【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 結(jié)構(gòu)圖西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 如圖 32 所示。 單 片 機(jī)AD轉(zhuǎn)換信 號(hào)提 取過 零檢 測(cè)以 太 網(wǎng)傳 輸數(shù) 碼 管顯 示按 鍵 圖 32 硬件結(jié)構(gòu) 電壓處理模塊：將相電壓為 220V 的電壓處理為 0 到 5V的交流信號(hào)一遍進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊：將 0 到 5V 的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)，這里的 AD 轉(zhuǎn)換器是單片機(jī)自帶的 10 位的 AD 轉(zhuǎn)換器，已經(jīng)集成到單片機(jī)內(nèi)部。 過零檢測(cè) 電路模塊：是選定三相電三相中的一相作為 A 相，經(jīng)過過零檢測(cè)處理電路送入到單片機(jī)中斷口，此后電壓依次為 0 的相分別為 B 相和 C 相 [4][5]。兩個(gè)零之間的時(shí)間剛好為三相電的周期（也就是頻率）。 數(shù)碼管模塊：對(duì)三相電的參數(shù)進(jìn)行顯示。 以太網(wǎng)模塊：對(duì)三相電參數(shù)進(jìn)行傳輸。 MCU 模塊：對(duì)三相電參數(shù)進(jìn)行控制。 器件的選擇 由于該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求不是很高，單片機(jī)足夠用，所以該系統(tǒng)采用的是價(jià)格較低的單片機(jī)為平臺(tái)，同時(shí)由于以太網(wǎng)控制芯片占用單片機(jī)的 I/O 口過多，為了節(jié)省 I/O 口，這里采用宏晶公司 推出 的自帶 AD 轉(zhuǎn)換的單片機(jī)STC90C58AD[7][8]。 STC90C58AD 系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾 /高速 /低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)， 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 6 時(shí)鐘 /西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 機(jī)器周期可以任意選擇。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，當(dāng)時(shí)鐘頻率在 6MHz時(shí)，該復(fù)位電路時(shí)可靠的；當(dāng)時(shí)鐘頻率在 12MHz 時(shí)，勉強(qiáng)可用。在要求不高的情況下，可在復(fù)位腳外接電阻電容復(fù)位。 8 路 10 位高速 A/D 轉(zhuǎn)換器 (可達(dá) 25 萬(wàn)次 /秒 )。 增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)， 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期可任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； 工作電壓： (5V 單片機(jī) )/ (3V 單片機(jī) )； 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz.； 用戶應(yīng)用程序空間： 4K / 8K/ 16K / 32K /40K/ 48K/ 56K/ 61K 字節(jié) ； 片上集成 256+4096 字節(jié) RAM； 通用 I/O 口 (35/39 個(gè) )，復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉 (普通8051 傳統(tǒng) I/O 口 )； P0 口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻 ； ISP（在系統(tǒng)可編程） / IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器，可通過串口（ RXD/, TXD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 ； 有 EEPROM 功能 。 EEPROM（電可擦寫可編程 只讀存儲(chǔ)器 ）是用戶可更改的只讀存儲(chǔ)器（ ROM），其可通過高于普通 電壓 的作用來(lái)擦除和重編程（重寫）。不像 EPROM 芯片， EEPROM 不需從 計(jì)算機(jī) 中取出即可修改。在一個(gè) EEPROM中，當(dāng) 計(jì)算機(jī) 在使用的時(shí)候可頻繁地反復(fù)編程，因此 EEPROM 的壽命是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)考慮參數(shù)。 