CN202422403U

CN202422403U - 可再生能源数据监测数据采集器

Info

Publication number: CN202422403U
Application number: CN 201120518578
Authority: CN
Inventors: 李迪; 蒋义新; 李震; 王薇薇; 林茂多; 韩随旗
Original assignee: Shandong Provincial Academy of Building Research
Current assignee: Shandong construction engineering quality inspection and Testing Center Co.,Ltd.; Shandong Provincial Academy of Building Research
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-12-13

Abstract

一种可再生能源数据监测数据采集器，它包括ARM微处理器***电路和与之连接的以太网接口电路、RS485总线接口电路、***存储器电路、FLASH存储器电路和I²C总线电路。本实用新型专门用于制造可再生能源数据监测的数据采集器。

Description

可再生能源数据监测数据采集器

技术领域

本实用新型涉及一种数据采集器，尤其涉及一种可再生能源数据监测数据采集器。

背景技术

为贯彻落实《中华人民共和国可再生能源法》和《国务院关于加强节能工作的规定》，推进可再生能源在建筑领域的规模化应用，住房和城乡***联合财政部在全国范围内开展可再生能源建筑应用示范，包括太阳能、浅层地能在建筑领域的应用。截止到2010年4月，共组织实施了371 个可再生能源建筑应用示范项目，111 个太阳能光电建筑应用示范项目和21 个可再生能源建筑应用示范城市和示范县。***要求所有项目的可再生运行数据需实时上传至***数据中心，并对采集内容和上传格式进行了定义。为了满足***数据上传的需求，我单位针对该领域开发了专门用于可再生能源数据监测的数据采集器。

由于***提出的采集内容涉及多类仪表，主要有：电表、热量表、温度计、流量计、太阳能辐照仪等。这些不同检测设备检测原理不同、测试数据格式不一致、向上传送及处理的方式不一样，需要用同一个数据采集器实现对这些不同检测设备的不同数据进行采集及分析，目前市场上广泛应用的数据采集设备多为RS485总线采集仪表数据，通过RS232接口上传至本地PC机，由PC机承担数据处理和数据上传的任务的方式；另有部分产品采用了工业型类产品进行改造，虽然实现了数据采集、处理和上传功能，但由于其是采用各个不同的电路模块拼凑而成，其稳定性不适合长期不间断运行；还有一部分产品在电磁兼容性方面大多没有进行***的考虑，具有抗干扰能力不强，可靠性低的缺点，满足不了住房和城乡***特别制定的《可再生能源建筑应用示范项目数据监测***技术导则》（以下简称导则）中对电磁兼容性方面的要求。基于本情况，本数据采集器依据导则要求，实现了对这些不同仪表的数据进行统一采集、处理与上传的功能，并充分考虑了该数据采集器需要在强电环境下长期运转的现实需求，在产品稳定性、抗干扰性及可靠性等方面进行了***的设计。该产品可对各类RS485仪表（水表、电表、热量表、温度计、流量计、太阳能辐照仪）的实时数据进行采集、处理和上传，并可按不同能耗数据分别上传到部级、省级、市级数据服务器上，可同时供不同地域的技术人员查看，满足技术人员对数据的不同要求。电磁兼容性方面，对该数据采集器进行了***设计，抗电磁干扰设计，使该采集器电磁兼容性满足了导则的要求。

发明内容

本实用新型所要解决的问题是要实现对不同的检测设备（水表、电表、热量表、温度计、流量计、太阳能辐照仪）的不同数据进行采集、处理和上传，通过网络的方式将采集到的不同能耗数据分别上传到部级、省级、市级数据服务器上，可同时供不同地域的技术人员查看，满足技术人员对数据的不同要求，实现数据的共享。

本实用新型所采用的技术措施是：一种可再生能源数据监测数据采集器，它包括ARM微处理器***电路和与之连接的以太网接口电路、RS485总线接口电路、***存储器电路、FLASH存储器电路和I²C总线电路。

