基于MSP430F149单片机的智能远传三相电表设计

陈晓龙，裘友凤

CHEN Xiao-long1，QIU You-feng2

（1.江西旅游商贸职业学院，南昌 330100；2.江西交通职业技术学院，南昌 330013）

1 智能远传三相电表硬件总体设计思路

智能远传三相电表作为一种以网络为通道的远程自动抄表系统，具有实时性好、测量准确、成本低、便于管理等优点，将逐步成为电能表发展主流。

该智能远传三相电表以MSP430F149单片机为核心控制处理器，采用专用计量集成电路芯片CS5460A作为三相电能采样与数据处理，完成传统的三相电表功能；并通过ENC28J60芯片与主控制器连接实现数据远传功能。

系统硬件组成及结构框图如图1所示。

图1 硬件组成及结构系统框图

该项目的硬件电路设计主要包括四个部分内容：1）单片机控制系统；2）三相电能采样与数据处理电路；3）ENC28J60芯片与主控制器通信电路；4）实现各功能要求所必需配置的外部设备，如按键、显示器等。

项目设计内容及实施方案：

1）设计内容

（1）基于MSP430F149单片机的控制系统设计；

（2）采用集成芯片CS5460A实现电能检测与计量设计；

（3）基于ENC28J60以太网控制器的网络通信设计；

（4）基于SPI的多芯片网络通信设计。

2）实施方案

本项目设计采用MSP430F149单片机为核心控制处理器的三相电能表的硬件结构；集电量参数监测计量与显示一体化，电量参数监测采用专用测量芯片CS5460A,采用128×64点阵液晶显示器。该项目网络通信采用ENC28J60以太网控制器技术；使本产品具有集成化程度高、功能强、系统结构简单、成本低、抗干扰能力强、功耗低等优点，满足电能智能化管理要求。

2 各功能模块的具体电路设计

本项目智能远传三相电表整个硬件系统电路主要包括MCU控制电路、电能检测与数据采集电路、工作电源电路、显示电路和以太网接口电路。MSP430F149主控制器通过I/O口模拟SPI串口通信对三片电能测量专用芯片CS5460A的采集电量进行读取，并通过自带SPI串口与ENC28J60以太网控制通信进行数据远传。其硬件系统结构图如图2所示：

图2 智能远传三相电表系统硬件结构图

1）基于MSP430F149的智能远传三相电表控制系统设计

本智能远传三相电表以MSP430F149单片机为核心控制处理器，采用三片专用计量集成芯片CS5460A作为三相电能采样与数据处理，并通过MSP430F149模拟SPI串行口与之通信，完成三相电能的数据检测与采样功能；另外MSP430F149单片机通过自带SPI串行口与ENC28J60芯片连接实现数据远传功能。

如图2所示，MSP430F149单片机与专用计量集成芯片CS5460A因工作电压不一致，它们之间需加电平转换电路进行连接。MSP430F149单片机有内置液晶驱动模块，可以直接驱动LCD显示。

本项目设计选用的MSP系列单片机MSP430F149，集成了多种功能模块，包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口（SPI/UART）,看门狗定时器，I/O端口等。

2）采用CS5460A芯片设计的电能检测与计量硬件电路

电能测量专用芯片CS5460A是一种测量单相能量的芯片,本项目采用三片CS5460A芯片组合使用来完成电网中三相电量的检测与采样。设计方法如图2所示：采用CS5460A芯片实现电能检测与计量的硬件电路中，电力线与CS5460A之间是隔离的。电气隔离通过3个变压器实现。一个是普通的变压器，用于提供CS5460A板 上的直流电源。一个是高精度、低阻抗的变压器，在较高的谐波下也具有很小的衰减和相位延迟。一个电流互感器用于测量电源线电流，一个电阻跨接在电流互感器的次级，对CS5460A 的电流通道产生电流感应的电压信号。由于CS5460A不直接接在电源线上，因此其数字接口不需隔离。

3）基于ENC28J60芯片的以太网硬件电路设计

ENC28J60与主控制器通信连接采用的是SPI接口。由于ENC28J60通信要求实时性好,固本设计采用MSP430F149单片机自带SPI接口单独进行串行通信。

本智能三相电表采用了基于ENC28J60芯片实时以太网进行数据传输的设计方法。该装置在MSP430F149单片机上植入TCP/IP协议栈，通过对协议的合理简化以及加入优先报文机制来解决工业以太网的实时问题，并且代替工业总线传输模式，同时又可根据预定限值实时进行逻辑判断以监测被测系统的数据变化。

以太网接口则主要由ENC28J60、网络变压器、RJ45接口构成。信号调理部分用于处理传感器提供的测量信号。其接口硬件连接及单片机MSP430F149和ENC28J60的接口电路如图3所示。

图3 ENC28J60与MSP430F149接口电路

ENC28J60和MSP430F149的工作电压同为3.3V，电路中省去了电平转换的需要。图3中，MSP430F149采 用 三 线SPI操 作，UCLK、SOMI、SIMO分 别 连 接 ENC28J60的 SCK、SI、SO脚。ENC28J60的CS脚有同步串行通信的功能，接MSP430F149的一根I/O口P3.0。

3 软件设计

1）MSP430F149软件结构

本智能远传三相电表项目的软件系统主要由MSP430F149主控制程序、CS5460A数据采集与处理程序、和ENC28J60以太通信程序三部分组成。并包含键盘、显示器等外部设备的驱动等辅助程序。

MSP430F149的主程序框图如图4所示。

图4 MSP430F149主程序流程图

2）管理软件界面显示

PC机人机对话管理软件界面本项目采用了可视化语言VB程序进行设计。设计了友好的人机对话界面。如图5所示：

图5 PC机人机对话管理软件界面

4 结束语

本项目完成了基于MSP430F149单片机为核心控制处理器的智能远传三相电能表的硬件结构和软件流程设计。该项目集电量参数监测计量和显示于一体，具有集成度高、功能强、成本低、抗干扰能力强、功耗低等优点，满足了电能智能化管理要求。该项目采用了基于ENC28J60芯片最小实时以太网控制器进行数据传输的设计方法；不但实现了与主控制器通信实现数据远传功能，而且降低了成本，精简了的TCP/IP协议栈上加入了实时协议，增强了实时性。可以方便地实现实时监测、高速数据采集、查表打印、系统监控等功能，是电能表集抄未来发展的一大趋势。

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