EEPROM 是一種特殊形式的 閃存 ，其應(yīng)用通常是個(gè)人電腦中的 電壓 來(lái)擦寫和重編程； 看門狗 。 在由 單片機(jī) 構(gòu)成的 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 中，由于單片機(jī)的工作常常會(huì)受到來(lái)自外界電磁場(chǎng)的干擾，造成程序的跑飛，而陷入死循環(huán)，程序的正常運(yùn)行被打斷，由單片機(jī)控制的系統(tǒng)無(wú)法繼續(xù)工作，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài)，發(fā)生不可預(yù)料的后果，所以出于對(duì)單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的考慮，便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測(cè)單片機(jī)程序運(yùn)行狀態(tài)的芯片，俗稱 看門狗 (watchdog)； 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，當(dāng)時(shí)鐘頻率在 6MHz 時(shí)該內(nèi)部簡(jiǎn)單西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 的 MAX810 專用復(fù)位電路時(shí)可靠的；當(dāng)時(shí)鐘頻率在 12MHz 時(shí)勉強(qiáng)可用。在要求不高的情況下，可在復(fù)位腳外接電阻電容復(fù)位 ； 1 共 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器 0 還可以當(dāng)成 2 個(gè) 8 位定時(shí)器使用 ； 1 外部中斷 4 路 ,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 ； 1 8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換 。相比一般的 8 路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)， 8 路 10 位A/D 轉(zhuǎn)換器具有更高的精度，對(duì)數(shù)據(jù)的采集更精確； 1 通用異步串行口 (UART)，還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART； 1 工作溫度范圍： 40 ~ +85℃ (工業(yè)級(jí) ) / 0 ~ 75℃ (商業(yè)級(jí) )； 1 封裝： LQFP44， PDIP40， PLCC44， PQFP44。 由于該系統(tǒng)采用的是價(jià)格較低的單片機(jī)為平臺(tái)，所以被測(cè)量的三相電必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換為低于 5V 的電壓信號(hào)，同時(shí)相序和頻率不能改變 ， 這里可以有兩個(gè)方案，第一，采用電壓互感器 /電流互感器，第二 ， 采用電阻分壓。第二個(gè)方案考慮的是信號(hào)的提取，所以可行，但用到的電阻的功率要高，至少在 3 W 以上。該設(shè)計(jì)采用的是第二個(gè)方案。 0 到 5V 的三相低壓電信號(hào)是經(jīng)過分壓處理得來(lái)，考慮到穩(wěn)定性問題，所以，在信號(hào)進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換前得用到前衛(wèi)電路 [9][10]。以保護(hù)單片機(jī)。 在系統(tǒng)原理部分已經(jīng)說(shuō)明了，在參數(shù)的計(jì)算時(shí)，要用過零檢測(cè)電路，首先得將電壓三相電轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，即當(dāng)三相低壓電電壓非零時(shí)，脈沖信號(hào)持續(xù)高電平，當(dāng)三相低壓電為零時(shí)，脈沖信號(hào)為零。這里采用了光耦 TLP521－ 1。 TLP521 是可控制的光電藕合器件，光電耦合器廣泛作用在電腦終端機(jī)，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測(cè)量?jī)x器，影印機(jī)，自動(dòng)售票，家用電器，如風(fēng)扇，加熱器等 電路之間的信號(hào)傳輸，使之前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設(shè)計(jì)。 東芝 TLP521－ 1，－ 2 和－ 4 組成的砷化鎵紅外發(fā)光二極管耦合到光三極管。該 TLP521－ 2 提供了兩個(gè)孤立的 光耦 8 引腳塑料封裝，而 TLP521－ 4 提供了 4個(gè)孤立的光耦中 16 引腳塑料 DIP 封裝，集電極 發(fā)射極電壓： 55V（最小值），經(jīng)常轉(zhuǎn)移的比例： 50％（最?。?，隔離電壓： 2500 Vrms （最?。?。