具有以太網(wǎng)接口的電量變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文分析了工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了一種基于改進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)多功能電量變送器的設(shè)計(jì)方法。該裝置采用MSP430F149和AT89S58并行處理技術(shù)，通過以太網(wǎng)發(fā)送電流、電壓、有功、無功等實(shí)時(shí)測量值。測試表明，該變送器能夠準(zhǔn)確無誤的把測量數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，并由管理軟件界面顯示出來。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；實(shí)時(shí)；電量變送器；MSP430F149；UDP/IP

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Ethernet Interface With The Transmitter Power Of The Design

And Implementation

LUO Yi-liang

（Jiangxi yichun univesity yichun Jiangxi 336000，China）

Abstract:This paper analyzes the advantages and disadvantages of industrial Ethernet systems， introduced an improved industrial Ethernet-based multi-function power of the transmitter design. MSP430F149 use of the device and AT89S58 parallel processing technology， Ethernet send current， voltage， active power， reactive power， and other real-time measurements. Testing shows that the accuracy of the transmitter to send data to the PC， and management software interface displayed.

Key words:Ethernet;Real-time ; Transmitter power; MSP430F149 ; UDP/IP

近年來，由于國際現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作沒有達(dá)到人們理想中的結(jié)果，以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)逐步在自動(dòng)化行業(yè)中得到應(yīng)用，并發(fā)展為一種在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，并且在材質(zhì)選用、產(chǎn)品強(qiáng)度和適用性方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場需要的工業(yè)以太網(wǎng)。

但是，工業(yè)以太網(wǎng)采用的介質(zhì)訪問控制方式是CSMA/CD（即沖突檢測載波監(jiān)聽多點(diǎn)訪問），它的本質(zhì)是非實(shí)時(shí)的，這個(gè)就決定了工業(yè)以太網(wǎng)的非實(shí)時(shí)性。因此以太網(wǎng)是否可以向下延伸，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場儀表設(shè)備一直是近年來工控行業(yè)的一個(gè)爭論焦點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。

本文給出了一種具有以太網(wǎng)接口的電量變送器的設(shè)計(jì)方法。該裝置采用雙CPU，在通過對通信協(xié)議的合理簡化以及加入可靠性策略，來解決工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)問題，并且代替工業(yè)總線傳輸模式［1］。

1 硬件設(shè)計(jì)

該電量變送器主要由互感器測量、頻率測量、CPU數(shù)據(jù)處理和以太網(wǎng)通信控制4部分組成［2］。硬件系統(tǒng)中采用了雙CPU并行處理技術(shù)，其中CPU1為低功耗16位單片機(jī)MSP430F149，CPU2為8位單片機(jī)AT89S58，以太網(wǎng)控制芯片為Realtek半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的帶有PNP功能全雙工的RTL8019AS。其原理框圖如圖1所示：

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分由模擬量輸入電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路組成。大信號三相交流量經(jīng)過電流型電壓和電流互感器后再通過信號調(diào)理電路進(jìn)行低通濾波和信號變換。由于MSP430F149片內(nèi)的ADC12為單極性且正端參考電壓源選擇3.3V，負(fù)電壓源為0V，因此輸入信號電平應(yīng)為0～3.3V。本設(shè)計(jì)中采用運(yùn)放升壓電路作為信號調(diào)理電路，提高輸入信號的零點(diǎn)位置。在設(shè)置ADC采樣通道順序時(shí)，交替采集電壓和電流，可以減少各相的相位誤差。

1.2 測頻

本設(shè)計(jì)采用的是硬件測頻技術(shù)，測量A相電壓的頻率。將經(jīng)過調(diào)理后的交流小信號輸入MSP430F149內(nèi)部比較器，與內(nèi)部參考電壓發(fā)生器輸出0.25Vcc進(jìn)行比較，比較器輸出的方波信號送至工作于捕獲模式的定時(shí)器。定時(shí)器在方波的上升沿開始計(jì)算，在下一個(gè)上升沿到來時(shí)將計(jì)數(shù)值復(fù)制到寄存器CCRx中，該計(jì)數(shù)值對應(yīng)于工頻的周期，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可得到工頻頻率。

硬件測頻相對于軟件測頻精度更高，根據(jù)頻率的變化能夠及時(shí)修正采樣頻率，保證全波傅立葉算法的精度和整個(gè)測量系統(tǒng)的精度。

1.3 MSP430F149與AT89S58通信

兩者通信的硬件電路如圖2所示：

MSP430F149與AT89S58通過SPI接口進(jìn)行串行通信。MSP430F149采用三線SPI操作，作為從機(jī)；AT89S58為主機(jī)，使用串行通信口RXD和TXD，TXD是用于產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，RXD和SIMO、SOMI連在一起。為了避免在RXD上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沖突，采用了兩片帶方向選擇和使能端的三態(tài)門74LS245的芯片來控制RXD上的數(shù)據(jù)方向。

當(dāng)MSP430F149有發(fā)送請求的時(shí)候，將P3.0作為輸出口置為0，U3的DIR和OE都為低電平，74LS245芯片的數(shù)據(jù)流向?yàn)锽->A，即SOMI->RXD。當(dāng)AT89S58檢測到P1.3輸入口為低電平時(shí)，就在軟件中屏蔽AT89S58的發(fā)送功能，進(jìn)入接收程序。那么AT89S58發(fā)送請求時(shí)，過程與以上相同，此時(shí)，74LS245芯片上的數(shù)據(jù)流向?yàn)锳->B，即RXD->SIMO。

