1 引言

隨著網(wǎng)絡的迅速發(fā)展．嵌入式系統(tǒng)的應用日益廣泛．不僅PC機能上網(wǎng)，而且各種各樣的嵌入式設鋸都可以上網(wǎng)，能上網(wǎng)的嵌入式設備需要加上TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，這也對檢測電力系統(tǒng)運行狀況的儀器設備提出更高的要求。嵌入式系統(tǒng)以其內(nèi)核小、專用性強，系統(tǒng)精簡、高實時性等特點，在各領域取得廣泛應用，因此嵌入式設備網(wǎng)絡化是迄今科技發(fā)展的趨勢。

在現(xiàn)今經(jīng)濟社會中，電力負荷急群增大，諧波對電力系統(tǒng)的污染越來越嚴重，且是目的電網(wǎng)中影響最為重要的一項指標。本文建立在基于ARM的電壓諧波智能監(jiān)測及消諧裝置的實例研究基礎上，重點闡述基于ARM7內(nèi)核的STR710處理器的嵌入式以太網(wǎng)接口的設計與實現(xiàn)。

2 基于ARM的電壓諧波智能監(jiān)測及消諧裝量的結構框圖及工作原理

本裝置主要結構包括：開關電源模塊、信號采樣調(diào)理電路，A/D轉換電路、實時時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲電路、網(wǎng)口電路、人機交互漫示電路和ARM7控制器等幾部分。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1結構框圖（strueture）

兩路被測信號經(jīng)過電壓互感器的采集，然后經(jīng)信號調(diào)理和A/D轉換器變?yōu)樾枨蠓秶?a target="_blank">數(shù)字信號送ARM7處理。ARM芯片利用FFT變換可計算出各路電壓有效值，2～32次諧波含量，再參照電網(wǎng)電壓諧波標準進行相應處理。如果是高次諧波就立即觸發(fā)雙向可控硅導通，在切除時只要撤銷觸發(fā)信號即可．開關在電流過零之后會自行關斷。這樣，ARM7就可以有效控制可控硅的導通及導通時間，消除有害諧波。

電壓信號的采集對電網(wǎng)頻率的任何電能質(zhì)量參數(shù)的精確測量都十分關鍵。在監(jiān)測儀中采用精密電壓互感器，將輸入端信號轉化為毫安級的電流信號，經(jīng)過電阻取得電壓信號。信號調(diào)理電路由電壓跟隨電路、全波整流、鎖相環(huán)電路和分頻電路組成。其中鎖相環(huán)電路和分頻電路是保持信號的同步，以便準確的測量諧波。由于本監(jiān)測儀足對兩路信號進行監(jiān)測，每路需要在20ms內(nèi)采樣256個點的數(shù)據(jù)，這對A/D芯片速度有更高的要求。該監(jiān)測儀A/D轉換芯片采用最大采樣頻率為750kHz的AD7492。

消諧裝置主要利用雙向可控硅組件，直接動作于電壓互感器的開口三角繞組。通信部分主要有232、485和網(wǎng)口形式。電壓諧波計算由ARM芯片采用FFT算法完成。本文的ARM7芯片選用的是ST公司的STR710。ARM7以太網(wǎng)接口的設計與實現(xiàn)，采用STR710微控制器與以太網(wǎng)控制芯片CS8900A進行硬件設計，通過TCP/UDP協(xié)議進行通訊。

ARM7芯片通過和CS8900A控制器的以太網(wǎng)接口的設計和實現(xiàn)，可以實現(xiàn)對活潑的在線監(jiān)測及消除。對電力系統(tǒng)的維護具有十分重要的意義。

3 STR710簡介

STR710是基于16/32位ARM7TDMI的微控制器。STR710的特點包括：支持32位/16位RISC體系結構（ARM v4T）。片內(nèi)集成flash和高達64KB的RAM存儲器。擁有4個外部存儲器接口（EMI）。32位ARM指令集和16位Thumb指令集。擁有非復用的16位數(shù)據(jù)和24位地址總線。STR710集成了許多標準的接口，包括USB-Device、4個UART、10Base-T以太網(wǎng)控制器等。STR710還集成了JTAG-ICE、UART調(diào)試通道（DBUG）的調(diào)試功能。

4 CS8900A以太網(wǎng)控制器

CS8900A以太網(wǎng)控制器是由Cirrus Logic公司出的一款低成本的以太網(wǎng)控制芯片，集成了IEEE802．3協(xié)議標準的介質(zhì)訪問控制子層（MAC），并且支持全雙工操作。不僅具有其它以太網(wǎng)控制器芯片所具有的基本功能外，還有自己獨特優(yōu)點：優(yōu)化于工業(yè)標準體系結構（ISA）；獨特的PacketPage結構可自動適應網(wǎng)絡通信模式的改變，占用系統(tǒng)資源少，從而增加系統(tǒng)效率；高度集成的設計，適合作為智能嵌入式設備網(wǎng)絡接口。在本文設計

