摘 要：本文分析了工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點，介紹了一種基于改進的工業(yè)以太網(wǎng)多功能電量變送器的設(shè)計方法。該裝置采用MSP430F149和AT89S58并行處理技術(shù)，通過以太網(wǎng)發(fā)送電流、電壓、有功、無功等實時測量值。測試表明，該變送器能夠準(zhǔn)確無誤的把測量數(shù)據(jù)傳送到上位機，并由管理軟件界面顯示出來。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；實時；電量變送器；MSP430F149；UDP/IP

中圖分類號：TP216 文獻標(biāo)志碼：A

Ethernet Interface With The Transmitter Power Of The Design

And Implementation

LUO Yi-liang

（Jiangxi yichun univesity yichun Jiangxi 336000，China）

Abstract:This paper analyzes the advantages and disadvantages of industrial Ethernet systems， introduced an improved industrial Ethernet-based multi-function power of the transmitter design. MSP430F149 use of the device and AT89S58 parallel processing technology， Ethernet send current， voltage， active power， reactive power， and other real-time measurements. Testing shows that the accuracy of the transmitter to send data to the PC， and management software interface displayed.

Key words:Ethernet;Real-time ; Transmitter power; MSP430F149 ; UDP/IP

近年來，由于國際現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作沒有達到人們理想中的結(jié)果，以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)逐步在自動化行業(yè)中得到應(yīng)用，并發(fā)展為一種在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，并且在材質(zhì)選用、產(chǎn)品強度和適用性方面能滿足工業(yè)現(xiàn)場需要的工業(yè)以太網(wǎng)。

但是，工業(yè)以太網(wǎng)采用的介質(zhì)訪問控制方式是CSMA/CD（即沖突檢測載波監(jiān)聽多點訪問），它的本質(zhì)是非實時的，這個就決定了工業(yè)以太網(wǎng)的非實時性。因此以太網(wǎng)是否可以向下延伸，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場儀表設(shè)備一直是近年來工控行業(yè)的一個爭論焦點和研究熱點。

本文給出了一種具有以太網(wǎng)接口的電量變送器的設(shè)計方法。該裝置采用雙CPU，在通過對通信協(xié)議的合理簡化以及加入可靠性策略，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［1］。

1 硬件設(shè)計

該電量變送器主要由互感器測量、頻率測量、CPU數(shù)據(jù)處理和以太網(wǎng)通信控制4部分組成［2］。硬件系統(tǒng)中采用了雙CPU并行處理技術(shù)，其中CPU1為低功耗16位單片機MSP430F149，CPU2為8位單片機AT89S58，以太網(wǎng)控制芯片為Realtek半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的帶有PNP功能全雙工的RTL8019AS。其原理框圖如圖1所示：

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分由模擬量輸入電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路組成。大信號三相交流量經(jīng)過電流型電壓和電流互感器后再通過信號調(diào)理電路進行低通濾波和信號變換。由于MSP430F149片內(nèi)的ADC12為單極性且正端參考電壓源選擇3.3V，負電壓源為0V，因此輸入信號電平應(yīng)為0～3.3V。本設(shè)計中采用運放升壓電路作為信號調(diào)理電路，提高輸入信號的零點位置。在設(shè)置ADC采樣通道順序時，交替采集電壓和電流，可以減少各相的相位誤差。

1.2 測頻

本設(shè)計采用的是硬件測頻技術(shù)，測量A相電壓的頻率。將經(jīng)過調(diào)理后的交流小信號輸入MSP430F149內(nèi)部比較器，與內(nèi)部參考電壓發(fā)生器輸出0.25Vcc進行比較，比較器輸出的方波信號送至工作于捕獲模式的定時器。定時器在方波的上升沿開始計算，在下一個上升沿到來時將計數(shù)值復(fù)制到寄存器CCRx中，該計數(shù)值對應(yīng)于工頻的周期，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可得到工頻頻率。

硬件測頻相對于軟件測頻精度更高，根據(jù)頻率的變化能夠及時修正采樣頻率，保證全波傅立葉算法的精度和整個測量系統(tǒng)的精度。

1.3 MSP430F149與AT89S58通信

兩者通信的硬件電路如圖2所示：

MSP430F149與AT89S58通過SPI接口進行串行通信。MSP430F149采用三線SPI操作，作為從機；AT89S58為主機，使用串行通信口RXD和TXD，TXD是用于產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，RXD和SIMO、SOMI連在一起。為了避免在RXD上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沖突，采用了兩片帶方向選擇和使能端的三態(tài)門74LS245的芯片來控制RXD上的數(shù)據(jù)方向。

當(dāng)MSP430F149有發(fā)送請求的時候，將P3.0作為輸出口置為0，U3的DIR和OE都為低電平，74LS245芯片的數(shù)據(jù)流向為B->A，即SOMI->RXD。當(dāng)AT89S58檢測到P1.3輸入口為低電平時，就在軟件中屏蔽AT89S58的發(fā)送功能，進入接收程序。那么AT89S58發(fā)送請求時，過程與以上相同，此時，74LS245芯片上的數(shù)據(jù)流向為A->B，即RXD->SIMO。

考慮到MSP430F149的工作電壓為3.3V，而AT89S58工作電壓為5V，所以在MSP430F149接收數(shù)據(jù)時需要進行電平轉(zhuǎn)換。在圖2.8中，此電壓的轉(zhuǎn)換由74HCT08完成。74HCT08是四與門，具有TTL電平輸入的5V COMS芯片。

