無(wú)線計(jì)量技術(shù)在電動(dòng)工具中的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

陶俊豪

（ 中國(guó)人民解放軍63801部隊(duì)，四川 西昌 615042 ）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用局域網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)技術(shù)將各種設(shè)備組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)，成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。

對(duì)電動(dòng)工具如電鉆、角磨機(jī)、電錘等產(chǎn)品進(jìn)行用電監(jiān)測(cè)，對(duì)開關(guān)機(jī)和峰值情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，甚至進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、全壽命周期管理時(shí)[1]，傳統(tǒng)的人工記錄和抄表存在準(zhǔn)確性差、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題。無(wú)線電計(jì)量技術(shù)可充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，破解傳統(tǒng)人工記錄的局限性，實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化控制。

1 設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。系統(tǒng)主要由三部分組成：無(wú)線傳輸部分、電能計(jì)量部分和供電部分。

為提高電動(dòng)工具的集成化程度，所有板件和芯片采用小封裝和低功耗產(chǎn)品。無(wú)線傳輸部分使用北歐Nordic Semiconductor公司出品的nRF51822芯片，該芯片是功能強(qiáng)大、高靈活性的多協(xié)議SoC，非常適用于Bluetooth?低功耗和2.4GHz超低功耗無(wú)線應(yīng)用，其功能是完成基于藍(lán)牙的數(shù)據(jù)無(wú)線接收和發(fā)送。

nRF51822基于配備256kB flash+16kB RAM的32位ARM? Cortex? M0 CPU構(gòu)建，不僅包含了豐富的外設(shè)，且各外設(shè)通過(guò)I/O配置更改映射。

電能計(jì)量部分采用ATT7039AU芯片，該芯片是上海鉅泉光電出品的精簡(jiǎn)版單相計(jì)量SoC，片內(nèi)集成單相計(jì)量高效1-cycle CPU51處理器、電源管理、時(shí)鐘管理、硬件自動(dòng)溫補(bǔ)RTC、LCD驅(qū)動(dòng)及JTAG調(diào)試等豐富功能。

ATT7039AU的功能是監(jiān)測(cè)電能使用情況，包括電壓、電流、功率、電能等參數(shù)，存儲(chǔ)系統(tǒng)開關(guān)機(jī)時(shí)間、累計(jì)使用時(shí)長(zhǎng)、累計(jì)電能使用及峰值情況等。供電部分采用開關(guān)電源，加入電池作為后備電源。開關(guān)電源部分使用離線式非隔離反激電源芯片MP150GJ，該芯片最大連續(xù)輸出電流可達(dá)200mA，非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的供電。

在對(duì)外連接方面，智能電計(jì)量裝置通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)或其他智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊。為了實(shí)現(xiàn)智能化控制，在電能計(jì)量芯片I/O端口加入發(fā)送和接收光耦，實(shí)現(xiàn)工具開關(guān)機(jī)、變頻調(diào)速、工作狀態(tài)設(shè)定和監(jiān)測(cè)等基于串口的命令。電表正常工作時(shí)需要根據(jù)工況進(jìn)行校正和電能使用情況的存儲(chǔ)，在系統(tǒng)中加入SPI FLASH芯片來(lái)存儲(chǔ)校正系數(shù)、電能使用情況以及工具的序列號(hào)、授權(quán)期限等信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

系統(tǒng)內(nèi)部ATT7039和nRF51822均為低功耗芯片，使用3.3V供電，故開關(guān)電源采用220V交流轉(zhuǎn)3.3V直流輸出模式。經(jīng)過(guò)查閱各芯片、光耦、LED的數(shù)據(jù)手冊(cè)，估算整機(jī)峰值耗電電流約70mA。如采用傳統(tǒng)的阻容降壓取電安全性差，存在整機(jī)體積偏大，負(fù)載動(dòng)態(tài)電流變化大導(dǎo)致功耗高等問(wèn)題?！峨娖鳟a(chǎn)品消防安全通用要求》4.3.2中規(guī)定民用電器產(chǎn)品主電源降壓裝置不應(yīng)使用阻容降壓方式。故本機(jī)采用高效離線式開關(guān)電源芯片MP150作為電源控制芯片。該芯片是替代線性及阻容降壓式電源的低成本解決方案，是元件數(shù)目最少的高效離線式開關(guān)IC。作為一款綠色模式電壓調(diào)制器，內(nèi)部集成一個(gè)500V的MOSFET，峰值電流和開關(guān)頻率隨負(fù)載下降而下降。

電源電路見圖2，電源輸入端火線與低壓供電端共地實(shí)現(xiàn)低成本取樣電阻進(jìn)行電壓和電流的采樣，在電源前端加入R11減少上電電流，過(guò)流時(shí)起到保險(xiǎn)絲作用，D2、L1、C6、C7組成半波整流電路，電源輸出電壓由R5與R10的比值確定，即Vo=2.5×(R5+R10)/R10。

