基于以太網技術的遠程儀表采集控制系統

摘 要：本文設計了一款基于以太網控制方式的遠程儀表采集監控系統。本系統以Wiznet公司最新研制的W5500網絡處理器、ST公司的STM32F103RC芯片以及鉅泉公司研制的電量計量芯片ATT7053A為核心，監控中心可以通過網絡，遠程讀取儀表的數據，并可通過擴展模塊監控儀表的數據是否異常（如電表竊電等）。

關鍵詞：以太網 W5500；STM32F103RC；ATT7053；遠程儀表采集

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-02

一、系統構造

（一）網絡處理器

本系統采用W5500以太網芯片，是WIZnet公司的一款全硬件TCP/IP協議棧，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP以及PPPoE協議，具有更低功耗與工作溫度等優點。其自身提供了SPI（外設串行接口），可以很方便的與外設MCU相連接；并采用高效的SPI協議，支持80MHz速率，從而能夠實現高速網絡通訊。此外該芯片的應用非常方便，只需簡單的Socket編程便能實現以太網應用，并可以同時使用8個硬件Socket進行獨立通訊。為了減少芯片能耗，芯片提供了網絡喚醒模式及掉電模式可供使用者編程選擇。

（二）高速ARM芯片

STM32F103RB是一款32位的Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHZ，工作電壓2.0-3.6V，可以與網絡芯片和計量芯片的接口完美匹配。具有2個高速的SPI接口，分別與網絡芯片及計量芯片快速連接。為了降低芯片功耗，還有睡眠、停機和待機模式可供選擇。

（三）計量芯片

ATT7053A是帶有SPI接口的單相多功能計量芯片，工作電壓是3.0～3.6V。具有三路19 bit sigma-delta ADC，采樣率可調（28k/14k/7k Hz）；動態范圍2000：1；具有有功、無功、視在功率和電能脈沖輸出等功能；較低的功耗（全速運行功耗<4.5mA，斷相防竊電降頻運行功耗<2mA）；電源監測功能：BOR，LBOR功能。

二、系統框圖

圖1

三、硬件電路設計

（一）系統框圖列出了MCU部分、以太網部分、計量部分、顯示部分、報警部分。

1.MCU部分

圖2

采用增強型的32位ARM處理器，具有高速SPI接口，分別于網絡芯片和計量芯片的SPI接口對接，達到高速運行的效果。由于MCU本身IO口的承受電壓可以達到5V，所以芯片不是很輕易就燒壞。芯片本身的IO口配置靈活，如可以配置成I2C，SPI，UART等功能。

2.以太網部分

采用全硬件TCP/IP控制器的芯片，只需要外接少數的原器件就可以使電路正常工作。其工作模式有可變數據長度模式和固定數據長度模式，在本系統中用到的是固定數據長度模式。芯片支持SPI模式0及模式3，均遵從最高標志位（MSB）到最低標志位（LSB）的傳輸序列，本系統采用模式0。為了提高產品的穩定性和可靠性，本系統采用了電感將3.3V電源的正負極隔離，RJ45帶隔離變壓器的接口，在電路圖上都有明確標出。

3.計量部分

采用高精度的電量計量芯片ATT7053A，具有兩種應用模式（Highspeed和Normal），本系統采用的是Normal模式，通過MCU的SPI口進行控制。具有斷相防竊電功能，只需要MCU通過程序控制相關的寄存器，外加報警電路，就可以實現竊電報警。電量的計算主要取決于電壓和電流的取樣，電壓取樣常規采用的是電阻分壓，電流取樣常規采用的是錳銅絲，這樣設計就會存在一個致命問題——就是取樣信號要和芯片的電源共地，共地產生的后果就是安全性和可靠性得不到保障。在此本系統選用了高精度的電壓互感器ZMT101和電流互感器WLX-2，解決了信號和電源共地的缺點，安全性也得到了很大的提高。

4.顯示部分及報警部分

字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，本系統采用的是1602液晶（帶背光）模塊，具體參數顯示容量：16×2個字符，芯片工作電壓：4.5—5.5V，字符尺寸：2.95×4.35（W×H）mm。液晶的接口D0-D7、RS、RW、E連接到MCU的PB0-PB7、PC0-PC2。為了降低系統的功耗，背光受MCU的PC4控制。報警采用三極管驅動蜂鳴器電路，由MCU的PC3控制，當出現異常情況，驅動蜂鳴器報警，并通過網絡向監控中心發送異常情況信息，以便達到監控的目的。

四、程序設計

（一）以太網部分

W5500是通過SPI接口與MCU進行通信的，對芯片的所有操作都是通過SPI協議進行數據傳輸，按照數據禎格式對網絡芯片進行寫數據和讀數據操作。所以在對芯片進行數據傳輸之前，要先對STM32F103R的SPI接口進行初始化。然后通過SPI接口對W5500相關的寄存器進行初始化。利用TCP協議實現的遠程控制，建立TCP客戶端模式，TCP是一種面向連接的通信協議。TCP使用本機IP地址、端口號和目的IP 地址、目的端口號等建立端口連接，使用該端口發送和接收數據。使用Keil Uv5編程軟件，進行Socket設置。

初始化的部分程序如下：

/* Initialize STM32F103 */

System_Initialization（）；

Delay（2000）；

/* Config W5500 */

W5500_Configuration（）；

/* Detect Gateway， If no need to detect Gateway， skip this part */

if（Detect_Gateway（）==TRUE）

GPIO_ResetBits（GPIOC， D_OUTPUT1）；

/* Using Socket 0 */

Socket0_Config（）；

（二）電量計量部分

ATT7053A也是通過SPI接口與MCU進行通信的，對芯片的所有操作也是通過 SPI 協議進行數據傳輸，在數據傳輸之前，也要進行SPI接口初始化，然后通過SPI接口初始化ATT7053A芯片的相關寄存器后，才能進行電壓、電流、有功、無功、電量等寄存器數據的讀取操作。

初始化的部分程序如下：

SPI_Write（0x32， 0xbc）； //配置寄存器

SPI_Write（0x41， 0x04）；

freqcfg=SPI_Read（0x41）；

freqcfg=freqcfg0x04；

while（freqcfg！=0x04）； //寄存器是否配置正確

五、功率的計算

功率、有效值的顯示可以直接乘上相應的系數Kx即可。為了檢驗Kx是否正確，可參照下面的近似

折算公式。

有功功率折算公式：

Px —— 為計算出的實際的功率值，單位：w Preg —— 為從功率寄存器PowerP讀取的功率值

EC —— 為電表的脈沖常數 HFconst —— 為ATT7 0 5 3的HFConst寄存器

六、以太網測試

將系統的IP地址設置成192.168.1.10，端口號為6000，網關為192.168.1.1，用網線將系統、電腦、路由器三者相連接，采用TCP測試軟件，按照下面的方法測試：

（1）用ping命令測試物理連接是否接通。

（2）上位機軟件發送連接請求指令，等網絡芯片響應。

（3）在連接成功后，就可以用上位機軟件讀取儀表數據。

參考文獻：

[1]鉅泉光電.ATT7053A數據手冊[M].

[2]Wiznet公司.W5500數據手冊[M].

[3]ST公司.STM32F103RB數據手冊[M].

[作者簡介]林必忠（1980.04-），男，皖黟人，開發部主管，本科，學士學位，從事電子電路的設計，硬件及軟件開發方面的工作。