基于MSP430F149單片機的智能遠傳三相電表設(shè)計

陳曉龍，裘友鳳

CHEN Xiao-long1，QIU You-feng2

（1.江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，南昌 330100；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330013）

1 智能遠傳三相電表硬件總體設(shè)計思路

智能遠傳三相電表作為一種以網(wǎng)絡(luò)為通道的遠程自動抄表系統(tǒng)，具有實時性好、測量準(zhǔn)確、成本低、便于管理等優(yōu)點，將逐步成為電能表發(fā)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(shù)據(jù)處理，完成傳統(tǒng)的三相電表功能；并通過ENC28J60芯片與主控制器連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳功能。

系統(tǒng)硬件組成及結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件組成及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框圖

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

項目設(shè)計內(nèi)容及實施方案：

1）設(shè)計內(nèi)容

（1）基于MSP430F149單片機的控制系統(tǒng)設(shè)計；

（2）采用集成芯片CS5460A實現(xiàn)電能檢測與計量設(shè)計；

（3）基于ENC28J60以太網(wǎng)控制器的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計；

（4）基于SPI的多芯片網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計。

2）實施方案

本項目設(shè)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(jié)構(gòu)；集電量參數(shù)監(jiān)測計量與顯示一體化，電量參數(shù)監(jiān)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(wǎng)絡(luò)通信采用ENC28J60以太網(wǎng)控制器技術(shù)；使本產(chǎn)品具有集成化程度高、功能強、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)點，滿足電能智能化管理要求。

2 各功能模塊的具體電路設(shè)計

本項目智能遠傳三相電表整個硬件系統(tǒng)電路主要包括MCU控制電路、電能檢測與數(shù)據(jù)采集電路、工作電源電路、顯示電路和以太網(wǎng)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(wǎng)控制通信進行數(shù)據(jù)遠傳。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 智能遠傳三相電表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1）基于MSP430F149的智能遠傳三相電表控制系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)處理，并通過MSP430F149模擬SPI串行口與之通信，完成三相電能的數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換電路進行連接。MSP430F149單片機有內(nèi)置液晶驅(qū)動模塊，可以直接驅(qū)動LCD顯示。

本項目設(shè)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(shè)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(wǎng)中三相電量的檢測與采樣。設(shè)計方法如圖2所示：采用CS5460A芯片實現(xiàn)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(xiàn)。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(chǎn)生電流感應(yīng)的電壓信號。由于CS5460A不直接接在電源線上，因此其數(shù)字接口不需隔離。

3）基于ENC28J60芯片的以太網(wǎng)硬件電路設(shè)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(shè)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(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計方法。該裝置在MSP430F149單片機上植入TCP/IP協(xié)議棧，通過對協(xié)議的合理簡化以及加入優(yōu)先報文機制來解決工業(yè)以太網(wǎng)的實時問題，并且代替工業(yè)總線傳輸模式，同時又可根據(jù)預(yù)定限值實時進行邏輯判斷以監(jiān)測被測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化。

以太網(wǎng)接口則主要由ENC28J60、網(wǎng)絡(luò)變壓器、RJ45接口構(gòu)成。信號調(diào)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(zhuǎn)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(shè)計

1）MSP430F149軟件結(jié)構(gòu)

本智能遠傳三相電表項目的軟件系統(tǒng)主要由MSP430F149主控制程序、CS5460A數(shù)據(jù)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(shè)備的驅(qū)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(shè)計。設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)和軟件流程設(shè)計。該項目集電量參數(shù)監(jiān)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(yōu)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(wǎng)控制器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計方法；不但實現(xiàn)了與主控制器通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳功能，而且降低了成本，精簡了的TCP/IP協(xié)議棧上加入了實時協(xié)議，增強了實時性。可以方便地實現(xiàn)實時監(jiān)測、高速數(shù)據(jù)采集、查表打印、系統(tǒng)監(jiān)控等功能，是電能表集抄未來發(fā)展的一大趨勢。

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