【正文】 1 第 1 章 基于以太網(wǎng)的智能用電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 .......................................................... 2 總體框架 ......................................................................................................... 2 設(shè)計原理 ......................................................................................................... 2 模塊設(shè)計 ......................................................................................................... 3 電源模塊設(shè)計 ...................................................................................... 3 CS5460A 模塊 ...................................................................................... 4 LPC2148 最小系統(tǒng) .............................................................................. 5 ENC28J60 模塊 .................................................................................... 7 軟件設(shè)計 ......................................................................................................... 7 LPC2148 初始化 .................................................................................. 7 CS5460A 配置 ...................................................................................... 8 ENC28J60 配置 .................................................................................. 10 EEPROM 讀寫測 試 ........................................................................... 10 CS5460A 的偏置校準(zhǔn)與增益標(biāo)定 .................................................... 11 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解析 .................................................................................... 12 操作系統(tǒng)任務(wù)與軟件流程 ................................................................ 13 開發(fā)環(huán)境的使用 ........................................................................................... 15 生成新的工作區(qū) ................................................................................ 15 生成新的項目 .................................................................................... 15 給項目添加文件 ................................................................................. 15 設(shè)置項目選項 .................................................................................... 15 編譯鏈接和調(diào)試應(yīng)用 ........................................................................ 15 2 第 1章 基于以太網(wǎng)的 智能 用電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 總體框架 本系統(tǒng)以 ARM7TDMIS內(nèi)核單片機(jī) LPC2148 為核心，結(jié)合 CS5460A 計量芯片模塊、 ENC28J60 網(wǎng)絡(luò)接口模塊實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，其只要配置見表 11。 表 11 基于以太網(wǎng)的智能用電監(jiān)控系統(tǒng)硬件配置一覽表 模塊 主要配置 功能 LPC2148 核心板 LPC214 MAX811 系統(tǒng)的主控 CS5460A 計量模塊 CS5460A 用電情況的計量 ENC28J60 模塊 ENC28J60 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口 電源模塊 LM2596， LM1117 DCDC 轉(zhuǎn)換 芯片 設(shè)計原理 該設(shè)計中，核心部件是美國 Cirrus Logic公司生產(chǎn)的電能計量芯片 CS5460A。該芯片具有如下特點(diǎn)： (1) 轉(zhuǎn)換精度高，自身轉(zhuǎn)換精度達(dá)到 級，可以實(shí)現(xiàn) ； (2) 片內(nèi)功能強(qiáng)，具有瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值等； (3) 具有智能“自引導(dǎo)”，不需要控制器 (4) 使用方便的 SPI 接口與控制器通信，外圍接口少。 (5) 校準(zhǔn)過程 簡單，支持 AC 或 DC 系統(tǒng)校準(zhǔn) 為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)中使用了 Microchip 公司的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器 ENC28J60，該芯片實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)中的物理層，使用 SPI 接口與控制器通信，控制器讀取到的是最原始的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)，還需要對該幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析才能獲得有效的用戶數(shù)據(jù)。