基于新型多MCU系统的多功能电能表的设计

当I2C 总线是多主器件总线时,由于SDA和SCL信号线接上拉电阻，并且各个器件的输出都为开漏或开集的形式，因而构成“线与”的功能，就是说只要有一个器件担当了主器件的角色，总线就处于忙的状态，这形成了良好有序的竞争检测机制，因而不会产生数据共享传输冲突。
1．2、铁电存储器结构原理、特性及应用
FM31256芯片是美国Ramtron公司的最新产品，集成了256Kb容量的铁电存储器(FRAM)、实时时钟（RTC）、外部事件计数器、看门狗及掉电监测复位等功能，其结构原理如图4示。 其中，铁电存储器(FRAM)同时具备随机存取记忆体（RAM）和非易失性存储器（ROM）的特点，既可无限次读写存取数据，又能在断电情况下保存数据，并且没有读写延时可以总线速度存取数据，具有即时读写的优点。与此相比，E2PROM在写入数据后一般要5～10ms的等待数据写入时间，而且写入寿命有限，通常读写一百万次以后数据写入失效，因而并不适合做数据共享存储器。

在这个集成了多个逻辑器件的芯片中，铁电存储器单元（FRAM）和实时时钟单元（RTC）均符合I2C 总线标准，最大可达到1MHz的总线频率。由于集成在同一个芯片上，FRAM和RTC共用同一个I2C 总线接口，但是地址标号（Slave ID）各自独立，分别为1010XA1A0D和1101X A1A0D，其中D 是数据传输方向位用于标志读、写操作，A1A0用来选择I2C 总线上的多个同类器件，最多可以从4个FRAM或RTC器件中进行选择，各个器件的A1A0值由芯片的外部引脚电平决定。编写通信软件时，在I2C 总线上首先给一个启动（Start）信号，然后发送Slave ID（1010XA1A0D），再判断Acknowledge信号，如果有，则主控器件发送两个字节的存储器地址（MSB和LSB）对FRAM的32KByte存储空间进行寻址，之后进行数据传输，每个数据字节跟随一个Acknowledge（或者Non-Acknowledge）信号，通信完毕以Stop信号结束操作。其中，MSB和LSB寻址字节可以用于单字节、多字节两种形式的存取操作，当多字节操作时MSB指示存储页面不变，LSB保存在内部缓存器中，每存取一个字节单元的数据LSB自动增加1以指向下一个存储单元，当达到存储范围末端时存储器地址自动回归0000H。这在多MCU系统中对特定参数的数据共享操作十分方便。
由于FRAM的上述优点，特别适合于那些对数据采集、读写时间要求很高的场合，而且由于不会出现数据丢失，其可靠的存储能力足以让我们放心的把一些重要数据存储其中。其近乎无限次写入的使用寿命，使它很适合担当数据共享存储体，用来在多功能电能表的MCU之间共享数据，供各个子系统频繁读写。
2. 基于I2C总线的多MCU系统结构及工作原理
I2C 总线接口电路简单，使用灵活，加上铁电存储器的读写速度高、数据保护可靠、读写寿命无限等优点，自然为我们提供了一种十分理想的基于I2C 总线的新型多MCU系统构建方案，以FM31256芯片为例设计的系统结构框图如图5所示。

每个MCU只需两条I/O口线如P2.2、P2.3分别与SDA、SCL总线相连即可，MCU1和MCU2分别用做控制和计算的微控制器，通常用数字信号处理器（DSP）执行复杂算法的计算，图5中MCU2的P2.2、P2.3线仅代表普通I/O口。另外，为了更好的协调对I2C总线资源的使用，我们设计了两条I/O口线P2.0、P2.1用来在两个MCU之间传递I2C 总线的使用信息，以达到提高多个MCU之间数据共享效率的目的。MCU1作为I2C 总线的主器件时，P2.0输出高电平以通知MCU2此时I2C 总线正被占用，使用完毕将P2.0电平置低，此时MCU2的P2.1检测到电平跳变则判断出I2C 总线处于空闲可用状态。同样，MCU2作为I2C总线的主器件时，也从P2.0输出高电平来通知MCU1此时I2C 总线正被占用，使用完毕将其置低，由MCU1的P2.1引脚根据电平跳变决定何时可以使用I2C 总线。这样，无论何时铁电存储器都可以处于被访问状态，充分发挥了无读写延时的优点，很大程度上提高了数据采集单元和FFT运算单元之间数据交换的实时性。
这种新型多MCU系统构建方案与双口RAM的多MCU系统相比，既没有数据共享冲突，也没有读写延时的缺点，而且接线简单，数据保护可靠，读写效率高，器件数量少，从多方面提高了可靠性，尤其适用于对数据处理实时性和可靠性要求高的电能计量和质量监测装置。
3. 基于新型多MCU系统的多功能电能表的硬件结构设计
为了合理的对谐波污染源进行考核和治理，有必要对基波电能和各次谐波电能及其传递方向进行计量，那么具备电能计量和质量监测的多功能电能表必须能够在进行高速、实时数据采集同时执行快速傅立叶变换，从而达到谐波分析的目的。要实现这些功能，通常采用多MCU系统，把控制和数据处理的功能进行分离，以充分发挥各个微处理器MCU的功能。在此，考虑到数据采集的实时性要求和运算量大的需要，由MCU1负责对数据采集、滤波、A/D转换、LCD显示等单元进行控制，以及远程抄表通信，采用