信息化智能供电设备嵌入式软件设计与实现
发布时间：2022-01-10 19:18
稳定可靠的电源供给是电子设备高效工作的先决条件。当前有不少电子设备远离控制中心,还可能工作在危险边远地带,需要实时监控用电设备电源工作状况。智能化需求提高,用户往往需要实时了解设备电源供给情况。供电异常可能会损坏电子设备,导致很大的经济损失。如果电源出现异常或有故障征兆时,及时发现并切断其对电子设备的供电可以有效保护电子设备。因此,带有远程实时监控功能的供电设备的研制很有必要。本项目使用ARM公司Cortex-M4系列的处理器,使用标准库开发方式设计了一种基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的信息化智能供电设备嵌入式软件系统。本文根据供电设备的功能需求和性能指标,介绍了供电设备的硬件环境,将供电设备分为配电控制端和环境参数采集端,并进行了供电系统软件方案设计。在FreeRTOS的基础上,将配电控制端系统功能划分为电能参数采集与处理任务、电气异常状态诊断任务、网络通信任务和故障状态显示任务,将环境参数采集端系统功能划分为环境参数采集任务、串口屏显示控制任务和串口通讯任务。对FreeRTOS实时操作系统进行了详细的介绍,实现了FreeRTOS的内核裁剪的移植,并利用内核资源如信号量、任务...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
4HC595时序图
第四章应用任务程序设计35图4-7可变数据长度模式下SPI读操作时序图（三）通讯模式选择SPI作为一种全双工通讯接口，具有四种通讯模式，由图4-7可知，他们的区别在于不传数据时的SCLK电平高低和数据锁存产生在SCLK引脚上的第二个边沿或第一个边沿。为了方便描述，我们将SCLK为低电平，第一个边沿采样称为模式1，第二个边沿采样称为模式2；SCLK为高电平，第一个边沿采样为模式三，第二个边沿采样为模式4。根据W5500芯片手册，W5500只支持模式0和模式3，因此本系统选择模式0通讯模式。（四）芯片初始化设置根据前文所述，系统选用UDP通信协议，因此在设计网络通信任务之前，需要通过SPI将配置信息写入W5500内部寄存器中。如图4-8为W5500芯片初始化流程图。首先初始化IP信息，定义五个数组，分别保存W5500的IP地址、子网掩码、网关和MAC地址，并通过SPI将这些信息分别写入W5500的源IP地址寄存器、子网掩码寄存器、网关IP地址寄存器和源MAC地址寄存器。然后初始化socket，向W5500的socket模式寄存器写入数据0x02，表示选择UDP模式，定义一个整形变量，存储目标板端口号为8888，并通过SPI将端口号写入W5500的socket源端口寄存器，向W5500的socket配置寄存器写入数据0x01，表示打开socket通道，W5500支持8个socket作为通信通道，本系统选择通道0。最后读取socket配置寄存器数据，读取数据非0表示打开成功。
第四章应用任务程序设计41环境参数及电能参数监测端STM32使用模拟IIC技术来连接SHT15，实现对环境温湿度数据的采集。模拟IIC配置模式如表4-5所示。表4-5模拟IIC模式配置配置项配置信息RCCHCLK为168MHz数据线DATA配置引脚：PB7；GPIO速度：50MHz；模式：开漏输出；上拉下拉：下拉时钟线SCK配置引脚：PB6；GPIO速度：50MHz；模式：开漏输出；上拉下拉：下拉模块上电后，数据线GPIO设置成输出状态，在程序开始，STM32需要控制GPIO引脚产生起始信号，表示开始进行数据传输，IIC通讯起始信号时序图如图4-11所示。当SCK时钟为高电平时，DATA线从高电平翻转为低电平，紧接着SCK线变为低电平，DATA线电平状态保持不变，随后SCK线从低电平向高电平切换，DATA线从低电平向高电平切换。