基于STM32的智能数据处理装置的硬件设计与实现

湖南铁道职业技术学院 刘 彤

引言：以电力线载波通信技术和无线通信技术为基础构建四表合一数据集抄系统，包括主站系统、集中器、智能数据处理装置、计量仪表单元（智能电表、智能水表、智能气表和智能热力表）等。

其中，智能数据处理装置直接面对计量仪表，接受抄表指令后，选择相应的通信信道，对计量仪表的计量数据进行集抄，智能数据处理装置接收到智能数据处理装置数据后，对计量数据进行规约转换后，通过电力线载波或无线或RS485信道与集中器进行数据上传，起着承上启下的作用，本文针对智能数据处理装 置硬件进行设计。

1.装置概述

智能数据处理装置以ARM处理器为核心，扩展外围模块构成，包括电源电路、STM32最小系统、载波模块、红外模块、微功率无线模块、RS485模块、M-BUS模块和状态检测模块等，上行通信方式可采用RS-485、微功率无线、电力线载波，下行通信方式可采用RS-485、M-BUS、微功率无线，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2.装置电路模块

所有电路围绕STM32 ARM处理器构成，STM32小系统负责各通讯模块的选择、数据处理及状态检测等功能，兼容电水气暖四表的通讯方式。

2.1 电源电路

电源电路向STM32小系统及各个电路模块提供所需的工作电源。220V交流电源通过变压器降压，然后整流变为适合+12V电路输入的直流电压，经过+12V变换电路，产生+12V电源，+12V电源再分别产生+5V电源和+3.3V电源，+5V电源主要给接口电路供电，+3.3V主要给处理器及模块电路供电，如图2所示。

图2 系统电源电路框图

电源电路设计了保护环节，保护电路和元件的安全。AC220V电源的放置压敏电阻，防止雷击浪涌电压，变压器L回路串联热敏电阻，限制起动电流，EMI电路滤波平滑输入交流电源，避免尖峰脉冲的冲击。另外，低压侧的放置了TVS元件，能有效地吸收电源尖峰，保护后级器件免受冲击。

2.2 STM32小系统

系统核心采用STM32F103RCT6处理器，是基于ARM 32-bit CortexTMM3内核的CPU芯片，主频可以达到72MHz，内部大容量Flash具有UART、CAN、SPI等丰富的接口资源，能够满足系统设计的需要。配置电源电路、复位电路、晶振电路和编程调试接口电路构成MCU最小系统。

2.3 通讯模块

装置与不同仪表接口，兼容水、气、热等计量仪表通讯，具备无线、载波、RS485、M-BUS等功能，考虑现场的应用情况，具备M-BUS或RS485线路的切换功能。因此，系统设计除了兼容电力载波通讯方式外，还设计了红外通讯、微功率无线通信、RS485通讯和M-BUS通讯模块。

2.3.1 微功率无线通讯

无线收发模块采用外置插接方式安装，采用标准2.54mm间距2×6双排插座，进行信号连接，接口定义如图所示。为满足模块的互换性要求，在硬件接口定义上严格遵照国家电网对通信模块的接口要求，进行设计定义，既能满足无线模块通信需求，又能满足载波模块接口要求。

图3 无线模块接口定义

2.3.2 红外模块

红外发射电路是通过串口信号和38K调制信号的配合，控制红外发射管将红外信号发射出去，通过调制三极管的开关频率，达到控制红外发射管的频率。红外发射电路如图4所示。

图4 红外发射电路

红外接收电路是采用接收调制一体器件，器件供电3.3V，红外接收引脚，通过上拉输入至CPU串口接收引脚上。

2.3.3 RS485通讯

装置设计上兼容有极性和无极性两种方式，设计3个RS485信道，有极性信道2个，无极性信道1个，如图5所示，无极性信道电路采用RS485收发器芯片SH65HVD888设计，兼容3.3V和5V系统，有极性信道采用RS485收发器芯片SH65HVD72设计，芯片引脚兼容，能够互换。

图5 RS485通讯电路

图6 M-BUS发送电路原理框图

2.3.4 M-BUS模块

M-BUS（Meter BUS）总线，是一种用于非电力户用仪表传输的欧洲总线标准。具有布线简单、拓扑无关、在线供电、抗干扰强等特点，在技术上更适合非电力用户用仪表的数据传输。模块包括M-BUS发送电路、接收电路和控制电路。

M-BUS发送电路由CPU发出的TTL电平信号，驱动三极管控制LM317的电压调整端输出电压。当CPU发送1位数据“1”时，三极管截止，此时M-BUS线上电压为30.8V，作为接收设备的表计识别为“1”，即收到1位数据“1”；当CPU发送1位数据“0”时，三极管导通，此时M-BUS线上电压为18V，作为接收设备的表计识别为“0”，即收到1位数据“0”，如图6所示。

M-BUS通信中，计量仪表的应答信号通过调制回路电流11-20mA来实现，接收回路将该电流通过串在回路中的电阻转换为电压信号，经比较器输出解调信号，与CPU的串行端口接收引脚连接。

3.结论

本装置以ARM芯片为核心，设计智能仪表接口电路，依据CJ/T-188数据通讯规约，完成了计量仪表数据的采集、转换和数据上传功能。