本实用新型的具体特点还有，在ARM微处理器***电路的I²C口通过I²C总线电路连接有片外时钟和电源监控电路。

所述ARM微处理器***电路核心处理芯片是LPC2220微处理器。电源监控电路芯片是CAT1025。片外时钟是11.0529 MHz晶振。由于该能耗数据采集器采用嵌入式操作***，需进行基于TCP/IP的网络通信，网络传输的数据还需进行AES加密、XML格式编码，整个数据处理过程复杂，因此，在对核心控制芯片的选择上，8位的单片机已满足不了控制***速度的需求，现有芯片当中以DSP和ARM最为合适。DSP主要用于数字信号处理，而ARM内部集成更多的控制器，因此在控制领域应用更为广泛，比如数控***、数码产品、楼宇***等。并且，基于以ARM为核心的嵌入式操作***具有更出众的速度、更高的可靠性、更简易的移植性，更高的性价比，基于此，本***控制芯片选用了ARM微处理器。由于LPC2220微处理器的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的文波、瞬态响应性能，时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求，因此，本控制***还采用了电源监控芯片CAT1025（复位门槛电压为3.0～3.15V），提高了***的可靠性，且该芯片兼有2K位的EEPOM，因EEPOM可直接进行单字节或多字节的写入，而非FLASH存储器那样，写入前需先进行擦除操作，利用EEPOM来存储***中使用到的参数，速度更快，效率更高；对***时钟的选择，LPC2220可选择外部晶振或外部时钟源，外部晶振频率范围为1～30MHz，外部时钟频率为1～50MHz，由于本控制***需进行RS485通讯，且通讯的计量表标准不统一，因此采用了能使串口波特率更精确的11.0529 MHz晶振，提高数据采集器RS 485通讯的兼容性。

因数据采集器需要采集不同类型计量表的数据，这些计量表的RS485通讯有的是遵循国家标准的，有的则是厂家自己制定的，这就要求数据采集器具有可扩展功能；并且不同用户也会提出不同的功能要求，这也要求数据采集器具有可升级性，这都要求数据采集器的程序存储器不能太小，要有足够的预留空间。基于上述要求和成本，我们选用了PHLISH公司32位的ARM7中 LPC2000系列的LPC2220微处理器，它内部不带FLASH存储器，因此在同类产品中它价格更便宜，同时LPC2220微处理器通过地址总线和数据总线与一片2Mb容量的FALSH存储器连接，满足后续扩展及升级要求。LPC2220具有外部总线，因此外部扩展的RAM、FLASH以及网络接口芯片均连接到16位外部数据总线和地址总线上，数据总线和地址总线再直接连接到微处理器LPC2220对应的端口。

对其地址的识别采用译码器译码的方式，而网络数据的输出选用一个带隔离变压功能的RJ45接口HR901170A，可防止各种干扰信号通过网络接口对网络芯片及控制芯片的干扰，保证网络数据的可靠传输。

所述以太网接口电路网络接口芯片是RTL8019AS。该能耗数据采集器要求采用基于TCP/IP协议的网络对RS485总线采集来的电表、水表等能耗表的数据传输到数据中心，通过查阅大量的资料，通过对国内外网络通信电路的分析、对比，采用了目前电脑网卡上广泛使用的网络通信电路，以REALTEK公司的RTL80系列芯片网速最大为10M的RTL8019AS为网络接口芯片。

所述RS485总线接口电路收发器芯片是SP485R 。RS485总线用于采集各种能耗表（水表、电表、煤气表）的能耗数据，经过处理后再通过网络传输到数据中心，由于能耗数据采集器要求其RS485总线具有带64个能耗表的能力，基于此，选用了由业内专业的通讯接口器件厂商Sipex 公司设计生产的高性能SP485R 芯片收发器，该芯片能够替换通用的RS-485 收发器， SP485R与现有的SP485 产品管脚对应相同，但包含了更高的ESD保护和高接收器输入阻抗等性能。接收器输入高阻抗可以使400 个收发器接到同一条传输线上又不会引起RS-485 发送器信号的衰减。SP481R通过使能管脚来提供关断功能，可将电源电流（ICC）降低到0.5μA 以下。

