一種基于I2C總線的新型多MCU系統(tǒng)的構(gòu)建方法剖析

0. 引言

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多具有諧波源作用的非線性設備投入使用，電網(wǎng)電能質(zhì)量日益惡化，現(xiàn)行的電能計量和考核方式不利于對諧波污染源的考核和治理。合理的解決辦法是分別計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)行懲罰性和補償性計費制度以提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。實現(xiàn)這個準確、合理的電能計量和質(zhì)量評估方案的關(guān)鍵，是研制能夠進行諧波分析的多功能電能計量監(jiān)測裝置，這樣的裝置必須能夠在高速、實時采集數(shù)據(jù)的同時對數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換分析和對各項電能指標進行計算、顯示，這要求用多MCU系統(tǒng)設計多功能電能表。

應用多MCU系統(tǒng)的電能計量、質(zhì)量監(jiān)測裝置總體框圖如圖1所示。多MCU系統(tǒng)由兩個微處理器MCU1、MCU2及數(shù)據(jù)共享接口構(gòu)成，微處理器MCU1負責外圍數(shù)據(jù)采集、濾波、A/D轉(zhuǎn)換單元模塊的控制、電能指標顯示和遠程抄表數(shù)據(jù)通信等功能，MCU2負責對采集到的數(shù)據(jù)進行FFT運算和對基波及各次諧波電能數(shù)據(jù)的分時計費計算，數(shù)據(jù)共享接口則承擔著微處理器MCU1和MCU2之間數(shù)據(jù)交換共享的作用，相當于多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是一個配備兩套獨立的地址、數(shù)據(jù)、控制線的存儲器，允許兩個獨立的MCU對數(shù)據(jù)進行存取共享。當發(fā)生兩個MCU同時訪問同一地址的存儲單元時，通過內(nèi)部仲裁邏輯控制電路提供訪問允許和延緩保持的訪問控制機制。以速度等級是55ns級的雙口RAM為例，由于雙MCU之間的數(shù)據(jù)共享讀寫控制突，這樣的多MCU系統(tǒng)必定存在110ns的數(shù)據(jù)交換延時周期，而且數(shù)據(jù)存儲具有易失性，系統(tǒng)一旦掉電重要數(shù)據(jù)就會丟失。另外，每個MCU需要至少16條I/O口線作為地址、數(shù)據(jù)、控制線，MCU之間的接線比較復雜。這對于運算速度高、數(shù)據(jù)量大、MCU外圍模塊多的多功能電能表來講效果并不理想。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)對實時性的要求。隨著符合I2C總線標準的鐵電存儲器（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)共享的問題，提供了一種接線簡單、數(shù)據(jù)訪問高速、無讀寫時延和數(shù)據(jù)保護可靠性高的解決方案。

1. 符合I2C總線標準的鐵電存儲器（FRAM）工作原理和特性

1．1、 I2C總線標準

I2C 總線的信號線為數(shù)據(jù)線SDA （ Serial Data） 和時鐘線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、應答、非應答信號，時鐘線SCL上傳輸由主控器件發(fā)出時鐘同步信號。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總線上有一個控制總線的器件，稱為主器件（Master），負責為所有的通信操作產(chǎn)生時鐘信號，而受控制的器件稱為從器件（ Slave），可以是任何符合I2C總線標準的器件，但是主器件只能由帶CPU的器件擔任。每一個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，并且可以有多個主器件共存于一條I2C總線上，比如本文所設計的多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號，稱為從地址（Slave ID），主器件通過向總線發(fā)送從地址來呼叫某個要與之交換數(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)范進行，這種協(xié)議由SDA、SCL信號線上的啟動（Start）、數(shù)據(jù)位傳輸（Data Bit）、應答（Acknowledge）和停止（Stop）四種狀態(tài)的變換控制，圖3a說明了這四種狀態(tài)的信號組成。其中啟動和停止由主器件發(fā)送，數(shù)據(jù)位和應答位可以由主器件發(fā)送，也可以由從器件發(fā)送。當主器件發(fā)送數(shù)據(jù)位時，它工作于主發(fā)送模式，此時從器件工作于從接收模式并對每個收到的字節(jié)數(shù)據(jù)以一個應答位作為收到確認信號。與此相反，從器件向總線發(fā)送數(shù)據(jù)位，主器件負責對每一個收到的字節(jié)數(shù)據(jù)進行應答或者非應答（根據(jù)需要用于結(jié)束通信）。通常，通信由主器件發(fā)送一個啟動狀態(tài)開始，然后發(fā)送一個帶有讀、寫識別的從地址，這個從地址的高7位標識器件的ID號，最低位標識讀寫或數(shù)據(jù)傳輸方向，0為寫1為讀。寫數(shù)據(jù)時由主器件向從器件傳送數(shù)據(jù)，讀數(shù)時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，當檢測到啟動狀態(tài)后則進入電平比較狀態(tài)，如果從地址與其ID標號相符則被選中并自動產(chǎn)生一個應答位，從而建立通信連接，否則不予應答。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)的長短。最后，通信結(jié)束時由主器件產(chǎn)生一個停止狀態(tài)（Stop）以結(jié)束這次通信。圖3b說明了I2C 總線的通信時序。

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(gòu)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(chǎn)生數(shù)據(jù)共享傳輸沖突。

