（模式识别与智能系统专业论文）家庭能源监控器的研制.pdf

t h ed e s i g n o fh o m ee n e r g y m o n i t o r at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i 够 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y l ij i a n s u p e r v i s e db y y eh u a s c h o o lo f a u t o m a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s 时 m a r c h2 0 1 0 663il 叭6m 7叭1洲y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：臣金1 日期： 2 口，口；p 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲拌翩躲巡眺 乡句徊乒 摘要 摘要 在节能减排，开启低碳经济的新时代，对太阳能的研究已在世界各地蓬勃开展。家庭 太阳能供电系统是一种家庭实用太阳能方案，其中的家庭能源监控器是该系统的重要组成 部分，是系统的核心纽带。家庭能源监控器是用户与家庭太阳能供电系统的人机交互终端。 通过能源监控器，用户可以清楚的知道从外部电网获取了多少电能，家庭太阳能电池板产 生了多少电能，同时还可附加监控各个家用电器的用电情况，实现控制电器和向用户手机 发送报警信息等功能。本文从实际产品应用出发，讨论了该家庭能源监控器的详细设计过 程。 本文首先对课题的研究背景做了详细的调查和分析，介绍了目前国内外相关技术的发 展状况，介绍了一些同类型产品。然后对产品的需求做了仔细分析：其中包括硬件指标要 求和软件功能需求，并提出了几款设计方案，最后通过严密客观的对比，确立了本文的最 终系统实施方案。 紧接着本文介绍了设计方案的硬件实现。系统的硬件部分可分为两部分，一部分为核 心板设计，即包括最小系统所需的资源，为了加速开发进度由第三方提供；另一部分是系 统接口板设计，包括触摸屏、液晶屏、g s m 模块、以太网、串口、s d 卡，u s b 等外围接口 模块。在硬件设计完成并调试成功后，根据系统所需的资源，本文对嵌入式操作系统内核 进行了合理的配置，以及完成了相应驱动程序的编写。 接下来实现的是系统的应用软件部分，包括嵌入式g u i 的设计，m o d b u s 通讯协议的设 计，数据存放格式的设计以及各功能模块的实现和完善。详细介绍了大量的开发工作之后， 本文还对所遇到的技术难点进行了分析，提出了相应的解决方法，最后给出了系统的测试 结果。 最后，总结了项目的工作内容、研发体会和本文的主要创新点，并对产品改进做了展 望。 关键词：家庭能源监控器，太阳能，嵌入式系统，s 3 c 2 4 4 0 ，l i n u x 操作系统，人机交互 界面，多线程 a b s t m c t a b s t r a c t i i lt l l ee mo fe n e 唱y - s a v i n ga 1 1 dl o 、- c a r b o ne c o n o m y ，t l l e 咖d yo fs o l a re n e r g ) ，h a l sb e e n d i s c u s s e da r o u l l dt h ew o r l d h o m es o l a rp o 、e rs y s t e mi so n eo ft 1 1 ef 锄i l yu t i l i 够s o l a r p r o g r 锄s ，a i l dh o m ee n e 唱ym o i l i t o ri sa ni m p o r t a i l tc o m p o n e n to ft h es y s t e m a st h eu i l i q u e i i l t e r a c t i v et e n n i n a lb e t w e e nu s e r sa n dt h eh o m es o l a rp o w e rs y s t e m ，h o m ee n e r g ym o n i t o rc a j l n o t eu s e rh o wm u c he n e r g ) rr e c e i v e df b n nt h ep o w e rg i r d ，h o wm u c he n e r g yp r o d u c e db yt h e s 0 1 a rp a n e l sa