对于RS485总线传输的抗干扰性，在ARM微处理器与RS485总线接口电路收发器芯片之间使用光耦TLP521（见图7中编号Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6）进行信号隔离，在RS485总线接口电路收发器芯片与RS485总线接线端子之间使用瞬态抑制二极管P6KE6.8CA（见图7中编号V1、V2、V3、R13、R14、R15）进行信号隔离，除了采用上述常用的方法外，还在RS485总线接口电路收发器芯片与RS485总线接线端子之间增加了电感（见图7中编号L2、L3、L5、L6），电容（见图7中编号C55、C56、C23、C24），可虑掉高频和低频的干扰。采取这些措施，可最大程度的避免共模、差模干扰及电压尖峰信号通过RS485端口对微处理器的干扰，保证了RS485总线数据传输的可靠性。

所述***存储器电路包括直接连接到LPC2220的外部总线上的片外程序存储器和片外RAM。由于该能耗数据采集器采用了网络上的TCP/IP协议、XML的数据传输方式，最多需处理64个计量表的能量数据，数据的流量大、变量多，LPC2000系列微处理器内的RAM、程序存储器已满足不了***的要求，因此，分别外扩了一片2MB的片外程序存储器、8MB的片外RAM；片外RAM和FLASH与LPC2220的连接同网络接口芯片RTL8109AS相同，直接连接到LPC2220的外部总线上，采用这种传输方式的优越性是数据传输速度快，可靠性高。

所述FLASH存储器电路存储芯片是256MB的外部NAND FLASH芯片K9F2G08U0B。由于对NAND FLASH存储芯片的操作有特定的时序要求，片选信号，读使能信号和写使能信号均需要单独控制，若直接使用处理器I/O口，则需3个，而网络接口芯片片选和复位信号也需单独控制，因此为节省资源，使用了一个可编辑逻辑器件ATF16LV8C-15XI，便可同时控制FLASH芯片和网络接口芯片的各个信号。

本实用新型的技术效果是通过外部扩展RAM，数据采集器有足够的内存空间，让***运行的更快、更稳定；外部扩展程序存储器，使得数据采集器有足够的程序空间进行新增功能模块，进行***更新；通过对晶振的选择，RS485总线抗干扰的设计，增强了RS485总线的数据传输的稳定性和可靠性，实现了数据采集器对不同类型、不同通讯速率的计量表数据的高速采集。总之，通过以上的电路设计，实现了数据采集器对不同计量表数据的高速稳定采集、处理、传送。

附图说明

图1是本实用新型硬件电路结构框图；图2 FLASH扩展及***译码电路；图3是网络模块电路；图4是微处理器电路；图5是电源模块电路；图6是外部RAM电路和外部FLASH图；图7是RS485通讯模块电路。

具体实施方式

数据采集器通过PHLISH公司32位的ARM7中 LPC2000系列的LPC2220微处理器中的计时器进行计时，当计时达到采集周期后，微处理器将采集信号发送给RS485芯片，RS485芯片再将信号发送到RS485总线上，RS485总线上的计量表接收到采集信号后，对应采集地址的计量表响应采集信号，将数据发送到RS485总线上，RS485芯片接收到数据后，再发送给微处理器，形成一次计量表的数据采集。

RS485总线通信电路见图7，其中X1、X5为RS485接线端子，通过接线端子连接到各个计量表。微处理器功能引脚RXD0、TXD0分别与RS485芯片对应的R、D脚相连，为了提高抗干扰性，RXD0与R、TXD0与D之间通过光耦Q1、Q2进行隔离，发送、接收使能选用微处理器一个I/O口P0.11，同样使用光耦Q3进行隔离。RS485总线端口采用了瞬态抑制二极管R13、R14，电感L5、L6来进行保护, 避免共模、差模干扰及电压尖峰信号通过RS485端口对微控制器的干扰，保证了RS485总线数据传输的可靠性。

为了直观的显示采集过程，电路中在微处理器发送、接收端口增加了两个LED指示灯LED5、LED6，并将指示灯引出到外壳，未采集时，两个指示灯熄灭，采集器发送采集指令，外壳上的发送指示灯根据采集指令而闪烁，若计量表有应答，则接收指示灯闪烁。在使用过程中可直接看外壳上发送、接收等是否闪烁来查看采集是否正常。

