3) 具体的工作过程如下：实验箱核心板上的PXA270处理器可以通过扩展插槽中的SPI接口读取电能计量硬件接口电路板中CS5460A得到的所有电能参数，并进行处理，之后存储到外插的SD卡FLASH芯片中，（由于核心板的FLASH的存储空间已所剩无几，无法存储更多的数据，因此，存储模块需用外扩的SD卡FLASH）。同时将数据输出到LCD显示器进行显示，并可根据按键的键值显示不同的数据（可选）。 4) 具体实验实现设计如下：本电能表综合实验系统在ARM实验箱上的硬件包括核心处理器模块、存储模块、显示模块、键盘模块等。存储模块用于数据的存储，保证掉电不丢失，其采用实验箱外接SD卡来实现，SD卡 Flash除了保存所测得的电能数据之外，还要保存电能表系统用到的硬件驱动程序和用户应用程序。显示模块采用实验箱上的LED数码管，一共有四位，电压值显示到小数点后一位，电流值显示到小数点后两位，功率值显示到小数点后一位，电能值显示到小数点后一位。键盘模块采用实验箱上的小键盘，应用时将各个键值软件编程为预先设计的功能。 1.5 嵌入式电能表实验硬件接口电路板实验组成及实验内容概述 本实验包括硬件和软件两部分。硬件原理图如图三所示，硬件电路的组成主要包括电能计量模块CS5460A，电压、电流采样电路、CS5460A的电源电路、CS5460A通过光耦转换电路与ARM的SPI通讯接口连接电路。硬件实验内容：首先根据给出的硬件电路原理图绘制PCB板电路图，选出较好的一组进行制板，也可用提供的制好的电路板进行学习，其次焊接元件到电路板上并调试。 软件实验部分流程图如图五所示。 软件流程如下：首先进行CS5460A初始化，LED数码管显示存储的电能累计值，然后系统启动电能测量命令，进行电能测量，首先判断是否需要断电操作，若需要，则断电，若不需要则继续测量，电能测量的计算周期为1秒，因此，电能值每秒读取一次并累加，如果满10秒，将累加的电能值存储到Flash芯片当中，并且更新数码管显示的数据，在此期间，如果小键盘有键按下，则判断键值，并执行相应的功能，如果上位机需进行抄表，则通过无线通讯模块进行上位机抄表（可选）。 11
开始 CS5460A初始化 LED显示状态 启动电能测量命令 是否断电保护？ N 进行测量 是否10秒？ Y 存储并更新显示数据 读取测量值并累加电能值 上位机抄表并显示 是否有键按下？ Y 执行按键命令 程序结束，并断电 图五 电能计量接口电路板软件流程图 总的实验流程如下： 1) 根据系统整体框图进行硬件电路设计。 硬件电路的设计在ARM PXA270实验箱的基础上进行，主要进行电能计量模块的设计，电能计量模块电路电压、电流采样电路、CS5460A的电源电路、CS5460A通过光耦转换电路与ARM的SPI通讯接口连接电路。设计时应注意： ? CS5460A芯片不能直接测量电力线上的大电压和大电流，必须经过采样电路转换成小电压、小电流信号； 12
? CS5460A的电源由PXA270实验箱扩展接口中的5V电源提供；CS5460A芯片的工作电压为5V，而PXA270处理器的工作电压为3.3V，因此，在两者连接之间需进行电平转换； ? 为防止实验箱受到电力线上的大信号的损害，在电能计量模块与实验箱连接线路上应加上隔离装置。 2) 进行电路的验证工作。 电压、电流采样电路，用Multisim软件进行模拟仿真，仿真结果能显示是否实现大信号向小信号的按比例转换。按电路图在面包板上搭接电压、电流采样电路，检验设计的采样电路是否能满足要求，若不满足要求，需进行调整；对CS5460A通过光耦转换电路与ARM的SPI通讯接口连接电路也需要进行检验，检验是否实现电平转换和隔离作用。 3) PCB制板和线路板的焊接。 在完成电能计量模块的设计和调试后，就要开始制作电路板。在电路板的制作过程中，每一步都是为后面的工作做好准备：首先是元器件的检查，板面布局，然后是电路板的焊接，检查焊接是否与电路原理图相一致，最后进行结果检测。具体步骤如下： ? 学习protel软件进行对电路图的布局设计，检查元器件的型号和参数是否符合设计要求，选择正确的元器件封装。 ? 为了提高整个电路的抗干扰能力，降低外界噪声源对数字器件的影响，PCB 板的布线十分重要。 ? 在焊接前，需做些准备工作：如了解每个芯片的引脚图及能实现的功能，这样才能在实践操作起来更方便。 ? 按照电路图的连接，进行焊接，同时对存在有可能短路的地方用万用表进行测试，并且在焊接时经常发生虚焊现象，此时可采用的方法：先在导线上上锡，然后再焊到电路板上。 ? 再次检查电路板的焊接是否与电路原理图相符，确认无误后，再进行下一步工作。 4) 进行系统软件设计。 据本电能表系统的总体设计要求以及硬件电路原理，按照硬件连接和各个模块芯片的特性以及功能实现要求，本系统的主要流程包括三个步骤：电能表系统启动运行，测 13