圖2 電源電路

2.2 電能計(jì)量模塊

為降低成本，提高國(guó)產(chǎn)化程度，采用國(guó)產(chǎn)計(jì)量芯片ATT7039AU。該芯片采用8位 R8051XC內(nèi)核，具有8052兼容指令集和總線結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成按鍵、串行通訊、LCD、紅外調(diào)制、 I2C等外設(shè)，采樣端提供2路ADC輸入，提供單相電能計(jì)量所需要的有功功率與有功電能、無(wú)功功率與無(wú)功電能、電壓有效值、電流有效值及頻率參數(shù)等，支持軟件校表方式。

在動(dòng)態(tài)范圍5000∶1內(nèi)有功誤差小于0.1 %，支 持IEC 62053-21、IEC 62053-22標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。芯片外接電池后可通過(guò)VDD3P3端口供給其他芯片使用，如時(shí)鐘和存儲(chǔ)芯片，確保掉電后其他低功耗芯片正常工作。

采樣電路中采用了低成本的電阻采樣，其中V3P和V3N為電阻分壓監(jiān)測(cè)線電壓，使用多個(gè)電阻分壓采樣；V1P和V1N為電流監(jiān)測(cè)端，使用1mΩ采樣電阻獲取用電器電流信息[2]。芯片使用UART串行外設(shè)與nRF51822進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使用SPI接口與存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入。芯片外圍電路中的Y1和C24、C25晶振電路用于RTC時(shí)鐘，RTC時(shí)鐘可用于電路的定時(shí)、校時(shí)和鬧鐘功能；BT1和D4組成電池和開關(guān)電源雙供電模式，在系統(tǒng)掉電（R14、R15和C10組成掉電監(jiān)測(cè)電路）時(shí)維持內(nèi)部RTC時(shí)鐘運(yùn)行。U3和U4為通訊光耦TLP2301，用于電動(dòng)工具的狀態(tài)控制和采集，實(shí)現(xiàn)基于串口的智能化控制。計(jì)量電路見圖3。

圖3 計(jì)量電路

2.3 無(wú)線收發(fā)模塊

nRF51822是功能強(qiáng)大、高靈活性的多協(xié)議片上系統(tǒng)，適用于Bluetooth?低功耗和 2.4GHz超低功耗無(wú)線應(yīng)用。該芯片基于配備256kB flash和16kB RAM的32位ARM Cortex M0 CPU構(gòu)建，2.4GHz模式與Nordic Semiconductor的nRF24L系列產(chǎn)品無(wú)線兼容。另外，還具備豐富的模擬和數(shù)字周邊產(chǎn)品，可在無(wú)需CPU參與的情況下通過(guò)可編程周邊產(chǎn)品互聯(lián) (PPI) 系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)。靈活的31引腳GPIO映射方案可使I/O（例如串行接口、PWM和正交解調(diào)器）根據(jù)PCB設(shè)計(jì)需求映射到任何設(shè)備引腳，實(shí)現(xiàn)完全的設(shè)計(jì)靈活性及引腳位置和功能。無(wú)線收發(fā)模塊見圖4。

圖4 無(wú)線收發(fā)模塊

在模塊中采用外部16MHz無(wú)源晶振作為時(shí)鐘源，外圍電路較為簡(jiǎn)單，除串行調(diào)試接口外，僅包括指示燈、去耦電容以及射頻發(fā)射部分。其中射頻部分經(jīng)阻抗匹配后通過(guò)板載PCB刻蝕天線進(jìn)行2.4GHz藍(lán)牙信號(hào)的收發(fā)。存儲(chǔ)部分，采用W25Q64的SPI接口FLASH芯片，內(nèi)存8M字節(jié)，循環(huán)寫入10萬(wàn)次，既可存儲(chǔ)校表參數(shù)，也可以存儲(chǔ)用電情況等，本應(yīng)用中采用的存儲(chǔ)方式是分扇區(qū)存儲(chǔ)，后兩個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)校表參數(shù)（其中一個(gè)做備份用，扇區(qū)記錄數(shù)據(jù)包含CRC16校驗(yàn)的兩個(gè)字節(jié)）、設(shè)備授權(quán)信息、序列號(hào)等，前4094個(gè)扇區(qū)以循環(huán)方式存儲(chǔ)電能使用情況，包括開關(guān)機(jī)時(shí)間、電流、電壓和功率的極值、使用總時(shí)間和次數(shù)等。

3 軟件設(shè)計(jì)

智能電計(jì)量模塊包含的兩個(gè)主要芯片nRF51822和ATT7039，分別自帶ARM Cortex M0微處理器和R8051XC處理器，需單獨(dú)通過(guò)各自的編程接口在KEIL中進(jìn)行編程[3]。無(wú)線收發(fā)的另一端，需通過(guò)帶藍(lán)牙功能的終端進(jìn)行控制，本文使用安卓智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)，基于Android Studio 3.3開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序（APP）。

