顧奕騰等

摘 要：文章設計了一種應用于社區(qū)養(yǎng)老智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口的以太網(wǎng)控制器，該控制器的核心電路由芯片CP2200、單片機C8051F340構成，使用DS18B20溫度傳感器作為元器件，使用ADE7755進行計量，解決了ADE電量采集、ADE7755與微控制器（MCU）接口以及ADE7755電量采集外圍電量設計等問題。采用軟件C51語言進行編程，設計單片機的主程序流程以及CP2200控制器中的數(shù)據(jù)傳輸流程，利用TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)采集及發(fā)送。

關鍵詞：CP2200；C8051F340；以太控制器；數(shù)據(jù)采集；社區(qū)養(yǎng)老智能化系統(tǒng)

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）11-0069-04

以太網(wǎng)技術應用的領域比較廣泛，如在社區(qū)養(yǎng)老智能化系統(tǒng)上，用電量、用水量、用煤氣量自動化采集、繳費或者監(jiān)控。

而目前用于提供以太網(wǎng)接入的以太網(wǎng)控制器，絕大多數(shù)是采用C8900、RTL8019等為通信控制芯片設計的[1]。

這些芯片接口電路復雜、體積大、通信不穩(wěn)定、價格昂貴導致項目成本負擔大等問題。而選用CP 2200作為以太網(wǎng)控制器，它集成IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器、10Base-T物理層，可以為具有11個以上端口I/O引腳的任何微控制器或主處理器增加以太網(wǎng)通信功能，而且性價比優(yōu)良[2]。

CP 2200與C8051F340微控制器組成嵌入式系統(tǒng)并且搭建數(shù)據(jù)采集的平臺，基于該平臺采集到的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與分析，在此基礎上拓展相應的功能模塊，形成完整的社區(qū)養(yǎng)老智能化網(wǎng)絡服務系統(tǒng)。本文以該系統(tǒng)為背景，設計了一種基于CP2200、C8051F340芯片的以太網(wǎng)控制器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集接口，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與動態(tài)監(jiān)測功能。

1 CP 2200、C8051F340芯片

CP2200是美國Silicon Laboratories公司開發(fā)的一種高性能以太網(wǎng)控制器，集成了IEE802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器、10 Base-T物理層，片內具有2 KB的發(fā)送緩存、4 KB的接收FIFO，F(xiàn)LASH存儲器容量為8 KB，用作非易失性存儲器，其最后6個儲存單元存放工廠預編程的唯一48位MAC地址，8位并行接口可以工作再復用或非復用方式，支持Intel及Motorola兩種總線方式（由MO-TEN位選擇），有多種中斷源，連接/活動LED指示，上電復位，I/O口均耐5 V電壓[3]。它體積小，溫度范圍滿足工業(yè)應用。

C8051F340微控制器是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。

它具有高速、流水線結構的8051兼容的微控制器內核（可達48MIPS）[4]；自帶64 KB的FLASH ROM，256+K字節(jié)的RAM和外部并口數(shù)據(jù)存儲器XRAM，避免擴展外部程序儲存器的麻煩[5]。

為了有較大的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域用來存放接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)報，需要外部擴展32 KB的SRAM 62256。

這兩種芯片的選用，主要為TCP/IP協(xié)議族的嵌入提供了較大的數(shù)據(jù)處理空間和穩(wěn)定性。

2 以太網(wǎng)控制器數(shù)據(jù)采集接口硬件電路設計

2.1 選用DS18B20溫度傳感器作為元器件

由DALLAS半導體公司生產(chǎn)的DS18B20型單線智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的只能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀取被測溫度，其溫度范圍在-10～+85 ℃之間時，溫度誤差的范圍不超過±0.5 ℃，可以在93.75 Ills和750 ms的時間內完成9位及12位的數(shù)字量，12位時分辨率為0.0625 ℃；由于其獨特的單線接口，可以通過串行口線，也可通過其他I/O口線與微機接口，無需變換其他電路直接輸出被測溫度值[6]。若使用寄生電源工作方式，則只連I/O線和地線。數(shù)據(jù)線直接和單片機的其中一個I/O口進行連接，通過3.3 V供電。