n dm o n i t o re l e c t r i c i t yc o n s l l m p t i o no fv a r i o u sa p p l i 砌1 c e s ，w l l i c ha l s oc a nc o n t r o l e l e c 仃i c a la p p l i a n c e sa 1 1 ds e n dw 锄i n gm e s s a g e st 0u s e r sa l l ds oo n a c c o r d i n gt 0t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，t h et h e s i si r l t r o d u c e st h ed e t a i ld e s i 暑皿o ft h ed e v i c e t h ep a p e rf i r s td i s c u s s e st h er e s e a r c hb a c k g r o u l l d ，锄a l y z e st h ed e v e l o p m e mo fr e l a t e d 、o r l ( a th o m ea i l da b r o a d ，a i l di n t r o d u c e st h er e l a t e dp r o d u c t i o n sa b o u th o m ee n e r g ym o n i t o r t h e nt h ed e m a l l d s ：i n c l u d i n gs o r w a r er m c t i o na 1 1 dh 砌w a r er e q u i r m e n t s ，锄ed i s c u s s e di nt h e p a p e r a r e rp r o p o s i n gs e v e r a ld e s i g i l sa n dc o m p a r i n ga l lo ft h e m ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ef i n a l i m p l e m e n t i n gs c h e m e a c c o r d i n gt om ei m p l e m e n t i n gs c h e m e ，t h eh a r d w a r ed e s i g ni sd i v i d e di n t ot v s e c t i o n s ： o n ei st ：h ed e s i g no fk e m e lb o a r d ，w h j c hi n c l u d e st h er e s o u r c eo ft 1 1 em i l l i m 眦s y s t e m ，t h e 妇 i st h ed e s i g l lo fi o i n tb o a r d ，、h i c hi n c l u d e sa l lo ft h ep e r i p h e r a li n t e r f a c em o d u l e ss u c ha st o u c h p a i l e l ，l c d ，g s mm o d u l e ，e t h e m e t ，u a r t ，s dc a r d ，u s b a r e rd e s i g i l i n ga n dt e s t i n gt h e h a r d w a r e ，b a s e do nt l l en e e d e dr e s o u r c e ，t h ep a p e rg i v e sar e a u s o n a b l ek e m e lc u t t i n g ，a n d f i n i s h e st h ed r o g r 锄o fr e l a t e dd r i v e r t h e nt h ea p p l i a c a t i o ns o f h v a r ed e s i g ni si n t l o d u c e di nd e t a i l ，v i ，h i c hi n c l u d e st h ed e s i g no f g u i ，m o d b u sc o 舢m l m i c a t i o np r o t o c o l ，d a ：t as t o r a g ef o m l a ta n d 洲 1 e r 矗m c t i o nm