基于新型多MCU系统的多功能电能表的设计

0. 引言
随着电力电子技术的快速发展，越来越多具有谐波源作用的非线性设备投入使用，电网电能质量日益恶化，现行的电能计量和考核方式不利于对谐波污染源的考核和治理。合理的解决办法是分别计量基波电能和各次谐波电能，并分谐波电能的传递方向分别执行惩罚性和补偿性计费制度以提高电网的电能质量。实现这个准确、合理的电能计量和质量评估方案的关键，是研制能够进行谐波分析的多功能电能计量监测装置，这样的装置必须能够在高速、实时采集数据的同时对数据进行快速傅立叶变换分析和对各项电能指标进行计算、显示，这要求用多MCU系统设计多功能电能表。
应用多MCU系统的电能计量、质量监测装置总体框图如图1所示。多MCU系统由两个微处理器MCU1、MCU2及数据共享接口构成，微处理器MCU1负责外围数据采集、滤波、A/D转换单元模块的控制、电能指标显示和远程抄表数据通信等功能，MCU2负责对采集到的数据进行FFT运算和对基波及各次谐波电能数据的分时计费计算，数据共享接口则承担着微处理器MCU1和MCU2之间数据交换共享的作用，相当于多MCU系统数据中心。因此，数据共享接口性能的优劣，将直接决定着多MCU系统工作效率的高低和和系统数据保护的可靠程度。

目前，多MCU系统多采用双口RAM（如IDT7134芯片）或微控制器的串行接口作为多个微处理器MCU之间数据共享接口，如图2a、b所示。双口RAM是一个配备两套独立的地址、数据、控制线的存储器，允许两个独立的MCU对数据进行存取共享。当发生两个MCU同时访问同一地址的存储单元时，通过内部仲裁逻辑控制电路提供访问允许和延缓保持的访问控制机制。以速度等级是55ns级的双口RAM为例，由于双MCU之间的数据共享读写控制突，这样的多MCU系统必定存在110ns的数据交换延时周期，而且数据存储具有易失性，系统一旦掉电重要数据就会丢失。另外，每个MCU需要至少16条I/O口线作为地址、数据、控制线，MCU之间的接线比较复杂。这对于运算速度高、数据量大、MCU外围模块多的多功能电能表来讲效果并不理想。与之相比，串行通信数据共享方案效率更低，难以满足系统对实时性的要求。随着符合I2C总线标准的铁电存储器(FRAM)的出现，为用户所熟悉的I2C总线技术将为我们解决多MCU系统数据共享的问题，提供了一种接线简单、数据访问高速、无读写时延和数据保护可靠性高的解决方案。本文采用Ramtron公司的FM31256芯片设计了一种应用于多功能电能表的基于I2C总线的新型多MCU系统，该系统实时性高，数据保护可靠，接线简单器件集成度高，装置体积小。

1. 符合I2C总线标准的铁电存储器(FRAM)工作原理和特性

1．1、 I2C总线标准
I2C 总线是PHILIPS公司开发的一种简单、双向、二线制、同步串行总线，只需要两条信号线即可在连接于总线上的器件之间传送信息，具备多MCU系统所需要的裁决和高低速设备同步等功能，应用极为广泛。
I2C 总线的信号线为数据线SDA ( Serial Data) 和时钟线SCL (Serial Clock) ,都是双向传输的。数据线SDA用于在器件之间串行的传输数据位、地址码、应答、非应答信号，时钟线SCL上传输由主控器件发出时钟同步信号。根据向总线发送数据还是从总线接收数据将总线上器件的工作模式分为发送和接收。通常，在I2C总线上有一个控制总线的器件，称为主器件(Master)，负责为所有的通信操作产生时钟信号，而受控制的器件称为从器件( Slave),可以是任何符合I2C总线标准的器件，但是主器件只能由带CPU的器件担任。每一个主器件都可以工作于主发送模式或者主接收模式，每一个从器件都可以工作于从接收模式或者从发送模式，并且可以有多个主器件共存于一条I2C总线上，比如本文所设计的多MCU系统中MCU1和MCU2在I2C 总线上都作为主器件。
通常，挂在总线上的从器件都有唯一的地址标号，称为从地址（Slave ID），主器件通过向总线发送从地址来呼叫某个要与之交换数据的器件，这种呼叫和数据交换以I2C 总线通信协议为规范进行，这种协议由SDA、SCL信号线上的启动（Start）、数据位传输（Data Bit）、应答（Acknowledge）和停止（Stop）四种状态的变换控制，图3a说明了这四种状态的信号组成。其中启动和停止由主器件发送，数据位和应答位可以由主器件发送，也可以由从器件发送。当主器件发送数据位时，它工作于主发送模式，此时从器件工作于从接收模式并对每个收到的字节数据以一个应答位作为收到确认信号。与此相反，从器件向总线发送数据位，主器件负责对每一个收到的字节数据进行应答或者非应答（根据需要用于结束通信）。通常，通信由主器件发送一个启动状态开始，然后发送一个带有读、写识别的从地址，这个从地址的高7位标识器件的ID号，最低位标识读写或数据传输方向，0为写1为读。写数据时由主器件向从器件传送数据，读数时由从器件向主器件传送数据。总线上所有器件都有内部逻辑，当检测到启动状态后则进入电平比较状态，如果从地址与其ID标号相符则被选中并自动产生一个应答位，从而建立通信连接，否则不予应答。一旦建立通信连接，可根据需要由通信软件控制主、从器件之间传输数据字节的长短。最后，通信结束时由主器件产生一个停止状态（Stop）以结束这次通信。图3b说明了I2C 总线的通信时序。