2.2 選用ADE7755設計ADE電量采集方案

ADE7755是一款適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計量IC。它可提供基于輸電線電壓和電流計算的瞬時有功功率和平均有功功率。該器件規(guī)范超過IEC 61036標準規(guī)定的精度要求。ADE 7755中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路。所有其它信號處理（例如乘法和濾波）都是在數(shù)字域實現(xiàn)的。這種信號處理方法可在隨環(huán)境條件和時間變化的很大范圍內提供優(yōu)異的穩(wěn)定性和精度。電流通道提供高增益模式，可直接連接低阻值分流電阻器而不損失動態(tài)范圍。兩通道之間的增益校準在器件外部進行調整。ADE 7755采用SSOP封裝。在各種負載條件下提供低頻（F1/F2）和高頻（CF）同步輸出[7]。

2.3 解決ADE7755與微控制器（MCU）接口

最簡單的方法是使用CF高頻輸出，輸出頻率設定為2 048（F1，F(xiàn)2）[8]。這要求設置SCF=0和S0=S1=1，見表1。

當模擬輸入端加有滿度交流信號時，CF輸出頻率將達5.5 kHz左右。如圖1所示的方案能把輸出頻率數(shù)字化，并完成前面提到的平均作用。

頻率輸出CF端接到MCU的計度器或I/O端口，MCU在內部定時器設定的積分時間內對CF輸出的脈沖計數(shù)，平均功率正比于平均頻率如圖1所示，由下式確定：

平均功率=平均頻率=脈沖個數(shù)/積分時間。

在一個積分周期內消耗的電能為：

電能=平均功率x積分時間=（脈沖個數(shù)/積分時間）x積分時間=脈沖個數(shù)。

用作儀表檢驗時，積分時間應在10～20 s，以便能累積足夠數(shù)量的脈沖，求得正確的平均頻率。在正常運行是，積分時間可以減到1～2 s，這取決于顯示器更新速率的需要[9]。當積分時間較短時，及時在穩(wěn)定負責條件下，在每個更新周期內的電能計數(shù)值會有一些小波動，然而在1 min或更長時間內，測出的電能將不會有波動。

2.4 ADE 7755電量采集外圍電量設計

ADE 7755外圍應用電路由電流采樣電路、電壓采樣電路、輕載調節(jié)電路、頻率選擇電路、高頻輸出和低頻輸出電路等組成。外圍應用電路圖如圖2所示，電流采樣電路如圖3所示。

使用分流器的電流采樣電路圖如圖3所示，其中F1為分流器，R1、R2為采樣電阻，C1、C2為采樣電容，他們?yōu)殡娏鞑蓸油ǖ捞峁┎蓸与妷盒盘?，采樣電壓信號的大小由分流器的阻值和流過其上的電流決定。

電流采樣通道采用完全差動輸入，V1P為正輸入端，V1N為負輸入端[10]。

電流采樣通道最大差都能峰值電壓應<470 mV，電流采樣通道有一個PGA，器增益可由ADE 7755的G1和G0來選擇，見表2。

當使用分流采樣時，G1、G0都接高電平，增益選擇16，通過分流器的峰值電壓為±30 mV，當設計電表為5（20）A規(guī)格時，分流器阻值選擇為500 ？滋Ω，當流過分流器的電流最大電流20 A時，其采樣電壓為：

500 ？滋Ω×20 A=10 mV，

不超過峰值電壓半滿度值，這樣考慮允許對電流和高峰值因數(shù)進行累計。當使用互感器采樣時，其電路如圖4所示。

使用互感采樣時，G1、G0都是低電平，增益選擇1，電流采樣通道最大差動峰值電壓為±470 mV，其差動信號由互感器的二次側電流流過電阻R30和R31產(chǎn)生，互感器二次側額定電流5 mA，當過載4倍時，二次側電流為20 mA，其流過電阻R30和R31產(chǎn)生的差動信號為96 mV，遠小于峰值電壓半滿度值（235 mV）。

R1C1和R2C2組成兩個低通濾波器，衰減掉那些無用的高頻分量，從而防止有用頻帶內失真。R1、R2、C2、C1阻值、容值的選取對電表的性能有很大的影響，這里選用的數(shù)值為：