o d u l e s f u r t h e m o r e ，t 1 1 ep 印e ra n a l y z e ss o m et e c h n i c a ld i m c u l t i e s ，a 1 1 dp r o p o s e sm ec o r r e s p o n d i n g s o l u t i o nm e t h o d s f i n a l l yi t 百v e st h et e s tr e s u l to ft h es y s t e m i i l 也ee n d ，t h ea u t h o r se x p 耐e n c ea n dt h ei n n 0 v a t i v ep o i n t s 甜ed e s c r i b e d ，a n dt l l e f 0 1 l o 谢n gr e s e a r c hw o r ki sd i s c u s s e di l la d d i t i o n k 叼州o r d s ：h o m ee n e r g ym o 血o r ，s o l a re n e r 鼢e m b e d d e ds y s t e m ，s 3 c 2 4 4 0 ，l i m l x o p e r a t i n gs y s t e m ，m a n - m a c l l i n ei n t e r f 如e ，m u l t i t h r e a d l i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 相关技术的研究现状2 1 3 本文研究内容和章节安排3 第二章家庭能源监控器需求分析及总体方案设计4 2 1 家庭能源监控器的功能需求分析4 2 1 1 系统需求4 2 1 2 硬件需求分析5 2 1 3 软件功能要求5 2 2 家庭能源监控器的总体方案设计6 2 2 1 控制器选择及方案设计6 2 2 2 基于华邦w 9 0 p 7 1 0 的方案设计7 2 2 3 基于华邦w 9 0 p 9 5 0 的方案设计7 2 2 4 基于三星s 3 c 2 4 4 0 的方案设计8 2 3 本章小结9 第三章家庭能源监控器硬件系统设计1 0 3 1 家庭能源监控器硬件整体结构设计1 l 3 2 核心板硬件介绍n4 | 1 l 3 2 1 控制器基本外围电路1 1 3 2 2s d r a m 1 2 3 2 3n a n df l a s h 1 3 3 2 4以太网芯片d m 9 0 0 0 a 1 3 3 2 5 其他相关连接1 4 3 3 接口板硬件设计1 5 3 3 1 电源电路1 5 3 3 2 串口扩展1 5 3 3 3g s m 模块1 8 3 3 4以太网接口1 9 3 3 5 温度采集调理电路n 6 1 1 9 3 3 6 液晶屏和触摸屏接口电路2 l 3 3 7s d 卡接口电路2 2 3 3 8u s b 主、从接口2 2 3 3 9g p l 0 接口2 3 3 3 1 0 电路的抗干扰设计2 3 3 4 本章小结2 4 i i i 目录 第四章家庭能源监控器驱动及操作系统设计2 5 4 1 家庭能源监控器驱动程序设计2 5 4 1 1 l i n u x 设备驱动程序2 5 4 1 2 触摸屏驱动设计与实现2 7 4 1 3u s bg a d g e t 2 8 4 1 4 液晶屏驱动设计与实现2 9 4 2 家庭能源监控器操作系统定制和移植乜5 1 3 2 4 2 1 家庭能源监控器b o o t l o a d e r 的更新和下载3 2 4 2 2 嵌入式l i n u x 操作系统版本选择3 2 4 2 3 交叉编译环境的建立3 3 4 2 4 添加设备驱动程序3 3 4 2 5 系统类型定制3 4 4 2 6 文件系统的定制3 4 4 2 7 设备驱动的定制3 5 4 2 8 交叉编译3 7 4 3 本章小结3 7 第五章家庭能源监控器软件系统设计3 8 5 1 软件结构3 8 5 2 图形用户界面模块设计3 9 5 2 1 关于l c d 接口函数简介4 0 5 2 2 关于控件的结构体4 0 5 3 m o d b u s 协议栈开发4 2 5 3 1 m o d b u s 协议介绍4 2 5 3 2 m o d b u s 协议栈设计思想聆钔4 2 5 4g s m 模块开发4 8 5 5 数据存放格式5 0 5 5 1 存储方式5 0 5 5 2 数据格式安排5 0 5 6 功能模块详细实现5 2 5 6 1 系统配置模块实现5 2 5 6 2 界面设置模块实现5 2 5 6 3 统计界面实现5 3 5 7 本章小结5 3 第六章测试和验收5 