1.4 以太網(wǎng)通信控制

通信控制部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。RTL8019AS是網(wǎng)絡(luò)接入的常用芯片。采用8位總線方式，即IOCS16B腳用27K(電阻下拉接地，復(fù)位上升沿時鎖定其電平。因此低八位SD~SD7接AT89S58 P0的8位數(shù)據(jù)總線D0~D7，其它高8位數(shù)據(jù)線懸空。由于RTL8019AS沒有外接初始化的EPROM，故其復(fù)位時命令寄存器（CR）的I/O地址的值為缺省值0X300，所以，為滿足RTL8019AS的ISA時序，A5~A19的連接必須使其地址鎖定在0X300，否則，無法訪問到RTL8019AS的寄存器。RTL8019AS除了與單片機相連外，在管腳61、62、63上接三個LED，讓它們分別以瞬時閃爍來指示網(wǎng)絡(luò)傳送發(fā)送沖突、網(wǎng)絡(luò)接收正常和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送正常。以此，可以快速的判斷網(wǎng)卡的實時工作狀態(tài)如何。除此之外還在其網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的四根引腳TPOUT+、TPOUT-、TRIN+、TPIN-接外部脈沖變壓器FB2022，通過它與以太網(wǎng)相連，來提高網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力［3］。

2 軟件設(shè)計

在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，采用模塊化設(shè)計方法，主要由主程序、定時器中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序、SPI串口通信、顯示程序以及通信程序構(gòu)成。在這里只介紹SPI串口通信和以太網(wǎng)通信程序。

2.1 SPI串口通信

MSP430F149和AT89S58都采用中斷方式發(fā)送并接收數(shù)據(jù)［4］。由于SPI串行口只傳輸8位數(shù)據(jù)，因此設(shè)計中，AT89S58的串行接口設(shè)置為工作方式0，波特率為振蕩器頻率/12=22M/12=1.8MHz，即TXD的頻率固定為1.8MHz。同步移位時鐘脈沖從TXD引腳上輸出，數(shù)據(jù)從RXD引腳上接收和發(fā)送。

在這里得注意，數(shù)據(jù)傳輸時，AT89S58數(shù)據(jù)是低位在前、高位在后，而SPI數(shù)據(jù)是高位在前、低位在后，因此軟件編程時必須在SPI發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)后，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)或接收到的數(shù)據(jù)反序排列。MSP430F149和AT89S58流程圖如圖4、圖5所示。

2.2 以太網(wǎng)通信

嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)前，首先要分配RTL8019AS的收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，對工作參數(shù)進行設(shè)置后，進入正常工作狀態(tài)。當(dāng)主程序響應(yīng)RTL8019AS的中斷時，在ISR入口，根據(jù)ISR寄存器的值來確定程序走向［4-5］。其流程圖如圖6所示。

設(shè)計中的通信協(xié)議沒有采用常用的TCP協(xié)議。因為TCP協(xié)議是面向連接的，為了保證傳送的可靠性，需要通過三次握手法來建立連接，這就在傳送過程中有一定的時延。因此，設(shè)計中在傳輸層采用UDP協(xié)議，并在UDP協(xié)議之上添加了可靠性策略來保證數(shù)據(jù)正確到達，即在發(fā)送序列中和接收序列號中定義了一種數(shù)據(jù)重發(fā)機制。發(fā)送數(shù)據(jù)的進程為發(fā)送報文賦予了發(fā)送序列號，發(fā)送序列號代表了發(fā)送的有效數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的起始位置。對于第一個數(shù)據(jù)報，它的發(fā)送序列號可以任意選取，后續(xù)的數(shù)據(jù)報的發(fā)送序列號就應(yīng)該是前面的發(fā)送序列號加上數(shù)據(jù)長度，例如設(shè)計中定義：

#define seq1 0x0000 0001 //起始序列號

#define DataSize 0x64//數(shù)據(jù)長度

則seq2=seq1+DataSize=0x0000 0065

而接收序列號則表示的是接收方接收到數(shù)據(jù)后發(fā)回給發(fā)送方的確認(rèn)序列號，它的值應(yīng)該是接收方期望接收到的一個數(shù)據(jù)報的起始地址，即seq1的返回序列號ack1=seq2。接收序列號的表示接受方確認(rèn)接收到了發(fā)送方送來的若干個數(shù)據(jù)，并且希望發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)。設(shè)計中通過超時重傳和丟失重傳的重傳機制保證接收方以最大的概率接收到發(fā)送方的數(shù)據(jù)。

3 管理軟件界面顯示

PC機管理軟件界面如圖7和圖8所示：

4 結(jié)論

本文設(shè)計的變送器采用MSP430F149，MSP430F149豐富的外圍功能模塊簡化了外圍電路，降低了成本，同時，精簡了的UDP/IP協(xié)議棧上加入了實時協(xié)議，增強了實時性。

參考文獻

［1］專祥濤，韓小琪等.一種微機智能電量綜合變送器［J］.繼電器，2002(1):34-37.

［2］沈建華，楊艷琴等.MSP430系列16位超低耗單片機原理與應(yīng)用［M］.清華大學(xué)出版社，2004.

［3］萬靜華，丁亞軍.以太網(wǎng)控制器的嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001(12):17-19.

［4］李志春.單片機技術(shù)在智能交流接觸器實時調(diào)控中的應(yīng)用研究［J］.船海工程，2007(1):82-85.

［5］刑國穩(wěn)，虞哲明.實時控制協(xié)議在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.控制系統(tǒng)，2005(6):57-60.