1．2、鐵電存儲器結(jié)構(gòu)原理、特性及應用

FM31256芯片集成了256Kb容量的鐵電存儲器（FRAM）、實時時鐘（RTC）、外部事件計數(shù)器、看門狗及掉電監(jiān)測復位等功能，其結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，又能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)，并且沒有讀寫延時可以總線速度存取數(shù)據(jù)，具有即時讀寫的優(yōu)點。與此相比，E2PROM在寫入數(shù)據(jù)后一般要5～10ms的等待數(shù)據(jù)寫入時間，而且寫入壽命有限，通常讀寫一百萬次以后數(shù)據(jù)寫入失效，因而并不適合做數(shù)據(jù)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，F(xiàn)RAM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(shù)據(jù)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?jīng)Q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(shù)據(jù)傳輸，每個數(shù)據(jù)字節(jié)跟隨一個Acknowledge（或者Non-Acknowledge）信號，通信完畢以Stop信號結(jié)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(nèi)部緩存器中，每存取一個字節(jié)單元的數(shù)據(jù)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(shù)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集、讀寫時間要求很高的場合，而且由于不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，其可靠的存儲能力足以讓我們放心的把一些重要數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)共享存儲體，用來在多功能電能表的MCU之間共享數(shù)據(jù)，供各個子系統(tǒng)頻繁讀寫。

2. 基于I2C總線的多MCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(gòu)建方案，以FM31256芯片為例設計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)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(diào)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(shù)據(jù)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(jù)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(shù)據(jù)采集單元和FFT運算單元之間數(shù)據(jù)交換的實時性。

這種新型多MCU系統(tǒng)構(gòu)建方案與雙口RAM的多MCU系統(tǒng)相比，既沒有數(shù)據(jù)共享沖突，也沒有讀寫延時的缺點，而且接線簡單，數(shù)據(jù)保護可靠，讀寫效率高，器件數(shù)量少，從多方面提高了可靠性，尤其適用于對數(shù)據(jù)處理實時性和可靠性要求高的電能計量和質(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)量監(jiān)測的多功能電能表必須能夠在進行高速、實時數(shù)據(jù)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(xiàn)這些功能，通常采用多MCU系統(tǒng)，把控制和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集的實時性要求和運算量大的需要，由MCU1負責對數(shù)據(jù)采集、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示等單元進行控制，以及遠程抄表通信，采用MCS51系列單片機就可以完成上述功能；由MCU2負責對采集到的數(shù)據(jù)進行FFT變換并計算各類電能指標數(shù)據(jù)，算法復雜運算速度問題尤其突出，需要采用數(shù)字信號處理器（DSP）。硬件連接原理圖如圖6所示。

其中，MCU1的P0口作為數(shù)據(jù)采集通道接收經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，W、R作為讀寫控制，P2.7和P3.3分別作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換啟動和數(shù)據(jù)接收中斷啟動信號控制引腳，串行口作為遠程自動抄表的通信接口（可擴展紅外無線通道），P1口作為液晶顯示器（LCD）的數(shù)據(jù)口，P2.3、P2.4、P2.5用于LCD的顯示控制引腳，P2.2、P2.3分別接I2C 總線的SDA和SCL，P2.0、P2.1作為雙MCU之間數(shù)據(jù)共享協(xié)調(diào)通道。MCU2主要用做運算，掉電時數(shù)據(jù)保護顯得十分重要，因此以外部中斷作為FM31256芯片的掉電監(jiān)測輸出信號的輸入端，隨時進行中斷數(shù)據(jù)保護處理。

這個系統(tǒng)與采用雙口RAM的多MCU系統(tǒng)相比，接線簡單，數(shù)據(jù)交換速度高、實時性好，數(shù)據(jù)保護可靠。另外，由于FM31256芯片集成了實時時鐘、看門狗、掉電保護中斷等單元，因而系統(tǒng)以較少的器件數(shù)量增加了電能峰、平、谷期分時計費，防止程序跑飛和系統(tǒng)掉電欠壓數(shù)據(jù)保護等功能，很大程度上提高了可靠性。

4. 結(jié)束語

為了對諧波污染源進行合理的考核和治理，有必要計量基波和各次諧波電能，實現(xiàn)這個電能計量和質(zhì)量評估方案的關(guān)鍵，是研制能夠進行諧波分析的多功能電能計量監(jiān)測裝置，該裝置能夠在高速、實時采集數(shù)據(jù)的同時進行快速傅立葉變換分析和對各項電能指標進行計算、顯示。顯然，設計基于多MCU系統(tǒng)的多功能電能表十分必要。

本文提出了一種基于I2C總線的新型多MCU系統(tǒng)的構(gòu)建方法，應用讀寫快速、數(shù)據(jù)保護可靠、符合I2C總線標準的鐵電芯片（FM31256）作為多MCU系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)共享模塊，以I2C總線作為數(shù)據(jù)交換通道傳遞采集到的電量數(shù)據(jù)、加工過的電能數(shù)據(jù)以及實時時鐘數(shù)據(jù)。這種方法接線簡單，數(shù)據(jù)共享訪問高速、無讀寫延時、數(shù)據(jù)保護可靠并且元器件集成度高，是一種高效可靠的多MCU系統(tǒng)解決方案，能夠很好的發(fā)揮多MCU系統(tǒng)中各個MCU的功能，在實時測控領(lǐng)域中具有很高的應用價值。同時，用這種多MCU系統(tǒng)設計的多功能電能表裝置體積小，芯片集成度高，工作穩(wěn)定可靠，很好的滿足了電量數(shù)據(jù)采集、處理的高速實時性和可靠性的要求，為實現(xiàn)具有諧波分析功能的電能計量和質(zhì)量監(jiān)測提供了先進的技術(shù)手段。