4 6 1 主要难点分析和解决5 4 6 2 家庭能源监控器系统测试5 5 6 2 1 系统测试环境的建立5 5 6 2 2 系统功能模块测试5 5 6 2 3 系统通讯协议测试5 6 6 2 4 系统稳定性测试5 6 结束语5 7 致 射5 9 参考文献6 0 t v 目录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文6 2 附勇乏6 3 v 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论 众所周知，能源在人们的日常生产、生活中起到了至关重要的作用，可以说人类的 活动根本离不开能源。特别是进入科学技术日新月异、工业生产迅猛发展、人口数量激增 的新时代，人们需要更多地从自然界获取煤，石油，天然气等能源来满足各种需求。但是， 自然界中所存在的能源数量是有限的，面对巨大需求和有限资源的矛盾，人们迫切需要找 到可行方案来解决这一难题。目前，人们找到了一些解决问题的方法和思路，比如开发新 能源、利用可再生资源、减少能源的消耗、提高能源的利用率等等，同时考虑到环境保护 的因素，人们更偏爱高效率、清洁、并能制止或减少有害物质的排放的方案。 如今，世界各国都在研究对太阳能的有效利用，这已是国际研究热点问题，可以预 见2 1 世纪内太阳能将成为全球主要能源之一。太阳能是最原始的能源，地球上几乎所有 其他能源都直接或间接来自太阳能，太阳能具有资源充足，长久，分布广泛，安全等优点， 对于环境保护来说它不产生任何有害气体和有害物质，是绿色能源。由于太阳能可以转换 成多种其他形式的能量，因此应用范围非常广泛。在热利用方面有太阳能温室、物品干燥 和太阳灶、太阳能热水器等n 1 。经过多年的开发，太阳能发电也得到了长足的发展。太阳 能发电系统将光能转换为电能的时候，不会像火力发电厂那样产生c 0 ：、酸性化合物等对 大气污染的物质，另外也不会产生振动、噪声等污染。同时，采用太阳能发电系统不仅产 生电力，又可减少对化石资源的消耗心1 。 正因此对太阳能发电系统的开发已被各国列为2 1 世纪推动能源结构优化的重要战略 途径。家用太阳能的逐渐兴起，体现了科技、社会进步，同时也是公民承担更多环境责任 的体现。近1 0 年来，美国许多州都在实施太阳能住宅工程，在2 0 0 6 年美加利福尼亚州开 始了“倡议太阳能”计划，给予大量财政补助来鼓励人们在房屋中使用家庭太阳能，该计 划目标是2 0 1 7 年前在加州建立供电量达到3 0 0 0 兆瓦的太阳能系统，以及2 0 1 5 年前加州 半数新建房屋采用太阳能供电。日本政府在2 0 0 7 年年末宣布，要大力普及家庭太阳能发 电，目标在2 0 3 0 年家庭采用太阳能发电由现在的约4 0 万户扩大到1 4 0 0 万户，相当于日 本全国家庭总数的约3 0 口1 。德国的“百万屋顶计划 使许多家庭不仅利用太阳能解决了 自家的能源使用，而且这些家庭还成为小型“私人电站，源源不断地向公共电网输送电 力，并获得一笔可观收入h 1 。不仅上述国家，世界其他各国都在雄心勃勃的推出自己的家 用太阳能计划。 家庭太阳能供电系统就是一种家庭实用太阳能方案，如图卜1 所示。该系统使用了 太阳能电池板提供部分家庭用电，通过能源监控器( 图中标号e ) ，用户可以清楚的知道 从外部电网获取了多少电能，向电力公司卖出了多少电能，家庭太阳能电池板产生了多少 查塑奎堂婴主堂竺丝茎 电能，同时还可附加监控各个家用电器的用电情况，并实现控制电器和向用户手机发送报 警信息等功能。该系统的使用，可帮助居民节省能源开支，同时起到保护环境的作用。 本课题针对此系统应用需求，研制开发出一套用于家庭太阳能供电系统的能源监控 器装置，其功能详见第二章。该项装置的研发有助于家庭能源监控系统的完整开发，促进 相关技术领域的发展，并对提倡太阳能使用、倡导节能减排，保护环境有着重要的意义。 1 2 相关技术的研究现状 椅太阳篾转化为盔滚电能 一 。1 。l e c o n o n a c o r d 升压嚣ll 可以对系统不足电压、系统过电匿、髑ll 波数异宪等觋象进学保护以及调整 l ，。k 。毹 接线箍 抱太阳能电池板的电线聚集在起缭逆变器提供龟力 太阳能u p s 机 。 把太阳麓电炮板产生的电力，转按为l 家庭用的交流电瓮= =滋 一- 太阳能发电显示羼慕 面一 、i 、电状况耗囊电、魏陵曩1 5 曹曩 发送信息 _ ) ) ；电状况以及为琢境l ；髟i ；鞠孺 。，! 做出的其体贡献数氍函赫；茹鞴 掘 住宅用分电盘h 国家庭用电器 。 露电买电鳆计量j i 电力公司 图卜1 家庭太阳能供电系统 太阳能巨大的市场潜力有力地吸引了众多厂商向太阳能建筑投资。