量的电能数据的存储，键盘控制和LED显示。 Steep1：电能表系统的启动运行。本阶段主要包括CS5460A的初始化，电能计量开始命令，之后判断电路是否需要断电操作，若需要则控制继电器断电，否则，继续测量； Steep2：测量的电能数据的存储。本阶段主要负责从CS5460A芯片的寄存器中读取各个电能的测量值，然后存储到SD卡当中，并在原有数值的基础上进行累加，以达到掉电保存的目的； Steep3：键盘控制和LED显示。本阶段主要负责键盘的控制和LED显示任务； 5) 进行系统综合调试。 当系统软硬件均完成之后，就可以进行整个电能表系统的调试工作。调试工作的进行主要是进行电能表系统的功能的验证工作。将电能表系统接额定电压为220V，额定功率为25w的负载，电源端接入电力线，启动测量程序，查看LED数码管显示的是不是预计的电能值，按下各个数字键盘，查看是不是执行各个键值对应的功能。如果测得的数据不满足精度要求，则进行系统的校准。 注意事项： 1) 在电能计量模块扩展板的设计中，一定要考虑到电力线上的大信号与数字信号的电气隔离，电能计量扩展板与实验箱的电气隔离，以防止高压电对实验箱造成损坏。 2) 在实验操作过程中，测量时一定要仔细检查线路连接是否正确，保证仪器和人身的安全，避免错误操作，造成电力线短路甚至发生触电事故。
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2．创新点 1）为了培养大学生的科研能力、提高实践和创新意识、培养我国的嵌入式人才，推动大学生的就业和成才，开阔他们的视野和思路，我们通过开设实验选修课的新方式来实现这一目标。我们新开发了嵌入式电能表硬件接口电路实验和基于ARM实验箱的嵌入式电能表综合实验，并新申请了本科生公共选修课一门，已给学生开课应用。通过新开设的这门实验选修课的学习，学生能从实验入手，逐步了解一个面向实际应用的嵌入式系统硬件软件系统构成和制作的方法。从建立嵌入式开发环境，嵌入式硬件系统的了解和设计，PCB电路板的设计和制作，驱动的编写，硬件软件的调试，到最终一个面向实际应用的嵌入式系统的完成，能较大的提高学生的动手能力和完成实际工程项目的能力，开阔视野，为今后学生进行毕业设计、参加各种电子竞赛、找工作或进一步深造等提供必备的基础知识和实际工程经验。 2）建立了面向三个不同层次的本科生的嵌入式实验教学体系，教学内容分基础实验、综合实验和扩展实验三个层次，供不同程度和能力的学生选择。 3）建立了层层推进的实验体系。基础部分的实验是最终综合实验的一个个相对独立的组成部分，完成基础实验后最终再将他们有选择的综合起来，就是一个具体基于ARM的嵌入式应用系统的综合实验。有能力和兴趣的同学还可以继续做扩展实验，开阔视野。 3．应用情况 目前已申请并新开设了一门北航本科生公共选修课：“嵌入式应用硬件接口电路实验”。这学期已经试开新课，选课人数60人，目前从学生的实验总结报告和交流中可以看出效果较好，目前从学生的实验总结报告和交流中可以看出效果较好，学生反映在本科生阶段就接触到这些先进技术无疑是很好的机会，通过实验对嵌入式系统结构、开发环境、开发流程和硬件设计有了基本的了解，为今后进一步深造打下了较好的基础，基本实现了预期目标。今后在试运行的经验基础上，将每学期继续开课，增加可选课人数，调整开课时间和增加学时，每年预期培养嵌入式人才180人左右。 本项目所开发的嵌入式电能表实验硬件接口电路板通过SPI接口与嵌入式处理器相连，可方便的把它移植到其他嵌入式处理器系统中，便于其他院校推广应用。 如果本项目在高校推广应用，会较大的提高学生的动手能力和完成实际工程项目的能力，为本科生开阔视野，提高创新意识，今后进行毕业设计、参加各种电子竞赛、找工作或进一步深造等提供必备的基础知识和实际工程经验。 15