考慮到MSP430F149的工作電壓為3.3V，而AT89S58工作電壓為5V，所以在MSP430F149接收數(shù)據(jù)時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在圖2.8中，此電壓的轉(zhuǎn)換由74HCT08完成。74HCT08是四與門，具有TTL電平輸入的5V COMS芯片。

1.4 以太網(wǎng)通信控制

通信控制部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。RTL8019AS是網(wǎng)絡(luò)接入的常用芯片。采用8位總線方式，即IOCS16B腳用27K(電阻下拉接地，復(fù)位上升沿時(shí)鎖定其電平。因此低八位SD~SD7接AT89S58 P0的8位數(shù)據(jù)總線D0~D7，其它高8位數(shù)據(jù)線懸空。由于RTL8019AS沒有外接初始化的EPROM，故其復(fù)位時(shí)命令寄存器（CR）的I/O地址的值為缺省值0X300，所以，為滿足RTL8019AS的ISA時(shí)序，A5~A19的連接必須使其地址鎖定在0X300，否則，無法訪問到RTL8019AS的寄存器。RTL8019AS除了與單片機(jī)相連外，在管腳61、62、63上接三個(gè)LED，讓它們分別以瞬時(shí)閃爍來指示網(wǎng)絡(luò)傳送發(fā)送沖突、網(wǎng)絡(luò)接收正常和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送正常。以此，可以快速的判斷網(wǎng)卡的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)如何。除此之外還在其網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的四根引腳TPOUT+、TPOUT-、TRIN+、TPIN-接外部脈沖變壓器FB2022，通過它與以太網(wǎng)相連，來提高網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力［3］。

2 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要由主程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序、SPI串口通信、顯示程序以及通信程序構(gòu)成。在這里只介紹SPI串口通信和以太網(wǎng)通信程序。

2.1 SPI串口通信

MSP430F149和AT89S58都采用中斷方式發(fā)送并接收數(shù)據(jù)［4］。由于SPI串行口只傳輸8位數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)中，AT89S58的串行接口設(shè)置為工作方式0，波特率為振蕩器頻率/12=22M/12=1.8MHz，即TXD的頻率固定為1.8MHz。同步移位時(shí)鐘脈沖從TXD引腳上輸出，數(shù)據(jù)從RXD引腳上接收和發(fā)送。

在這里得注意，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，AT89S58數(shù)據(jù)是低位在前、高位在后，而SPI數(shù)據(jù)是高位在前、低位在后，因此軟件編程時(shí)必須在SPI發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)后，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)或接收到的數(shù)據(jù)反序排列。MSP430F149和AT89S58流程圖如圖4、圖5所示。

2.2 以太網(wǎng)通信

嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)前，首先要分配RTL8019AS的收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，對工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。當(dāng)主程序響應(yīng)RTL8019AS的中斷時(shí)，在ISR入口，根據(jù)ISR寄存器的值來確定程序走向［4-5］。其流程圖如圖6所示。

設(shè)計(jì)中的通信協(xié)議沒有采用常用的TCP協(xié)議。因?yàn)門CP協(xié)議是面向連接的，為了保證傳送的可靠性，需要通過三次握手法來建立連接，這就在傳送過程中有一定的時(shí)延。因此，設(shè)計(jì)中在傳輸層采用UDP協(xié)議，并在UDP協(xié)議之上添加了可靠性策略來保證數(shù)據(jù)正確到達(dá)，即在發(fā)送序列中和接收序列號中定義了一種數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制。發(fā)送數(shù)據(jù)的進(jìn)程為發(fā)送報(bào)文賦予了發(fā)送序列號，發(fā)送序列號代表了發(fā)送的有效數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)的起始位置。對于第一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，它的發(fā)送序列號可以任意選取，后續(xù)的數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送序列號就應(yīng)該是前面的發(fā)送序列號加上數(shù)據(jù)長度，例如設(shè)計(jì)中定義：

#define seq1 0x0000 0001 //起始序列號

#define DataSize 0x64//數(shù)據(jù)長度

則seq2=seq1+DataSize=0x0000 0065

而接收序列號則表示的是接收方接收到數(shù)據(jù)后發(fā)回給發(fā)送方的確認(rèn)序列號，它的值應(yīng)該是接收方期望接收到的一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的起始地址，即seq1的返回序列號ack1=seq2。接收序列號的表示接受方確認(rèn)接收到了發(fā)送方送來的若干個(gè)數(shù)據(jù)，并且希望發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中通過超時(shí)重傳和丟失重傳的重傳機(jī)制保證接收方以最大的概率接收到發(fā)送方的數(shù)據(jù)。

3 管理軟件界面顯示

PC機(jī)管理軟件界面如圖7和圖8所示：

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的變送器采用MSP430F149，MSP430F149豐富的外圍功能模塊簡化了外圍電路，降低了成本，同時(shí)，精簡了的UDP/IP協(xié)議棧上加入了實(shí)時(shí)協(xié)議，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性。

參考文獻(xiàn)

［1］專祥濤，韓小琪等.一種微機(jī)智能電量綜合變送器［J］.繼電器，2002(1):34-37.

［2］沈建華，楊艷琴等.MSP430系列16位超低耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.清華大學(xué)出版社，2004.

［3］萬靜華，丁亞軍.以太網(wǎng)控制器的嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001(12):17-19.

［4］李志春.單片機(jī)技術(shù)在智能交流接觸器實(shí)時(shí)調(diào)控中的應(yīng)用研究［J］.船海工程，2007(1):82-85.

［5］刑國穩(wěn)，虞哲明.實(shí)時(shí)控制協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.控制系統(tǒng)，2005(6):57-60.