美国、德国、日本、 荷兰，加拿大以及中东地区的2 0 多家石油、电力财团已向太阳能开发及商品化生产领域 投入了巨额资金。业界也普遍认为，太阳能住宅不但将是今后楼盘的一个极佳“卖点”， 而且还将是推进住宅产业现代化的驱动器h 1 。 澳大利亚一家名为i n t e g r a le n e r g y 的公司己开始销售合适于家庭和办公楼使用的、 可与大电网连接的太阳能成套设备。最小的太阳能成套设备发电出力为1 5 0 w ，占澳大利 亚普通家庭每年耗电量的5 ，每年可减少温室气体排放3 5 0 k g 。更大的太阳能发电设备出 力为2 5 k w ，完全能满足澳大利亚一般家庭的用电需求。目前，最大的太阳能发电装置出 力可达1 0 m w 。1 k w 的太阳能发电装置每年发电量为1 6 7 0 k w h ，这意味着在澳大利亚每年可 节省1 6 0 美元的电费。对于更大容量的太阳能发电装置，用户可将用不完的电力卖给电力 公司5 1 。 在国内，浙江省慈溪市天和家园住宅小区已经应用了峰值功率为4 3k w 屋顶太阳能并 网光伏发电系统儿刀。目前，天和家园住宅小区已被国家住宅与居住环境工程技术研究中 心授予太阳能建筑示范工程；在上海，第一套实际应用并获准并网的5 0 k w 太阳能光伏发 电系统落户新江湾城体育中心，并调试成功阳1 ；近日，无锡尚德宣布其承建的2 0 1 0 年上 海世博会主题馆和中国馆3 1 2m w 太阳能光伏发电系统完工，并成功并网为上海供电。 在家庭能源监控方面，各大公司和科研机构纷纷加入到家庭能源监控系统的开发研制 中。微软推出了h o h m 家庭能源监控网站，g o o g l e 推出了免费的用电量追踪网站 p o w e r m e t e r ，但还只是停留在信息监控，而没用具体能源产生的整体方案。 2 第一章绪论 日本的京瓷公司设计出了住宅用太阳能并网发电 系统。该系统目前已经安装在广州凤凰城别墅的独立 兼并网发电系统。该系统已经开始并网发电，日平均 发电量为1 8 2 0 度，可以满足整栋别墅的日常照明 所需用电，这套系统将作为一个示范工程，提高人们 的环保意识呻1 。其太阳能监控器如图卜2 所示。 夏普公司将于2 0 1 0 年4 月推出能在家中确认家用 太阳能发电系统运行状况的电子监控器，可随时掌握 发电系统的发电状况及向电力公司出售的电量。夏普 还将开启一项新服务，将监控器收集到的数据加以管理， 并免费通过网络向客户提供二氧化碳的削减量等环保相 关信息，顾客通过手机及电脑便可查询n 引。电子监控器 图卜2 京瓷公司e n e r g ym o n it o r 如图卜3 所示。图卜3 夏普公司e n e r g ym o n i t o r 国内的家庭能源监控器的相关设计开发还处在起步阶段。需要投入较大的人力，物力 来开发具有独立知识产权的设备。本文根据家庭能源监控器的需求，独立设计、并完成了 样机开发，希望逐步缩小同国外同类产品的差距，为国内太阳能事业的蓬勃发展贡献一份 力量。 1 3 本文研究内容和章节安排 本文主要介绍了家庭能源监控器的总体方案设计、硬件与软件的设计与实现。文章具 体章节安排如下： 第二章提出了项目需求，并结合需求进行了家庭能源监控器总体方案设计。 第三章详细介绍了家庭能源监控器硬件系统设计。 第四章论述了家庭能源监控器主要驱动模块的编写以及操作系统的裁剪和移植。 第五章详细介绍了家庭能源监控器软件系统设计。 第六章详细介绍了开发过程中主要难点问题的分析和解决以及系统测试。 最后是对项目的工作总结，并对家庭能源监控器的进一步改进发展做了展望。 东南大学硕士学位论文 第二章家庭能源监控器需求分析及总体方案设计 2 1 家庭能源监控器的功能需求分析 家庭能源监控器是家庭能源监控系统的重要组成部分，它可以掌握当前从电网接收的 电能数据，通过和一组太阳能逆变器的数据通信可以掌握太阳能逆变器装置吸收太阳能后 转化产生的电能数据，通过和家庭各个家用电器的数据通信可以掌握其用电情况并可对其 控制，同时可以将所有数据信息存储、统计并在监控屏上显示。另外，它还具有丰富的通 信方式，可以与p c 机通过以太网或u s b 方式进行连接，可插u 盘、s d 卡等存储设备，如 遇报警等情况可通过g s m 模块发送手机短消息，预留r f 模块接口等。 2 1 1 系统需求 本课题开发的家庭能源监控器是与某外资公司合作开发的，是其家庭能源监控系统项 目的一个重要组成部分，根据项目要求，家庭能源监控器必须实现数据通信、屏幕显示、 数据存储等一系列复杂功能，现将各功能部分分别加以说明，其功能示意图见图2 1 。 图2 1 家庭能源监控器功能示意图 从上面的功能示意图，可以看出系统所包含的功能模块： 数据采集和通信 家庭能源监控器需要与家用电器、电源电表、太阳能逆变器进行数据通信从而采集数 据获得当前设备的信息。