中，CS8900A用作I/O模式，其特點是占用系統(tǒng)資源少，硬件連接方便。

本設計采用的是STR710和CS8900A組成的以太網(wǎng)接口方案。軟硬件系統(tǒng)結構如圖2所示：

圖2系統(tǒng)結構圖（figure2：system structure）

5 硬件電路

結合STR710微處理器和CS8900A各自的特點，構成的嵌入式以太網(wǎng)接口的連接硬件原理圖如圖3所示。

（1）CS8900A端的讀信號（IOR非）通過或門（74HC32）與STR710的讀信號（RD）和片外存儲器CS1（bank1）相連。

（2）CS8900A端的寫信號（lOW非）通過或門（74HC32）與STR710的寫信號（WEO）和片外存儲器CS1（bank1）連接。

（3）數(shù)據(jù)總線D0-D15對應相連用于16位數(shù)據(jù)傳輸。

（4）CS8900A地址總線（SA1-SA3）對應STR710（A12-A14）相連，CS8900A的地址總線SA0和系統(tǒng)總線使能（SBHE非）與STR710的地址總線A11相連。

（5）復位信號對應相連。

圖3硬件連接原理圖（figure3．hardware connection principle）

6 軟件實現(xiàn)

6．1驅(qū)動模塊CS8900程序設計

本文采用的是CS8900A的I/O模式。CS8900驅(qū)動模塊程序包括以下內(nèi)容：

（1）設定以太網(wǎng)物理地址，可在初始化CS8900前修改。（2）定義接收幀類型，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)．地址端口（3）設置工作模式，8位或16位模式。本設計采用16位模式，本文中將CS8900中的SBHE非和SA0都與STR710的地址總線A11相連，使其工作在16位模式。設定數(shù)據(jù)包收發(fā)過程中所用寄存器以及中斷方式。（4）發(fā)送幀請求．初始化CS8900．數(shù)據(jù)包收發(fā)流程。

由于CS8900A地址線SA0接STR710地址總線A11 （見圖3原理圖），因此訪問CS8900A的端口地址必須左移11位。片外存儲器Bank1的地址范圍是0x62000000-0x62FFFFFF．即首地址為0x62000000。以太網(wǎng)端口地址相關程序可以定義為：

#define ETH_Port（n）（*（vu 16*）（0x62000000 I（n）《《11）） 初始化CS8900的軟件流程圖如圖4：

圖4軟件流程圖（software flow chart）

6．2 LwIP協(xié)議棧的實現(xiàn)

LwIP即Light Weight （輕型）IP協(xié)議，是瑞士計算機學院（SICS）的Adam Dunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源碼的TCP/IP協(xié)議棧。它占用空間小。在保護協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM和ROM的占用。一般它只需要幾十K的RAM和40K左右的ROM就可以運行。LwlP實現(xiàn)了較為完備的IP、CMP、UDP、TCP協(xié)議。具有超時時間估計、快速恢復和重發(fā)、窗口調(diào)整等功能。該協(xié)議棧提供了一組API函數(shù)供應用程序調(diào)用，編程方便。由于采用靈活的數(shù)據(jù)包存儲機制。發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)在各層協(xié)議之間不需要拷貝，內(nèi)存消耗小。

本文設計中UDP協(xié)議的實現(xiàn)包括以下內(nèi)容：（1）設置通信UDP IP地址及端口，設定發(fā)緩沖區(qū)類型（2）設定UDP功能函數(shù)，分配一個新的UDP PCB，為緩沖區(qū)分配內(nèi)存（3）CS8900A復位 （4）初始化LwIP的內(nèi)部緩沖區(qū)、網(wǎng)絡界面，設置MAC地址（5）修改默認網(wǎng)絡配置以適應具體需要．配置網(wǎng)絡地址．網(wǎng)關，子網(wǎng)掩碼（6）建立LwlP網(wǎng)絡界面，設為默認網(wǎng)絡界面并啟動網(wǎng)絡界面（7）初始化IP，TCP，HTTP模塊（8）UDP端口綁定，指定接收回調(diào)函數(shù)，接收來自NIC的數(shù)據(jù)包，是否有數(shù)據(jù)包被接受？如果有．將數(shù)據(jù)包交給LwlP處理。

7 結束語

隨著經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，如電弧爐等眾多的家用電器的非線性負荷不斷增大，導致電力系統(tǒng)中的諧波水平隨之提高。因此，由諧波引起的系統(tǒng)諧振所產(chǎn)成的過電流、過電壓對電力系統(tǒng)的安全運行帶來的危害不容忽視，而通過對基于ARM的電腿諧波智能監(jiān)測及消諧裝置的實例研究，對于電力系統(tǒng)的安全運行意義重大。

本文作者創(chuàng)新點：提出了在移植LwlP協(xié)議棧下基于ARM7嵌入式以太閱接口的實現(xiàn)方法．并在ARM7開發(fā)板上成功的用于實現(xiàn)。目前，ARM處理器由于它具有高性能、低成本、低功耗等特點，已經(jīng)成為應為最為廣泛的嵌入式處理器，以及CS8900A以太網(wǎng)控制器的性能優(yōu)良．功耗低，價格低廉等待點。在市場上10Mb/s嵌入式網(wǎng)絡應用中占有很大的比例，因此基于ARM的電壓諧波智能監(jiān)測及消諧裝置的研究，特別是基于ARM7嵌入式以太網(wǎng)接口的實現(xiàn)，對于開展預防和抑制諧波諧振放慢必將有著良好的應用前景。

責任編輯：gt