基于MSP430F149單片機的智能遠傳三相電表設計

陳曉龍，裘友鳳

CHEN Xiao-long1，QIU You-feng2

（1.江西旅游商貿職業學院，南昌 330100；2.江西交通職業技術學院，南昌 330013）

1 智能遠傳三相電表硬件總體設計思路

智能遠傳三相電表作為一種以網絡為通道的遠程自動抄表系統，具有實時性好、測量準確、成本低、便于管理等優點，將逐步成為電能表發展主流。

該智能遠傳三相電表以MSP430F149單片機為核心控制處理器，采用專用計量集成電路芯片CS5460A作為三相電能采樣與數據處理，完成傳統的三相電表功能；并通過ENC28J60芯片與主控制器連接實現數據遠傳功能。

系統硬件組成及結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件組成及結構系統框圖

該項目的硬件電路設計主要包括四個部分內容：1）單片機控制系統；2）三相電能采樣與數據處理電路；3）ENC28J60芯片與主控制器通信電路；4）實現各功能要求所必需配置的外部設備，如按鍵、顯示器等。

項目設計內容及實施方案：

1）設計內容

（1）基于MSP430F149單片機的控制系統設計；

（2）采用集成芯片CS5460A實現電能檢測與計量設計；

（3）基于ENC28J60以太網控制器的網絡通信設計；

（4）基于SPI的多芯片網絡通信設計。

2）實施方案

本項目設計采用MSP430F149單片機為核心控制處理器的三相電能表的硬件結構；集電量參數監測計量與顯示一體化，電量參數監測采用專用測量芯片CS5460A,采用128×64點陣液晶顯示器。該項目網絡通信采用ENC28J60以太網控制器技術；使本產品具有集成化程度高、功能強、系統結構簡單、成本低、抗干擾能力強、功耗低等優點，滿足電能智能化管理要求。

2 各功能模塊的具體電路設計

本項目智能遠傳三相電表整個硬件系統電路主要包括MCU控制電路、電能檢測與數據采集電路、工作電源電路、顯示電路和以太網接口電路。MSP430F149主控制器通過I/O口模擬SPI串口通信對三片電能測量專用芯片CS5460A的采集電量進行讀取，并通過自帶SPI串口與ENC28J60以太網控制通信進行數據遠傳。其硬件系統結構圖如圖2所示：

圖2 智能遠傳三相電表系統硬件結構圖

1）基于MSP430F149的智能遠傳三相電表控制系統設計

本智能遠傳三相電表以MSP430F149單片機為核心控制處理器，采用三片專用計量集成芯片CS5460A作為三相電能采樣與數據處理，并通過MSP430F149模擬SPI串行口與之通信，完成三相電能的數據檢測與采樣功能；另外MSP430F149單片機通過自帶SPI串行口與ENC28J60芯片連接實現數據遠傳功能。

如圖2所示，MSP430F149單片機與專用計量集成芯片CS5460A因工作電壓不一致，它們之間需加電平轉換電路進行連接。MSP430F149單片機有內置液晶驅動模塊，可以直接驅動LCD顯示。

本項目設計選用的MSP系列單片機MSP430F149，集成了多種功能模塊，包括定時器、模擬比較器、多功能串行接口（SPI/UART）,看門狗定時器，I/O端口等。

2）采用CS5460A芯片設計的電能檢測與計量硬件電路

電能測量專用芯片CS5460A是一種測量單相能量的芯片,本項目采用三片CS5460A芯片組合使用來完成電網中三相電量的檢測與采樣。設計方法如圖2所示：采用CS5460A芯片實現電能檢測與計量的硬件電路中，電力線與CS5460A之間是隔離的。電氣隔離通過3個變壓器實現。一個是普通的變壓器，用于提供CS5460A板 上的直流電源。一個是高精度、低阻抗的變壓器，在較高的諧波下也具有很小的衰減和相位延遲。一個電流互感器用于測量電源線電流，一個電阻跨接在電流互感器的次級，對CS5460A 的電流通道產生電流感應的電壓信號。由于CS5460A不直接接在電源線上，因此其數字接口不需隔離。

3）基于ENC28J60芯片的以太網硬件電路設計

ENC28J60與主控制器通信連接采用的是SPI接口。由于ENC28J60通信要求實時性好,固本設計采用MSP430F149單片機自帶SPI接口單獨進行串行通信。

本智能三相電表采用了基于ENC28J60芯片實時以太網進行數據傳輸的設計方法。該裝置在MSP430F149單片機上植入TCP/IP協議棧，通過對協議的合理簡化以及加入優先報文機制來解決工業以太網的實時問題，并且代替工業總線傳輸模式，同時又可根據預定限值實時進行邏輯判斷以監測被測系統的數據變化。

以太網接口則主要由ENC28J60、網絡變壓器、RJ45接口構成。信號調理部分用于處理傳感器提供的測量信號。其接口硬件連接及單片機MSP430F149和ENC28J60的接口電路如圖3所示。

圖3 ENC28J60與MSP430F149接口電路

ENC28J60和MSP430F149的工作電壓同為3.3V，電路中省去了電平轉換的需要。圖3中，MSP430F149采 用 三 線SPI操 作，UCLK、SOMI、SIMO分 別 連 接 ENC28J60的 SCK、SI、SO腳。ENC28J60的CS腳有同步串行通信的功能，接MSP430F149的一根I/O口P3.0。

3 軟件設計

1）MSP430F149軟件結構

本智能遠傳三相電表項目的軟件系統主要由MSP430F149主控制程序、CS5460A數據采集與處理程序、和ENC28J60以太通信程序三部分組成。并包含鍵盤、顯示器等外部設備的驅動等輔助程序。

MSP430F149的主程序框圖如圖4所示。

圖4 MSP430F149主程序流程圖

2）管理軟件界面顯示

PC機人機對話管理軟件界面本項目采用了可視化語言VB程序進行設計。設計了友好的人機對話界面。如圖5所示：

圖5 PC機人機對話管理軟件界面

4 結束語

本項目完成了基于MSP430F149單片機為核心控制處理器的智能遠傳三相電能表的硬件結構和軟件流程設計。該項目集電量參數監測計量和顯示于一體，具有集成度高、功能強、成本低、抗干擾能力強、功耗低等優點，滿足了電能智能化管理要求。該項目采用了基于ENC28J60芯片最小實時以太網控制器進行數據傳輸的設計方法；不但實現了與主控制器通信實現數據遠傳功能，而且降低了成本，精簡了的TCP/IP協議棧上加入了實時協議，增強了實時性。可以方便地實現實時監測、高速數據采集、查表打印、系統監控等功能，是電能表集抄未來發展的一大趨勢。

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