目前的通信方式采用r s 4 8 5 方式，协议采用m o d b u s r t u 传 输方式。另外，如果家用电器，电源电表，太阳能逆变器本身带有r f 模块，则监控 器与设备之间采用r f 模块进行无线通信，预留此接口。 良好的人机交互 本家庭能源监控器采用液晶屏和触摸屏来实现人机交互，屏幕显示人机界面、统计图、 曲线等用户图形界面，触摸屏用来接收用户的触摸信号，触发触摸响应，使用户操作 直观便捷。 报警功能 可以通过蜂鸣器实现异常情况时对用户的警醒。同时还有g s m 模块，该模块丰富了家 庭能源监控器的报警功能，如果电器设备，太阳能逆变器发生异常等情况，g s m 模块 4 第二章家庭能源监控器需求分析及总体方案设计 会向指定的用户发送短消息，警示用户当前的系统情况。 u s b 通信 该功能使得家庭能源监控器可以通过u s b 数据线与p c 机进行数据通信，丰富了设备 数据通信功能。 以太网功能 家庭能源监控器需要以太网通信功能，为以后能接入互联网做预留。 可外接存储设备 如s d 卡存储电量数据信息、电子图片等，u 盘实现数据的备份。 其他功能 其他的一些附加功能包括：室内环境温度采集，监控器盒内温度采集，实时时钟显示。 2 1 2 硬件需求分析 根据家庭能源监控器的功能需求，其硬件设计的具体需求如下： 采用6 4 0 x 4 8 0 分辨率、带触摸屏功能的彩色液晶屏 以太网接口，速率为1 0 m 及以上 u s b 主、从功能可分别与u 盘和p c 机相连 串口( 达到6 个，一路用作调试，一路用作与g s m 模块通信，两路分别与家电类和太 阳能逆变器类以r s 4 8 5 方式通信，两路做r f 模块预留) 及j t a g 接口 电源电路，使用参数为1 2 v d c 1 3 5 a 1 6 w 的电源适配器，需要产生3 组( 5 v 4 v 3 3 v ) 电压值，需要内部熔断丝的保护 实时时钟，时钟电池 3 2 m 的s d r a m ，3 2 m 的n a n df l a s h 丰富可扩展的i 0 接口资源 根据已设计成型的外壳经行硬件布局设计，尺寸规格：13 2 咖木1o o 咖 2 1 3 软件功能要求 图2 2 应用软件界面需求图 应用软件功能和主要界面需求包括： 系统配置模块：实现家庭能源监控器的各项配置，初始化系统。 主监视界面：通过图表或曲线显示电网利用的电量，显示家庭或小型商户使用的电量， 显示太阳能系统产生的电量。 东南火学硕士学位论文 交流电网监控界面：显示电网电压，电流，功率，某一天某时的最大最小电网电压 和电流，和目前电网所提供的能量。 家用电器监控界面：显示当前全部和每一个家用电器所消耗的功率和当前功率因数， 每个电器当天所消耗的能量。 太阳能逆变器界面：显示每个逆变器的当前输出电压，电流，功率，当前产生的总电 流和总功率。 界面设置：可以针对主监视界面，交流电网监控界面，家用电器监控界面，太阳能逆 变器界面中的内容进行设定。 数据统计显示：统计并可选显示每时、每天、每月或每年的监控数据。 时钟和日历：显示当前日期和时间，支持用户设定时钟。 电子相册：当选中电子相册模式，s d 卡里选中的文件夹的数码照片显示。 应用软件界面需求图，见图2 2 。家庭能源监控器是人与家庭监控系统之间的沟通的 桥梁，为了让用户得到有效、直观、简易的操作，必须对软件性能及功能提出高的要求， 它也是人们的视觉直观感受，因此在软件上实现人机界面设计的美观程度直接影响用户的 购买欲。同时，人机界面是为功能服务的，人机界面的研究应该围绕着功能实现来展开。 针对使用特点上的性能和友好的交互性，另外还对软件设计提出了下列要求： 多线程的软件结构 相对于多进程来说，对性能不高，硬件资源相对紧张的嵌入式系统来说，多线程具有 很好的优势，占用资源少，切换速度快，使各功能模块可以类并行工作。 多语言多风格的显示 对于系统的设计，不能只停留在单一的语言和风格，从长远的市场出发，提出了多国 语言、多风格显示的需求，这样不但可以满足不同国家的操作人员的需求，也可以满 足用户不同喜好的需求。 良好的系统开放性 提供良好的软件开放性，便于软件功能的添加，修改和升级，是软件编写中值得注意 的部分。对于本系统的开放性需求，可以预留很多软件接口，方便以后的软件功能扩 展和升级，如4 8 5 通信协议的选择等。 2 2 家庭能源监控器的总体方案设计 根据上述对家庭能源监控器的需求分析和功能指标，设计方案的系统功能结构需参考 图2 3 。 2 2 1控制器选择及方案设计 家庭能源监控器的硬件设计总体上采用核心板( 最小系统板) + 接口底板的方式构成， 这样既节省成本，又便于维修拆卸，硬件升级。 