3.1 芯片編程

nRF51822軟件基于Nordic Semiconductor官方提供的SDK12.0.3開發(fā)，系統(tǒng)采用的S130協(xié)議棧（softdevice）需在nRFgo Studio中用Jlink調(diào)試器下載到nRF51822芯片中，燒寫B(tài)ootLoader（可選）和應(yīng)用程序[4]。BootLoader支持對(duì)程序的空中升級(jí)，即后續(xù)程序的更新升級(jí)。

應(yīng)用程序使用Keil MDK編程環(huán)境，具體流程圖見圖5。該部分程序的核心部分是對(duì)手機(jī)或終端指令的解析，為實(shí)現(xiàn)可靠的手機(jī)與智能電計(jì)量模塊之間數(shù)據(jù)傳輸，需要編寫分層結(jié)構(gòu)的協(xié)議棧通訊[5][6]，本文采用的通訊協(xié)議有包頭、包長(zhǎng)、包序號(hào)、校驗(yàn)字節(jié)等信息，并對(duì)不同的命令進(jìn)行分層編碼，在傳輸失敗后重發(fā)3次。在圖5的流程中，等待指令環(huán)節(jié)既包括來(lái)自藍(lán)牙的指令，如查詢、測(cè)量和控制等，也包括來(lái)自ATT7039的指令，如查詢校表參數(shù)、寫入校表系數(shù)以及寫入使用記錄等。指令解析如僅查詢記錄，則以SPI接口從25Q64讀取，如涉及電能計(jì)量或智能控制，則需要與ATT7039通訊，轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的指令，ATT7039響應(yīng)指令后從串口返回?cái)?shù)據(jù)，MCU處理后以無(wú)線數(shù)據(jù)包方式發(fā)送至手機(jī)或其他終端。

圖5 程序流程圖

ATT7039支持標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口，用戶可在線編程和調(diào)試。包括電壓、電流以及功率測(cè)量、RTC時(shí)鐘的讀取和設(shè)定、相關(guān)開關(guān)機(jī)信息的記錄和讀取等，必要時(shí)包含鬧鐘設(shè)定。圖5中，計(jì)量模塊初始化需從存儲(chǔ)芯片中讀取校表參數(shù)、電能使用情況以及上次能量脈沖個(gè)數(shù)，以串口通訊方式交付nRF51822讀取[7]。

流程中，定時(shí)器事件定時(shí)對(duì)電能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，更新電能使用情況。RTC事件檢測(cè)授權(quán)是否過(guò)期，如過(guò)期則模塊停止工作。MCU通過(guò)中斷的方式讀取串口數(shù)據(jù)，放入指定環(huán)形數(shù)組。收到串口數(shù)據(jù)既可來(lái)自nRF51822，也可來(lái)自電動(dòng)工具其他模塊，串口使用循環(huán)讀取數(shù)據(jù)方式解析數(shù)據(jù)包，返回執(zhí)行結(jié)果同樣通過(guò)串口[8][9]。

開關(guān)機(jī)監(jiān)測(cè)部分在檢測(cè)到電流大于閾值的情況下記錄開機(jī)時(shí)間，電流小于閾值時(shí)記錄關(guān)機(jī)時(shí)間，并寫入存儲(chǔ)芯片。

3.2 APP編寫

手機(jī)端于安卓5.1以上版本開發(fā)，需開啟BLUETOOTH權(quán)限和BLUETOOTH_ADMIN權(quán)限。為避免藍(lán)牙廣播無(wú)法搜索，需添加ACCESS_COARSE_LOCATION以及ACCESS_FINE_LOCATION權(quán)限。

APP端采用MCU同樣的通訊協(xié)議，包括包頭、包長(zhǎng)、包序號(hào)、校驗(yàn)字節(jié)等信息，對(duì)不同指令進(jìn)行分層編碼，傳輸失敗后重發(fā)3次。

將指令分為設(shè)置、查詢、控制等多組，每組指令下分為多個(gè)子命令，子命令后附加鍵值以實(shí)現(xiàn)靈活控制。APP首先使用android.bluetooth.le.BluetoothLeScanner類下的startScan()函數(shù)實(shí)現(xiàn)廣播的發(fā)現(xiàn)，廣播以RecyclerView列表框展現(xiàn)給用戶選擇，APP查找相應(yīng)的藍(lán)牙服務(wù)，選擇寫入服務(wù)和通知服務(wù)后可進(jìn)行指令的發(fā)送和接收。

APP采用列表式android.support.v4.app.Fragment類與用戶進(jìn)行交互[10]，接收和發(fā)出命令后以二進(jìn)制方式顯示，必要時(shí)以文本形式展現(xiàn)，界面形式見圖6。

圖6 最終實(shí)物圖和軟件界面

4 結(jié)論

本文從硬件和軟件上闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)ATT7039計(jì)量芯片和nRF51822藍(lán)牙芯片實(shí)現(xiàn)電能參數(shù)的采集、傳輸、記錄存儲(chǔ)以及終端實(shí)時(shí)查詢功能，友好嵌入各類智能電動(dòng)工具，為設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)打下基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的信息化、智能化管理應(yīng)用[11]。