淺析嵌入式控制器在電力監控和智能交通中的應用

        設計者和廠商都希望嵌入式控制器能夠為電力監控與交通管理系統提供新的通用功能，包括滿足用電計量、汽車監控、數據搜集和傳感器調節等方面的要求。當今嵌入式控制器種類與型號已不少，而基于混合信號的嵌入式控制器作為實現這些系統功能的監控，是一種實現節能的新型有效技術。

　　主要技術規范

　　如今，一類新的嵌入式控制器已經出現，它們能在同一硅片上整合高性能數據采集子系統，具有近似DSP功能及RSIC-CPU核，從而簡化了外部模擬接口。

　　MAXQ系列嵌入式控制器是這種新一代μc的代表，除了通常的UART(通用異步接收、傳送器)、定時器和I/O端口外，還集成了一組簡化的模擬接口的外設：

　　一個16位、每秒8百萬條指令(MIPS)及單周期RISC核；

　　具有32Kd閃存(flash存儲器)、512BRAM和獨立波特率產生器的2個UART；

　　一對16位Delta-Sigma(△∑)ADC；

　　能夠以PWM模式工作的16位定時器；

　　一個帶40位累加器的16×16乘法器。

　　MAXQ系列嵌入式控制器還有一個時鐘/日歷、一個LCD控制器和簡化IR(紅外)通訊通道接口的硬件。內含3個定時器，其中1個支持PWMD/A；紅外通信功能；可驅動112段LCD的控制器；依靠電池備份、具有日歷和亞秒鬧鐘功能的實時時鐘。

　　在電力監控與交通安全方案中的應用

　　電力監視裝置方案

　　如今越來越多的電器始終處于耗電狀態。例如電冰箱，其電源含間歇開關，只有當冰箱內部溫度高于限定值時電源才被接通。實際上，耗電的設備到處都是，多媒體設備發出亮光的指示燈，表示它被關閉，在等待命令被再次打開。過去，閉合開關就意味著該設備不再有任何形式的工作。但在今天，“關掉”電視機只是使其處于待機模式，而許多電路仍在耗電。事實上，現在已經很難找到真正切斷電源的電器。

　　微機也是隱蔽耗電的設備。在網絡時代的今天，人們離開時還讓微機下載文件、收取郵件等等，其耗電量仍值得考究。MAXQ系列嵌入式控制器不失為電力監視裝置設計方案中的理想選擇。

　　應用方案

　　MAXQ系列嵌入式控制器它的兩個ADC分別設計用于監視電壓通道和電流通道。在本項目中，MAXQ3120連續監視進入某設備的電壓和電流。然后，它可以報告該設備的平均功率，用電高峰出現的次數和幅度，如有需要還可提供該設備的功率因數。

　　其最簡單、直接的報告方法是在監視裝置上配置一個小巧的LCD。LCD價格低廉，用來監視單個設備時，可做得非常緊湊、易用。該嵌入式控制器可在多種顯示模式間進行切換(電壓均方根、電流均方根、功率、度數等等)，可使用一個或多個按鈕控制切換。

　　如需監視多個設備，可建立中心站來記錄來自各從站的數據。并可用廉價的模塊實現不太理想的數據傳輸。該嵌入式控制器的ADC僅有20，000次/秒的采樣速率，這種速率無法解調100kHz范圍內的載波(這個頻段被普遍用于電力線控制系統)，但是它們可以解調音頻范圍的載波。如果數據傳送速率足夠慢，比如約10bps，其可實現非?？煽康耐ㄐ?。主站可以是單獨的裝置，也可以通過微機的串口與其連接。后一種方案更具有吸引力，因為微機的存儲量足夠大，且能夠完成比微控制器更復雜的任務。

　　早年，交通管理執法部門曾使用多普勒測速雷達，如此系統的造價能大大降低，其用途就不僅限于對付道路交通上的超速違規者。例如，普勒測速雷達可在前方車輛停車時提醒駕駛員。

　　系統分析

　　眾所周知，多普勒雷達的工作原理比較簡單。雷達裝置發射一個連續的并且是已知頻率的微波束，當微波束遇到移動目標后被反射回來。由于反射波的頻率稍微高于或低于發射波的頻率，所以把反射波和發射波混頻后可以得到一個頻率(稱之為“拍音”)，其公式如下：

　　V=[v×(f0/c)]×COSθ

　　其中，v是待測目標的速度，f0是額定發射頻率，θ是目標運動方向與雷達系統之間的夾角(如圖4)，c是光速。值得一提的是，如果目標直接對著雷達系統而來，則θ=0，COSθ=1，目標的運動速度變為：

　　如果Ku波段多普勒雷達產生頻率為lkHz的“拍音”，則測量的目標直面而來(或而去)的速度為12.4m/S(即每小時28英里或45公里)。其中可用該嵌入式控制器處理這種音頻信號。

　　利用兩個ADC通道中的一個，該嵌入式控制器能夠采樣雷達模塊輸出的差分信號，提取出其中的最強頻率分量，并把它換算成每小時公里或英里數。此外，利用它的乘-加單元還可進行一些復雜的濾波運算，從復雜的信號中提取出最強的頻率分量，并且可能從微弱信號中提取出有用信息(比如，多普勒雷達系統運載車輛本身的運動速度)。