嵌入式处理器种类繁多，有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等多种处理器架构。a r m 处理器的开 发文档丰富，而且国内研发者大多都在用a r m 处理器进行研发，可共享参考资源非常多， 因此选用a r m 系列处理器进行开发是很好的选择。目前，a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 公司已经将内核的设计技术授权给百家半导体厂商，做成不同的处理器芯片。a r m 系列的 处理器根据内核版本的不同，已经有a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l l ，c o r t e x ，s e c u r c o r e 等系 列的产品，各大半导体公司根据不同的应用目标，设计外设资源从而生产了多种微控制器。 如何在种类众多的控制器中，选择合适的微控制器来构建系统，是项目进行的关键所在。 下面介绍了三款a r m 处理器，并尝试用其构建家庭能源监控器，通过方案对比，选择更为 适用的设计。 6 第二章家庭能源监控器需求分析及总体方案设计 厂- u p ”o 型一 图2 3 系统结构图 2 2 2 基于华邦w 9 0 p 7 1 0 的方案设计 华邦w 9 0 p 7 1 0 介绍 华邦取得了a r m 公司的完整授权，推出功能强大的w 9 0 p 7 1 0 w 9 0 n 7 4 5 泛应用型单芯片 与整体解决方案，同时规划了全系列的s o c 方案，以满足客户产品长期规划的需求。华邦 w 9 0 p 7 1 0 w 9 0 n 7 4 5 采用a r m 的a r m 7 t d m i 为处理器核心以及0 1 8 u m 技术，标准操作频率可 达8 0 m h z ，并采用1 7 6 一p i n 1 2 8 一p i n l q r f 封装，具有省电与低成本的优势，内建一个 e t h e r n e tm a c 。此外，w 9 0 p 7 1 0 w 9 0 n 7 4 5 还整合了u s b l 1h o s t d e v i c ec o n t r o l l e r ，让各 种应用可以透过u s b 接口连接各种计算机周边产品，增添了产品的整体附加价值。 w 9 0 p 7 1 0 w 9 0 n 7 4 5 内建的4 k b y t e si c a c h e 和4 k b y t e sd c a c h e ，也可以随产品开发人员 的需求，设定为0 n c h i pr a m u “。 w 9 0 p 7 1 0 w 9 0 n 7 4 5 整合具高度弹性的朗i ( e x t e r n a lb u si n t e r f a c e ) 接口，可通过e b i 访问r o m 、f l a s h 、s d r a m 、p c m c i ac a r d 等各种i o 组件。w 9 0 p 7 1 0 支持了高分辨率的t f t 、 s t nl c dc o n t r 0 1 1 e r 。除了u s b 和e b i ，w 9 0 p 7 1 0 w 9 0 n 7 4 5 也留有u a r t 接口，可以让客户 设计各种应用时，连接更多设备，比如条形码扫描仪、v f d 模块、调试口及b l u e t o o t h 模 块等，w 9 0 p 7 1 0 w 9 0 n 7 4 5 除了p o s ( p o i n t o f s a l e ) 运用外，也适用于数据采集器( d a t a c 0 1 1 e c t o r ) 、电子相框等需要用到l c dd i s p l a y 的产品。 基于华邦w 9 0 p 7 l o 的整体设计 核心板大小为8 0 嗍x 9 0 咖，采用四层布线，总线及信号采用6 m i l 布线，地线与电源线 宽，达到4 0 m i l ，两角有安装固定孑l 。该核心板部分有w 9 0 p 7 1 0 w 9 0 n 7 4 5 ( c p u ) + w 9 8 6 4 1 6 e h ( s d r a m ) x 2 + w 1 9 b l 3 2 0 s ( n o rf l a s h ) + h y u s 0 8 1 2 l a + 晶振+ r t c 掉电保护+ 信号引出插针，从 性能上来看，类似于一个s o c ，s d r a m 共1 6 m ，可继续扩容至6 4 m ，n a n df l a s h 容量大小为6 4 m 。 该方案的不足之处是，管脚功能复用较多，硬件资源相对紧张，i o 资源不足，需要 外扩一些i o 资源，控制器不带a d 功能，需增加a d 转换芯片，这样增加了产品的生产 成本，而且由于液晶控制器的高位数据线与s d 卡控制器复用相同的芯片管脚，所以只能 支持1 2 位色深以下的液晶显示屏，这样会影响到用户使用的视觉效果。 