R1=R2=300 Ω，

C1=C2=27 nF。

電壓采樣電路圖如圖5所示。

電壓輸入通道（V2N，V2P）也為差分電路，V2N引腳連接到電阻分壓電路的分壓點上，V2P接地。

電壓輸入通道的采樣信號是通過衰減線電壓得到的，其中R6至R15為校驗衰減網(wǎng)絡，通過短接跳線J1～J9可將采樣信號調節(jié)到需要的采樣值上，這里設計的電能表基本電流是電壓采樣為174.2 mV，為了準許分流器的容差和片內基準源8%的誤差，衰減校驗網(wǎng)絡應該允許至少30%的校驗范圍，根據(jù)圖4的參數(shù)，器調節(jié)范圍為169.8～250 mV，完全滿足了調節(jié)的需要。

這個衰減網(wǎng)絡的-3 dB頻率是由R4和C3決定的，R19、R23、R24確保了這一點，即使全部跳線都接通，R19、R23、R24的電阻仍遠遠大于R4，R4和C3的選取要和電流采樣通道的R1C1匹配，這樣才能保證兩個通道的相位進行恰當?shù)钠ヅ洌蛳辔皇д{帶來的誤差影響。

輕載調節(jié)電路如圖6所示。

輕載調節(jié)電路如圖5所示，其原理是用電壓采樣處的電壓值再經(jīng)分壓后加到電流采樣的正或負端來增大或減少電流采樣，達到調節(jié)的目的。

當短接S2到I+或I-時，附加到分流器端的電壓值為：

Vq=R1×Vx/（R20+R1）

R1、Vx已知，可通過改變R20的值來改變需要補償?shù)碾妷褐?。根?jù)計算當R5為200 k時，Vq約為0.0003 mV。

在輕載時電流采樣值：

Vi=2.5 mV×0.05=0.125 mV。

輕載誤差改變量為：

0.0003/0.125=0.0024，

即0.24%，在校驗臺表現(xiàn)為輕載誤差增大或減小0.24。

①頻率選擇電路：

ADE7755的輸出頻率由其SCF、S1、S0引腳決定，其中SCF的邏輯輸入電平確定CF引腳的輸出頻率，S1、S0引腳的邏輯輸入用選擇數(shù)字或頻率轉換系數(shù)[12]。

②高/低頻輸出電路：

DE7755的CF為頻率校驗輸出引腳，其輸出頻率反應瞬時有功功率的大小，常用于儀表校驗，電路如圖7所示。

R18為限流電阻，LED為脈沖指示燈，在校驗時，可用常規(guī)光點采集脈沖指示燈發(fā)出的信號進行誤差校驗，U3為隔離光耦，其輸出可連接誤差校驗臺，快速對儀表進行校驗。

C11為去耦電容，其作用一是濾除高頻干擾信號對LED的影響，二是在高溫環(huán)境下，對疊加到U3輸入引腳的干擾信號起到一個放電通路的作用，防止U3誤導通。

3 軟件設計

程序采用C/S模式，以單片機作為Server端，采用C51語言進行編程，采用循環(huán)的工作方式，完成數(shù)據(jù)采集及發(fā)送，客戶端采用了C#語言，實現(xiàn)客戶端發(fā)送請求給服務端，服務端依據(jù)客戶端的請求指令返回相應的數(shù)據(jù)，客戶端接收數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行存儲并通過數(shù)據(jù)分析與計算得出結論，為社區(qū)管理人員提供依據(jù)。單片機主程序流程圖8所示。

CP 2200控制器中的數(shù)據(jù)傳輸流程圖9所示。

利用TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，單片機此傳輸數(shù)據(jù)部分的流程圖如圖10所示。

主要函數(shù)如下：

UINT tcp_server（UCHAR xdata *inbuf，UINT header_len，UCHAR nr，UCHAR resend）

在此函數(shù)上將采集到的數(shù)據(jù)進行逐級打包，添加IP頭部和以太網(wǎng)頭部，并通過CP 2200發(fā)送到客戶端上。

在客戶端采用C#編程，利用Socket類使用套接字與單片機服務端進行對接，使之可以建立TCP連接，進行數(shù)據(jù)的傳輸[13]。

4 結 語

實現(xiàn)溫度采集功能模塊，并對ADE電量采集模塊進行可行性的分析。后續(xù)相關功能模塊需要深入分析并進一步拓展，為實際應用打下深厚的基礎。

社區(qū)養(yǎng)老智能化網(wǎng)絡服務系統(tǒng)架構的構建，為社區(qū)養(yǎng)老智能化網(wǎng)絡服務系統(tǒng)的完善提供了依據(jù)，其具有的應用前景為老年人養(yǎng)老提供一個便利的環(huán)境，增強老年人的幸福感。

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