通過網絡芯片RTL8019AS上傳到數據中心。網絡接口電路見圖3，同FLASH存儲器一樣，網絡芯片RTL8019AS的數據線SDO SD15直接連接到到微處理器LPC2220的外部擴展數據總線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換芯片。由于RTL8019AS的復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，而在程序當中，對于網絡數據的接收可使用中斷來接收，也可以使用查詢方式。中斷方式響應速度快，但要求處理速度也要快，否則就會出現中斷嵌套，而且，若是在一個網絡中有計算機中病毒或木馬，對整個局域網發動DDoS攻擊，使用中斷接收就會出現響應不及時或者內存溢出等錯誤，導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據都能夠進行處理，從速度上來說，不及中斷，但勝在穩定。為了直觀的顯示網絡連接是否正常，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，對數據采集器可連接對3個服務器進行狀態顯示，若連接上，對應的指示燈常亮，否則熄滅，如此只要查看外殼上的指示燈即可知道數據采集器工作是否正常，網絡是否正常，服務器指示燈連接示意圖見圖7。
權利要求1.ー種可再生能源數據監測數據采集器，它包括ARM微處理器系統電路和與之連接的以太網接ロ電路、RS485總線接ロ電路、系統存儲器電路、FLASH存儲器電路和I2C總線電路。
2.根據權利要求I所述的可再生能源數據監測數據采集器，其特征是在ARM微處理器系統電路的I2C ロ通過I2C總線電路連接有片外時鐘和電源監控電路。
3.根據權利要求2所述的可再生能源數據監測數據采集器，其特征是電源監控電路采用CAT1025芯片；片外時鐘是11. 0529 MHz晶振。
4.根據權利要求I所述的可再生能源數據監測數據采集器，其特征是所述ARM微處理器系統電路核心處理芯片是LPC2220微處理器。
5.根據權利要求4所述的可再生能源數據監測數據采集器，其特征是LPC2220微處理器通過地址總線和數據總線與一片2MB容量的FALSH存儲器連接；網絡數據的輸出選用ー個帶隔離變壓功能的RJ45接ロ HR901170A，所述以太網接ロ電路網絡接ロ芯片為RTL8019AS。
6.根據權利要求I所述的可再生能源數據監測數據采集器，其特征是所述RS485總線接ロ電路收發器芯片為SP485R。
7.根據權利要求6所述的可再生能源數據監測數據采集器，其特征是在ARM微處理器與RS485總線接ロ電路收發器芯片之間使用光耦TLP521進行信號隔離，在RS485總線接ロ電路收發器芯片與RS485總線接線端子之間使用瞬態抑制ニ極管P6KE6. 8CA進行信號隔離，還在RS485總線接ロ電路收發器芯片與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.根據權利要求I所述的可再生能源數據監測數據采集器，其特征是所述系統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.根據權利要求I所述的可再生能源數據監測數據采集器，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據監測數據采集器，它包括ARM微處理器系統電路和與之連接的以太網接口電路、RS485總線接口電路、系統存儲器電路、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據監測的數據采集器。
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 優先權日2011年12月13日
發明者李迪, 李震, 林茂多, 王薇薇, 蔣義新, 韓隨旗 申請人:山東省建筑科學研究院