2 2 3 基于华邦w 9 0 p 9 5 0 的方案设计 华邦w 9 0 p 9 5 0 介绍 华邦w 9 0 p 9 5 0 是基于a r m 9 2 6 e j s 内核设计的1 6 3 2 位r i s c 结构，并提供8 k b y t e 7 东南大学硕士学位论文 i c a c h e 、8 k b y t ed c a c h e 、以及栅u ( 内存管理单元) 的低功耗、多用途的集成电路。 它内含一个1 0 1 0 0 m b 以太网m a c 控制器以减少设计成本，以及一个t f t 类型的液晶控制 器和2 d 图形引擎，非常适合高端，高性能，低功耗通用产品设计。 其他内部资源包括两通道音频接口，u s b 2 0 全速主、从接口，s d 卡等存储控制器，4 通道的p w m ，u s i ，1 2 c ，键盘扫描等控制器，资源非常丰富n 引。 基于华邦w 9 0 p 9 5 0 的整体设计 核心板大小为116 i i l 玎l x 9 5 哪，采用四层布线，该核心部分w 9 0 p 9 5 0 ( c p u ) + w 9 8 6 4 16 a h ( s d r a m ) x 4 + w19 8 3 2 0 a b t ( n o rf l a s h ) + k 9 f 5 6 0 8 u o d ( n a n df l a s h ) + 晶振+ r t c 掉电保护+ 信号引出插针。 该方案的硬件资源基本满足，液晶屏控制器支持2 4 位色深的液晶显示器且具有2 d 图 形加速功能，可以显示更多色彩的画面，增强了视觉效果。但是仍需要外扩一些i o 资源， 增加a d 转换芯片，使外扩电路不够简洁，增加了部分成本，而且该核心板尺寸较大，不 便于与底板接插。 2 2 4 基于三星s 3 c 2 4 4 0 的方案设计 三星s 3 c 2 4 4 0 介绍 三星s 3 c 2 4 4 0 a1 6 3 2 _ b i tr i s c 微控制器是为低功耗，高性能，通用或手持设备专门 设计的。它是基于a r m 9 2 0 t 内核，0 1 3 u mc m o s 标准工艺制作，提供了一系列通用系统所 需的外设，极大的缩小了系统成本。 硬件资源非常丰富包括，1 6 k bi c a c h e 1 6 k bd c a c h e 埘u ，e m c ( e x t e r n a lm e m o r y c o n t r 0 1 1 e r ) 总共支持1 g b y t e s ，l c d 控制器，3 通道u a r t ，s d 控制器，u s b 主从控制器， 8 通道l o - b i ta d c 和触摸屏接口，r t c 日历，1 3 0 个通用i o ，2 4 路外部中断源，还有4 通道d m a 控制器，2 通道s p i ，i i c 总线接口，i i s a c 9 7 音频接口，4 通道p 1 j l m ，照相 机接口等，支持n o r n a n df l a s h ，e e p r o m 等引导，时钟频率高达4 0 0 洲z n 引。 基于三星s 3 c 2 4 4 0 的整体设计 i 割2 4y c 2 4 4 0 一f c o r e v 5 1 核心板 核心板采用北京扬创科技有限公司生产的y c 2 4 4 0 一f c o r e v 5 1 核心板，如图2 4 所 示。该核心板采用6 层板工艺，具有极佳的电气性能和抗干扰性能。核心板的外边缘尺寸 也仅有：6 5 5 舢6 9 5 舢，外扩了1 3 6 p i n 管脚，充分扩展了s 3 c 2 4 4 0c p u 的硬件资源， 将能用的管脚基本引出。核心板上面已经将复位电路，d m 9 0 0 0 a 网卡电路，j t a g 电路， 以及u s b 主从口、s d 卡等等相关的电阻电容都设计在上面，方便了用户自己设计底板， 非常合适用户自己根据产品的需求，扩展一个符合自己产品需求的产品扩展板。 下面对上述三种方案资源进行对比，如图2 5 所示。 8 第二章家庭能源监控器需求分析及总体方案设计 ；资源对比 影；“移嬲影鬻缓缓溺溺嬲瓣獭黝嬲缓嬲麟缓戮缀戮燃瓣黝瓣瀚圈 翼一铡器鼋 有，但信号线复用有有 太喇固 有有无 啪瓤嘲 有有有 霪脚控错嚣冀 支持从设备支持主，从设备支持主、从设备 錾u 脚翥 3 个3 个3 个 睡a d c 霭 无无有 鲞定霹瓣囊 4 个 5 个4 个 錾一霭 2 通道4 通道4 通道 幽 功能很多，但资源很2 d 图形加速引肇a c 9 7 ，1 2 s 控制器 多复用 a c