反之，控制器需要用軟件按照以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀協(xié)議將需要發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)一層一層包裝好，寫入到 ENC28J60 中，才能由該芯片發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去。 整體的設(shè)計原理是， LPC2148 控制 CS5460A 讀取用電情況，并將數(shù)據(jù)打包寫入到 ENC28J60中發(fā)送到網(wǎng)絡(luò) 。 系統(tǒng)框圖見圖 11。 3 圖 11 系統(tǒng)框圖 模塊設(shè)計 電源模塊設(shè)計 該系統(tǒng)中使用了開關(guān)型的 DCDC 電源轉(zhuǎn)換芯片 LM2596 和低壓差的電壓調(diào)節(jié)器 LM1117，設(shè)計原理圖見圖 11。 圖 11 在使用 LM2596 時，它的外圍器件應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)手冊的說明來選取，在 LM1117的輸出應(yīng)加上電源濾波電容。 4 CS5460A模塊 CS5460A 結(jié)合少量的外圍和前置調(diào)理電路，在控制器的控制下就可以工作。本方案使用了互感器處理前端的高壓和大電流調(diào)理，也可以使用 分壓和電流采樣來處理。 (1) 前端調(diào)理電路設(shè)計 見圖 12,高壓調(diào)理部分采用了變比為 2mA： 2mA 的電壓互感器 ZMPT101B，假設(shè)市電維持在 220V 左右，通過一個 120K 的電阻，得到 的電流，為了不超過芯片的測量范圍 (這一點(diǎn)與 CS5460A 的寄存器配置有關(guān) )，在互感器的另一側(cè)串聯(lián)一個精密電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。該電路中的電容電阻組成了濾波電路，對信號進(jìn)行了初步的模擬濾波。 見圖 12,大電流部分采用了變比為 2020： 1的電流互感器 ZMCT102，互感器另一側(cè)的一只精密電阻將電流信號轉(zhuǎn)換成了電壓信號 ，電阻的取值與繞線匝數(shù)，芯片測量范圍有關(guān)。在該電路中也有濾波電路。對信號進(jìn)行了初步的模擬濾波。由于互感器的相差作用，送入 CS5460A 的信號可能存在相位差，而 CS5460A 內(nèi)部有相位補(bǔ)償?shù)墓δ?，大大提高了有功功率的測量準(zhǔn)確性，也彌補(bǔ)了互感器在使用過程中會產(chǎn)生相移的不足。 圖 12 前端調(diào)理電路 (2) CS5460A 最小系統(tǒng) 見圖 13， CS5460A 的外圍電路非常簡單，只要連接晶振和電源即可。需要注意的是 PFMON 電源監(jiān)控這只引腳，該引腳的電壓必須維持在 以上，本設(shè)計中用電源電壓分壓得到。前級調(diào)理的 信號經(jīng) VIN+ 、 VIN 、 CIN 、 CIN+進(jìn)入CS5460A。 CS5460A 的引腳描述參見官方數(shù)據(jù)手冊。 5 圖 13 CS5460A最小系統(tǒng) LPC2148最小系統(tǒng) LPC2148 是基于一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的 32 位 ARM7TDMIS CPU 的微控制器，并帶有 512KB 嵌入式的高速 Flash 存儲器。內(nèi)置了 USB Device、多個 UART、 SPI、 SSP、 I2C 和 40KB 的片內(nèi) SRAM。多個 32位定時器， 1 個 10位ADC、 10 位 DAC、 PWM 通道、 45個高速 GPIO 口 以及多大 9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。 核心板電路主要包括供電、復(fù)位、晶振、 JATG 和 USB 從設(shè)備。 1. 供電由底板供電 ，核心板載濾波電容和 LED 指示燈。 圖 14 2. 所有 MCU 均有一個復(fù)位邏輯，它負(fù)責(zé)將 MCU 初始化為某個確定的狀態(tài)，復(fù)位信號會使 MCU 初始化為某個確定的狀態(tài)，所以這個信號的穩(wěn)定性非常重要。該系統(tǒng)采用手動復(fù)位，復(fù)位使用復(fù)位芯片 MAX811， MAX811 結(jié)合簡單的外圍就可以組成復(fù)位電路，輸出端連接至 CPU 的復(fù)位引腳。 6 圖 15 3. MCU 需要晶體振蕩器來提供一 個時鐘信號，這里采用 12M 晶振， RTC 時鐘也需要晶振電路，這里采用 ，核心板上還有一個 JTAG 接口電路。 圖 16 4. LPC2148 帶有 USB 從設(shè)備控制器，只要在 MCU 外圍加上這么一個 USB 從設(shè)備 接口，就可以實(shí)現(xiàn) USB 通信。 圖 17 5. 將 CPU 其他功能性引腳外擴(kuò)；所有 VDD 連接至 電源 (注意加上濾波電容，使電源更加穩(wěn)定 )；所有 VSS 和 VSSA 連接至電源地； VDDA 和 VDD 之間用電感隔離； VREF 是 AD/DA 的參考電壓，可以用 TL431 組成一個基準(zhǔn)源，也可以直接連接 至 電源 。 VBAT 是 RTC 時鐘電源，可以直接連接至 電源，也可以在板子上加上紐扣電池，一直給它供著電。 需要注意的 I2C 功能引腳和 引腳，請仔細(xì)閱讀引腳描述。 7 ENC28J60模塊 圖 18 上圖為 ENC28J60 的典型應(yīng)用電路，在其他系統(tǒng)中可以移植使用， 只需修改相應(yīng)的驅(qū)動程序。 ENC28J60 引腳簡單， SPI 接口與控制器通信，輸出與 RJ45接口相聯(lián)， ENC28J60 具有上電復(fù)位的功能，初始化過程需要 10ms 左右，為了ENC28J60 的可靠復(fù)位，將復(fù)位引腳接到 了控制器的 IO上。需要特別指出的是，ENC28J60 的內(nèi)部模擬電路需要在 RBIAS 引腳與地之間接一個 2K的電阻。 軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件主要包括了系統(tǒng)初始化， CS5460A 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、 ENC28J60 傳輸數(shù)據(jù)、下位機(jī)顯示，人機(jī)交互。 其中系統(tǒng)初始化包括了 LPC2148 初始化、 CS5460A 配置、 ENC28J60 初始化、EEPROM 讀寫測試。 LPC2148初始化 LPC2148 在上電復(fù)位后應(yīng)進(jìn)行 PLL 的初始化。初始化代碼如下： void PLL_Init(void) { PLLCON = 1。 if ((Fcclk/4)/Fpclk) == 1 VPBDIV = 0。 endif if ((Fcclk/4)/Fpclk) == 2 VPBDIV = 2。 endif 8 if ((Fcclk/4)/Fpclk) == 4 VPBDIV = 1。 endif if (Fcco/Fcclk) == 2 PLLCFG = ((Fcclk/Fosc)1) | (05)。 endif if (Fcco / Fcclk) == 4 PLLCFG = ((Fcclk/Fosc)1) | (15)。 endif if (Fcco / Fcclk) == 8 PLLCFG = ((Fcclk/Fosc)1) | (25)。 endif if (Fcco / Fcclk) == 16 PLLCFG = ((Fcclk/Fosc)1