数据采集器采集对RS485总线上仪表的数据采集完毕后，进行数据处理，得到各个计量表的真实能耗数据，然后将这些数据存储在外扩的256M的FLASH存储器芯片K9F2G08U0B内。由于对K9F2G08U0B芯片操作有特定的时序要求，所以，使用了一个可编辑逻辑器件ATF16LV8C产生片选信号、读使能信号和写使能信号；K9F2G08U0B的I/O0～I/O7引脚连接到LPC2220的外部扩展数据总线D0～D7，通过数据总线发送地址、命令和数据；K9F2G08U0B的CLE和ALE引脚分别连接到LPC2220的A20和A19引脚，这样就可以通过不同的地址来区别对K9F2G08U0B的命令、地址和数据操作，电路如图2所示。

数据存储完毕后，数据采集器将采集到的数据通过网络芯片RTL8019AS上传到数据中心。网络接口电路见图3，同FLASH存储器一样，网络芯片RTL8019AS的数据线SD0～SD15直接连接到到微处理器LPC2220的外部扩展数据总线D0～D15，由于RTL8019AS的工作电源是5V而LPC2220的I/O口电压为3.3V，所以需在总线上串接470Ω的保护电阻。RTL8019AS的工作电压最小值为2.0V，所以与LPC2220连接不需要加电平转换芯片。

由于RTL8019AS的复位和中断需要独立控制，因此单独将这两个功能脚连接到微处理器的I/O口P0.8和P0.9，而在程序当中，对于网络数据的接收可使用中断来接收，也可以使用查询方式。中断方式响应速度快，但要求处理速度也要快，否则就会出现中断嵌套，而且，若是在一个网络中有计算机中病毒或木马，对整个局域网发动DDoS攻击，使用中断接收就会出现响应不及时或者内存溢出等错误，导致采集器无法正常工作。因此，本采集器采用查询方式接收，确保每一次接收到的数据都能够进行处理，从速度上来说，不及中断，但胜在稳定。

为了直观的显示网络连接是否正常，微处理器上特别引出3个I/O口连接3个LED指示灯到外壳，对数据采集器可连接对3个服务器进行状态显示，若连接上，对应的指示灯常亮，否则熄灭，如此只要查看外壳上的指示灯即可知道数据采集器工作是否正常，网络是否正常，服务器指示灯连接示意图见图7。

Claims

1.一种可再生能源数据监测数据采集器，它包括ARM微处理器***电路和与之连接的以太网接口电路、RS485总线接口电路、***存储器电路、FLASH存储器电路和I²C总线电路。

2.根据权利要求1所述的可再生能源数据监测数据采集器，其特征是在ARM微处理器***电路的I²C口通过I²C总线电路连接有片外时钟和电源监控电路。

3.根据权利要求2所述的可再生能源数据监测数据采集器，其特征是电源监控电路采用CAT1025芯片；片外时钟是11.0529 MHz晶振。

4.根据权利要求1所述的可再生能源数据监测数据采集器，其特征是所述ARM微处理器***电路核心处理芯片是LPC2220微处理器。

5.根据权利要求4所述的可再生能源数据监测数据采集器，其特征是LPC2220微处理器通过地址总线和数据总线与一片2MB容量的FALSH存储器连接；网络数据的输出选用一个带隔离变压功能的RJ45接口HR901170A，所述以太网接口电路网络接口芯片为RTL8019AS。

6.根据权利要求1所述的可再生能源数据监测数据采集器，其特征是所述RS485总线接口电路收发器芯片为SP485R。

7.根据权利要求6所述的可再生能源数据监测数据采集器，其特征是在ARM微处理器与RS485总线接口电路收发器芯片之间使用光耦TLP521进行信号隔离，在RS485总线接口电路收发器芯片与RS485总线接线端子之间使用瞬态抑制二极管P6KE6.8CA进行信号隔离，还在RS485总线接口电路收发器芯片与RS485总线接线端子之间增加了电感L2、L3、L5、L6，电容C55、C56、C23、C24。

8.根据权利要求1所述的可再生能源数据监测数据采集器，其特征是所述***存储器电路包括直接连接到LPC2220的外部总线上的片外程序存储器和片外RAM。

9.根据权利要求1所述的可再生能源数据监测数据采集器，其特征是所述FLASH存储器电路存储芯片是256MB的外部NAND FLASH存储芯片K9F2G08U0B。