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 該系統(tǒng)帶有顯示電路，由于數(shù)據(jù)不是很復(fù)雜，并且顯示的位數(shù)較少，考慮成本，這里用的是四位一體數(shù)碼管，用譯碼器 74HC573 驅(qū)動(dòng)。 以太網(wǎng)部分是該系統(tǒng)的特色部分，但是這部分的軟件實(shí)現(xiàn)比較難，協(xié)議棧的問題是一個(gè)工作量很大的任務(wù)，同時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸速率與該部分有很大的關(guān)系，綜合考慮，該系統(tǒng)采用 Silicon 公司的以太網(wǎng)控制芯片 CP2200， Han Run 公司的HR911105A 為網(wǎng)絡(luò)變壓器。 Silicon Laboratories 公司生產(chǎn)的 CP2200 以太網(wǎng)控制器目前是業(yè)界里體積最小的單芯片以太 網(wǎng)控制器。它包括一個(gè)集成了 Ether 的媒體訪問控制器 (MAC)， 10BASET 物理層收發(fā)器包括接收器、發(fā)送器、自適應(yīng)、回環(huán)、極性糾正、 jabber、智能抑制噪聲和連接完整性功能 ， 支持自動(dòng)協(xié)商模式和雙工模式 。 8KB 非易失性 Flash 存儲(chǔ)器 ， 片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)、 WEB 服務(wù)器內(nèi)容或作為通用非易失性存儲(chǔ)器 ， Flash 的最后 6 個(gè)存儲(chǔ)單元已在出廠前被寫入了唯一的 48 位 MAC 地址 ， 消除了大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中必不可少的數(shù)列化步奏 。 8 位并行主機(jī)接口支持 Intel 和 Motorola 總線方式 ， 可以使用復(fù)用或非復(fù)用方式尋址 。 有方式選擇引腳 ,用于總線接口方式 ， 在非復(fù)用方式下 ， ,數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到 30Mbps。 具有 14 個(gè)中斷源 ,CP2200 可以向主機(jī)申請(qǐng)中斷處理 ， 主機(jī)可以在響應(yīng)中斷處理后 ， 通過讀 INT0\INT1 的中斷狀態(tài)寄存器來(lái)清除中斷 。 具有 2KB 的發(fā)送緩沖區(qū)和 4KB 的接收緩沖區(qū)。 CP2200 的基本結(jié)構(gòu)如圖 33 所示 。 H o s ti n t e r f a c e8 K Bf l a s h2 K BT x B u f f e r4 K BR x F I F OE t h e r n e tM A CC l o c kL E Dc o n t r o lE t h e r n e tP H YR X + / R X T X + / T X 2 0 M H zX T A L并 行 接 口R J 4 5 接 口L E D控 制C P 2 2 0 0 圖 33 CP2200 的基本結(jié)構(gòu) 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì) 本節(jié)主要介紹了系統(tǒng)硬件的功能、系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)、硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，其中系統(tǒng)硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算過程、單片機(jī)的概述、器件選擇的原因等。 本系統(tǒng)硬件的核心是單片機(jī)和以太網(wǎng)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ， 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可分三步進(jìn)行。第一步對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的選擇，是應(yīng)用單片機(jī) ， ARM還是 FPGA等；第二步是以太網(wǎng)傳輸方案的確定 ， 是選用串行通信還是選用 I/O 口傳輸；第三步是對(duì)外設(shè)電路的設(shè)計(jì)，比如電壓處理電路（信號(hào)提取電路） ， 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，顯示電路，過零檢測(cè)電路，前衛(wèi)電路等。其中第一步是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，第一步要考慮到數(shù)據(jù)的處理速度，精確度，成本等問題。而要實(shí)現(xiàn)三相電參數(shù)測(cè)量的功能，要對(duì)三相電的相關(guān)知識(shí)有一定的了解。