　　很多情況下，用戶接口的設計非?，嵥?，常常是一些邏輯處理或者通過開關觸發音頻告警。有些應用中，微控制器還要周期性地記錄速度，以及進行速度測量的時間和日期等。

　　在多普勒雷達系統應用

　　對于更復雜的測量分析系統，還需開發有關信號處理的算法。而MAXQ嵌入式控制器有許多現成的可用于輔助開發濾波算法和識別算法的優秀工具。

　　如有些雷達系統需要指示目標的運動方向，即測算出目標是遠離還是靠近雷達運動。傳統的多普勒雷達不能完成這項工作，因為它們對速度一樣而方向相反的運動產生相同的頻移量。

　　現在有些廠家生產的雷達模塊包含兩路正交輸出，解調這兩路輸出，根據它們的相位差，雷達系統便可以確定目標的運動方向。MAXQ3120有兩個ADC，用它可以很容易地實現這種功能。

　　語音記錄監控系統

　　設計思想

　　通常，用微控制器加一片模數轉換器(ADC)，就可用來記錄語音。但MAXQ3嵌入式控制器，除簡單的聲音記錄外，還能夠做很多事情，即以控制器為核心，配合用戶接口元件和廉價的NAND閃存，就可構建一個功能完善的語音記錄監控系統，也可成為電力系統監控與交通安全中語音記錄子系統。

　　由于嵌入式控制器是用于高級語音記錄系統的理想微控制器。在利用它設計語音記錄監控系統時，設計者僅需要完成下列工作：

　　·設計用戶接口：選擇一款LCD，確定如何顯示信息、設置按鈕功能、如何記錄和組織語音數據；

　　·選擇聲碼器：可以選用上述兩個ITU編碼器之一，也可以選用其他的專用編碼器，在存儲器容量足夠大時還可以直接存儲語音信號的原始采樣值。許多標準編碼器的C語言源代碼是可以買到的，因此只需要簡單地開發接口程序；

　　·選擇存儲介質：NAND閃存是理想的選擇，也可根據實際情況選擇其他的存儲器，例如，廉價的通用可移動存儲器(SD、SmartMedia或MMC存儲卡)。有些廠商還可提供存儲卡接口的C語言源代碼和開發工具；

　　·電池管理：如用電池供電，就需要某種形式的電源管理。當今有多種高效的低功耗電池管理方案。結合這些方案和嵌入式控制器的低功耗停止和睡眠模式，將使語音記錄器具有滿意的電池壽命。

　　方案組成

　　利用MAXQ系列嵌入式控制器的一個ADC和PWM定時器實現音頻I/O。ADC的額定輸入電壓為+1V到-1V，其內置的前置放大器的可編程增益可達16X。通常，具有內置阻抗匹配的電容式拾音頭可以直接連接到ADC的輸入端。如果需要低噪聲或高增益，可以采用前置放大器MAX4467，該放大器能為拾音頭提供所需的偏置，且為電池供電的應用提供功耗極低的關斷模式。在輸出端，用一個單級放大器驅動揚聲器，該放大器同時還具有一定的抗混疊和PWM平滑功能。

　　過程分析

　　音頻信號被轉換成數字信號后，必須進行壓縮和存儲，以備重放。8MIPS(每秒8百萬條指令)的處理能力使該嵌入式控制器擁有足夠的“馬力”來應付許多常用的標準語音編碼任務。此領域的”金科玉律”是ITUG.711編碼，其工作速率為64kbps，每秒發送和接收8000個8位采樣。此編碼有兩種不同的傳遞函數，用來將12位采樣值轉換為8位編碼字。

　　錄音階段，定時器每125μs(8MHz時鐘頻率下每1000個處理器周期)產生一次中斷請求。微處理器響應中斷后，計算在上一個定時器周期內得到的采樣值的平均值(二或三個采樣，ADC每48μs采樣一次)，以便獲得需要的8kHz采樣率。之后，所采集的16位采樣就可采用選定的編碼方案進行編碼?；胤艜r采樣數據被線性化后送到PWM控制器，驅動揚聲器。

　　壓縮后的音頻數據就可用于存儲，但嵌入式控制器除了程序閃存外沒有其他的存儲器，因此需用外部存儲器來存儲語音數據。對于此應用性價比最高的外部存儲器是NAND閃存，其容量可達8G位。對于16kbps編碼，這種器件可提供超過6天的語音存儲。但NAND閃存并不完善。首先，大多數NAND閃存器件都帶有一個“瑕疵圖”，告訴應用軟件在存儲器陣列中的何處有“壞點”存在。其次，就像其他的可擦除存儲器一樣，在長期使用后，NAND閃存的有些單元會喪失存儲能力。幸運的是，NAND閃存的這些缺陷對語音應用的影響不大，不像對固態磁盤等應用的影響那么大。在語音應用中，NAND閃存的這些缺陷可以被忽略，它們最多使語音中存在瞬間雜音。

　　對于容量如此巨大的語音存儲，必須進行有效的存儲管理，由系統的用戶接口部分完成，用戶接口部分的核心是LCD控制器，它能夠驅動4個公共面上的28段顯示。MAXQ系列嵌入式控制器的LCD控制器兼容于大量現有的3VLCD玻璃?？梢砸苑浅５偷某杀精@得定制的LCD模塊。

　　用戶可以通過連接到通用I/O端口的按鈕來控制語音監控記錄系統。MAXQ系列嵌入式控制器有4個8位通用I/O端口，與器件的其他功能復用。

　　結語

　　巧用嵌入式控制器除了可作為多功能電表監控的核心與在交通安全管理及語音記錄子系統中的應用外還大有可為。強大的功能使這款MAXQ系列嵌入式控制器在很多應用領域有擴展的機會，很有可能下一個是混合信號應用項目的應用方案。
 

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