0. 导言
跟着电力电子技能的快速开展，越来越多具有谐波源效果的非线性设备投入运用，电网电能质量日益恶化，现行的电能计量和查核办法不利于对谐波污染源的查核和管理。合理的解决办法是别离计量基波电能和各次谐波电能，并分谐波电能的传递方向别离履行惩罚性和补偿性计费准则以进步电网的电能质量。完结这个精确、合理的电能计量和质量评价计划的要害，是研发可以进行谐波分析的多功用电能计量监测设备，这样的设备有必要可以在高速、实时收集数据的一起对数据进行快速傅立叶改换分析和对各项电能目标进行核算、显现，这要求用多MCU体系规划多功用电能表。
运用多MCU体系的电能计量、质量监测设备整体框图如图1所示。多MCU体系由两个微处理器MCU1、MCU2及数据同享接口构成，微处理器MCU1担任外围数据收集、滤波、A/D转化单元模块的操控、电能目标显现和长途抄表数据通讯等功用，MCU2担任对收集到的数据进行FFT运算和对基涉及各次谐波电能数据的分时计费核算，数据同享接口则承担着微处理器MCU1和MCU2之间数据交流同享的效果，相当于多MCU体系数据中心。因此，数据同享接口功用的好坏，将直接决议着多MCU体系作业功率的凹凸和和体系数据维护的牢靠程度。
1. 契合I2C总线规范的铁电存储器（FRAM）作业原理和特性
1．1、 I2C总线规范
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用于在器材之间串行的传输数据位、地址码、应对、非应对信号，时钟线SCL上传输由主控器材宣布时钟同步信号。依据向总线发送数据仍是从总线接纳数据将总线上器材的作业方式分为发送和接纳。一般，在I2C总线上有一个操控总线的器材，称为主器材（Master），担任为一切的通讯操作发生时钟信号，而受操控的器材称为从器材（ Slave），可所以任何契合I2C总线规范的器材，可是主器材只能由带CPU的器材担任。每一个主器材都可以作业于主发送方式或许主接纳方式，每一个从器材都可以作业于从接纳方式或许从发送方式，而且可以有多个主器材共存于一条I2C总线上，比方本文所规划的多MCU体系中MCU1和MCU2在I2C 总线上都作为主器材。
一般，挂在总线上的从器材都有仅有的地址标号，称为从地址（Slave ID），主器材通过向总线发送从地址来呼叫某个要与之交流数据的器材，这种呼叫和数据交流以I2C 总线通讯协议为规范进行，这种协议由SDA、SCL信号线上的发动（Start）、数据位传输（Data Bit）、应对（Acknowledge）和中止（Stop）四种状况的改换操控，图3a说明晰这四种状况的信号组成。其间发动和中止由主器材发送，数据位和应对位可以由主器材发送，也可以由从器材发送。当主器材发送数据位时，它作业于主发送方式，此刻从器材作业于从接纳方式并对每个收到的字节数据以一个应对位作为收到承认信号。与此相反，从器材向总线发送数据位，主器材担任对每一个收到的字节数据进行应对或许非应对（依据需求用于结束通讯）。一般，通讯由主器材发送一个发动状况开端，然后发送一个带有读、写辨认的从地址，这个从地址的高7位标识器材的ID号，最低位标识读写或数据传输方向，0为写1为读。写数据时由主器材向从器材传送数据，读数时由从器材向主器材传送数据。总线上一切器材都有内部逻辑，当检测到发动状况后则进入电平比较状况，假如从地址与其ID标号相符则被选中并主动发生一个应对位，然后树立通讯衔接，不然不予应对。一旦树立通讯衔接，可依据需求由通讯软件操控主、从器材之间传输数据字节的长短。最终，通讯结束时由主器材发生一个中止状况（Stop）以结束这次通讯。图3b说明晰I2C 总线的通讯时序。