三相電的電壓有兩種說(shuō)法，一是線電壓，即三相電的每?jī)蓷l線之間的電壓，另一種是相電壓，即三相電一條線與零相 N 之間的電壓 [12][13]。三相電的相位是每相相差 120176。，依次為 A、 B、 C相。三相電的頻率是固定的，即為 50Hz。 信號(hào)提取的設(shè)計(jì) 由于考慮到從三相電中提取信號(hào)供給單片機(jī)，所以可也采用電阻分壓 的法案來(lái)處理，如果要考慮隔離傳輸?shù)葐栴}，就必須的使用電壓互感器或者電流互感器來(lái)處理，本系統(tǒng)采用的是電阻分壓的方法。其電路如圖 34 所示。 圖 34 信號(hào)提取電路 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 由分壓公式有： 用此方案依次將 A,B 和 C 相進(jìn)行處理，得到 0 到 5V 的三相低壓電信號(hào)，供給單片機(jī)控制處理。 過零檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 過零檢測(cè)電路的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)當(dāng)交流電壓通過零點(diǎn)時(shí)取出其脈沖。其工作過程為：當(dāng)通過正半周較高電壓時(shí)，光電管 D1， T1 導(dǎo)通 Vo 為低電平，當(dāng)正半周電壓反向接近零點(diǎn)時(shí) D1 達(dá)不到導(dǎo)通電壓的值而截止，從而使 T1 截止 Vo 為高電平 。同樣當(dāng)通過負(fù)半周較高電壓時(shí)，光電管 D2， T2 導(dǎo)通 Vo 為低電平，當(dāng)負(fù)半周電壓正向接近零點(diǎn)時(shí) D2 達(dá)不到導(dǎo)通電壓的值而截止，從而使 T2 截止 Vo 為高電平。通過這個(gè)正負(fù)交越零點(diǎn)時(shí)的正脈沖信號(hào)向單片機(jī) STC90C58AD 發(fā)出外部中斷 INT0，單片機(jī)根據(jù)該信號(hào)，經(jīng)過一定的延時(shí)后控制可控硅導(dǎo)通 [11]。其電路如圖 35 所示。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 35 正負(fù)半軸過零檢測(cè)電路 但是由于該系統(tǒng)的考慮的三相四線制三相電，參考零點(diǎn)位選地線，所以電壓的范圍為 0 到 5V，沒有負(fù)半軸，于是只采用一個(gè) TLP5211 即可。其電路如圖36 所示。 圖 36 過零檢測(cè)電路 基于 CP2200 的嵌入式以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì) 近年來(lái) ， 計(jì)算機(jī)技術(shù) ,通信技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 使得我們?cè)诳紤]通過計(jì)算機(jī)進(jìn)西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的同時(shí) ， 也要考慮許多領(lǐng)域的嵌入式設(shè)備如智能儀表 、 工業(yè)控制 、 數(shù)據(jù)采集 、 數(shù)控機(jī)床 、 安防監(jiān)控等也要接入網(wǎng)絡(luò)的需求。伴隨著信息家電的出現(xiàn) ,嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化必將擁有更加廣闊的發(fā)展前景。本文以 Silicon 公司的CP2200 以太網(wǎng)控制器為基礎(chǔ) ,著重介紹了嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口的軟硬件設(shè)計(jì)。當(dāng)前 ， 嵌入式設(shè)計(jì)人員在為嵌入式設(shè)備提供以太網(wǎng)接入時(shí) ， 使用的以太網(wǎng)控制器(RTL8019,CS8900A 等 )都是專為個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 ， 這些器件不僅接口電路復(fù)雜 ， 體積較大 ， 而且比較昂貴。 CP2200 是 Silicon Laboratories 公司推出的一款 48 引腳的以太網(wǎng)控制器 ， 它符合 協(xié)議 ， 支持 10M 以太網(wǎng)接入 ，而且外圍接口電路簡(jiǎn)單 ， 成本較低 ， 能夠滿足嵌入式設(shè)備接入以太網(wǎng)的要求。其硬件設(shè)計(jì)電路如圖 37 所示 [12] 圖 37 基于 CP2200 的嵌入式以太網(wǎng)設(shè)計(jì) 基于 STC90C58AD 單片機(jī)的按鍵電路 由于 STC90C58AD 單片機(jī)自帶 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 并且為了節(jié)省單片機(jī)的 I/O 口 [13]，所以其按鍵電路可以做如圖 38 設(shè)計(jì)。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 38 按鍵電路 由于 VCC 是 5V