当I2C 总线是多主器材总线时，因为SDA和SCL信号线接上拉电阻，而且各个器材的输出都为开漏或开集的方式，因此构成“线与”的功用，就是说只需有一个器材担任了主器材的人物，总线就处于忙的状况，这形成了杰出有序的竞赛检测机制，因此不会发生数据同享传输抵触。
1．2、铁电存储器结构原理、特性及运用
FM31256芯片集成了256Kb容量的铁电存储器（FRAM）、实时时钟（RTC）、外部事情计数器、看门狗及掉电监测复位等功用，其结构原理如图4示。
其间，铁电存储器（FRAM）一起具有随机存取记忆体（RAM）和非易失性存储器（ROM）的特色，既可无限次读写存取数据，又能在断电情况下保存数据，而且没有读写延时可以总线速度存取数据，具有即时读写的长处。与此比较，E2PROM在写入数据后一般要5～10ms的等候数据写入时刻，而且写入寿数有限，一般读写一百万次今后数据写入失效，因此并不合适做数据同享存储器。
在这个集成了多个逻辑器材的芯片中，铁电存储器单元（FRAM）和实时时钟单元（RTC）均契合I2C 总线规范，最大可到达1MHz的总线频率。因为集成在同一个芯片上，FRAM和RTC共用同一个I2C 总线接口，可是地址标号（Slave ID）各自独立，别离为1010XA1A0D和1101X A1A0D，其间D 是数据传输方向位用于标志读、写操作，A1A0用来挑选I2C 总线上的多个同类器材，最多可以从4个FRAM或RTC器材中进行挑选，各个器材的A1A0值由芯片的外部引脚电平决议。编写通讯软件时，在I2C 总线上首先给一个发动（Start）信号，然后发送Slave ID（1010XA1A0D），再判别Acknowledge信号，假如有，则主控器材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，每个数据字节跟从一个Acknowledge（或许Non-Acknowledge）信号，通讯结束以Stop信号结束操作。其间，MSB和LSB寻址字节可以用于单字节、多字节两种方式的存取操作，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主动添加1以指向下一个存储单元，当到达存储规模结尾时存储器地址主动回归0000H。这在多MCU体系中对特定参数的数据同享操作非常便利。
因为FRAM的上述长处，特别合适于那些对数据收集、读写时刻要求很高的场合，而且因为不会呈现数据丢掉，其牢靠的存储才能足以让咱们定心的把一些重要数据存储其间。其近乎无限次写入的运用寿数，使它很合适担任数据同享存储体，用来在多功用电能表的MCU之间同享数据，供各个子体系频频读写。
2. 依据I2C总线的多MCU体系结构及作业原理
I2C 总线接口电路简略，运用灵敏，加上铁电存储器的读写速度高、数据维护牢靠、读写寿数无限等长处，天然为咱们供给了一种非常抱负的依据I2C 总线的新式多MCU体系构建计划，以FM31256芯片为例规划的体系结构框图如图5所示。
每个MCU只需两条I/O口线如P2.2、P2.3别离与SDA、SCL总线相连即可，MCU1和MCU2别离用做操控和核算的微操控器，一般用数字信号处理器（DSP）履行杂乱算法的核算，图5中MCU2的P2.2、P2.3线仅代表一般I/O口。别的，为了更好的和谐对I2C总线资源的运用，咱们规划了两条I/O口线P2.0、P2.1用来在两个MCU之间传递I2C 总线的运用信息，以到达进步多个MCU之间数据同享功率的意图。MCU1作为I2C 总线的主器材时，P2.0输出高电平以告诉MCU2此刻I2C 总线正被占用，运用结束将P2.0电平置低，此刻MCU2的P2.1检测到电平跳变则判别出I2C 总线处于闲暇可用状况。相同，MCU2作为I2C总线的主器材时，也从P2.0输出高电平来告诉MCU1此刻I2C 总线正被占用，运用结束将其置低，由MCU1的P2.1引脚依据电平跳变决议何时可以运用I2C 总线。这样，不管何时铁电存储器都可以处于被拜访状况，充分发挥了无读写延时的长处，很大程度上进步了数据收集单元和FFT运算单元之间数据交流的实时性。
这种新式多MCU体系构建计划与双口RAM的多MCU体系比较，既没有数据同享抵触，也没有读写延时的缺陷，而且接线简略，数据维护牢靠，读写功率高，器材数量少，从多方面进步了牢靠性，特别适用于对数据处理实时性和牢靠性要求高的电能计量和质量监测设备。
3. 依据新式多MCU体系的多功用电能表的硬件结构规划
为了合理的对谐波污染源进行查核和管理，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，那么具有电能计量和质量监测的多功用电能表有必要可以在进行高速、实时数据收集一起履行快速傅立叶改换，然后到达谐波分析的意图。要完结这些功用，一般选用多MCU体系，把操控和数据处理的功用进行别离，以充分发挥各个微处理器MCU的功用。在此，考虑到数据收集的实时性要求和运算量大的需求，由MCU1担任对数据收集、滤波、A/D转化、LCD显现等单元进行操控，以及长途抄表通讯，选用MCS51系列单片机就可以完结上述功用；由MCU2担任对收集到的数据进行FFT改换并核算各类电能目标数据，算法杂乱运算速度问题特别杰出，需求选用数字信号处理器（DSP）。硬件衔接原理图如图6所示。
其间，MCU1的P0口作为数据收集通道接纳通过A/D转化的数字信号，W、R作为读写操控，P2.7和P3.3别离作为数据转化发动和数据接纳中止发动信号操控引脚，串行口作为长途主动抄表的通讯接口（可扩展红外无线通道），P1口作为液晶显现器（LCD）的数据口，P2.3、P2.4、P2.5用于LCD的显现操控引脚，P2.2、P2.3别离接I2C 总线的SDA和SCL，P2.0、P2.1作为双MCU之间数据同享和谐通道。MCU2首要用做运算，掉电时数据维护显得非常重要，因此以外部中止作为FM31256芯片的掉电监测输出信号的输入端，随时进行中止数据维护处理。
这个体系与选用双口RAM的多MCU体系比较，接线简略，数据交流速度高、实时性好，数据维护牢靠。别的，因为FM31256芯片集成了实时时钟、看门狗、掉电维护中止等单元，因此体系以较少的器材数量添加了电能峰、平、谷期分时计费，避免程序跑飞和体系掉电欠压数据维护等功用，很大程度上进步了牢靠性。
4. 结束语
为了对谐波污染源进行合理的查核和管理，有必要计量基波和各次谐波电能，完结这个电能计量和质量评价计划的要害，是研发可以进行谐波分析的多功用电能计量监测设备，该设备可以在高速、实时收集数据的一起进行快速傅立叶改换分析和对各项电能目标进行核算、显现。明显，规划依据多MCU体系的多功用电能表非常必要。
本文提出了一种依据I2C总线的新式多MCU体系的构建办法，运用读写快速、数据维护牢靠、契合I2C总线规范的铁电芯片（FM31256）作为多MCU体系的实时数据同享模块，以I2C总线作为数据交流通道传递收集到的电量数据、加工过的电能数据以及实时时钟数据。这种办法接线简略，数据同享拜访高速、无读写延时、数据维护牢靠而且元器材集成度高，是一种高效牢靠的多MCU体系解决计划，可以很好的发挥多MCU体系中各个MCU的功用，在实时测控领域中具有很高的运用价值。一起，用这种多MCU体系规划的多功用电能表设备体积小，芯片集成度高，作业安稳牢靠，很好的满意了电量数据收集、处理的高速实时性和牢靠性的要求，为完结具有谐波分析功用的电能计量和质量监测供给了先进的技能手段。