图4-11模拟IIC启动信号时序图IIC主机发送启动命令后，紧接着向SHT15发送一个八位命令码，根据数据手册，发送0x03表示让SHT15开始温度测量，发送0x05表示让SHT15开始湿度测量。MCU发出测量命令后，必须等待测量完成，MCU设置DATA线为输入，释放DATA线，至温湿度测量完成，SHT15拉低DATA线电平并进入空闲模式，MCU必须等待此数据就绪信号，然后重新启动SCK读出数据。为了得到环境温湿度值，还需要将SHT15输出的数字量值转换成实际温湿度值。根据SHT15数据手册，SHT15通过模拟IIC输出数字量值，其湿度输出特性具有一定的非线性，为了得到更加准确的湿度值，需要对湿度数字量进行非线性补偿，来修正输出数值，然后将输出数值转换成实际湿度值。而芯片关于温度的计算具有很好的线性，可以非常方便的转换成实际温度值。结合前文所述的测量过程，环境温湿度采集流程图如图4-12所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能配电箱的设计与应用[J]. 陈国辉,王博,肖祯勇. 现代建筑电气. 2015(11)
[2]机房设备监测系统设计[J]. 陈新兴,尤宇星. 福建电脑. 2015(11)
[3]基于ZigBee的无线呼叫医疗监护系统[J]. 崔智军,朱伟. 现代电子技术. 2012(23)
[4]国外智能电网的研究概况及其在我国的发展前景[J]. 陈恩黔,楼书氢,陈奔. 中国电力教育. 2011(18)
[5]控制与保护开关电器电源模块参数检测系统[J]. 戴梅,谢启,徐伟,吴正阳,徐惠钢. 测控技术. 2011(06)
[6]嵌入式Linux中NVRAM的实现方案及驱动设计[J]. 徐立松,郭晓金. 计算机工程与设计. 2010(01)
[7]箱式变及开闭所防误操作演示模板的设计与应用[J]. 于丽华,贾思辉. 黑龙江电力. 2008(02)
[8]嵌入式实时操作系统PetOS设计与实现[J]. 张志义,谢凯年. 微计算机信息. 2007(20)
[9]人工智能（AI）在电力系统中的应用[J]. 徐志国. 现代电子技术. 2006(21)
[10]提高嵌入式应用软件程序效率与质量的研究[J]. 聂勇军,王品,廖启征. 广东轻工职业技术学院学报. 2005(03)
硕士论文
[1]基于STM32和μc/os-Ⅲ的在线痕量钠离子分析仪的研究[D]. 唐浩楠.长春工业大学 2019
[2]水下滑翔机系统设计与优化[D]. 夏城城.浙江大学 2018
[3]光谱流式检测仪主控系统研制及数据处理[D]. 巫梅琴.厦门大学 2018
[4]基于μC/OS-Ⅲ的井下供电智能综合保护器设计[D]. 刘思.河南理工大学 2018
[5]基于STM32的空气质量监测系统研究与设计[D]. 刘伏龙.南华大学 2018
[6]电气火灾监控系统的设计与实现[D]. 沈亚强.重庆大学 2018
[7]基于ARM的数据采集系统的设计[D]. 史籍.上海交通大学 2016
[8]智能电源分配单元的远程监测平台开发[D]. 高磊.北方工业大学 2016
[9]基于STM32和C++builder的开关电源测量系统[D]. 张佳永.广西师范大学 2015
[10]智能配电监测系统的设计与开发[D]. 苏凯凯.北京交通大学 2012
本文编号：3581270
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
4HC595时序图
第四章应用任务程序设计35图4-7可变数据长度模式下SPI读操作时序图（三）通讯模式选择SPI作为一种全双工通讯接口，具有四种通讯模式，由图4-7可知，他们的区别在于不传数据时的SCLK电平高低和数据锁存产生在SCLK引脚上的第二个边沿或第一个边沿。为了方便描述，我们将SCLK为低电平，第一个边沿采样称为模式1，第二个边沿采样称为模式2；SCLK为高电平，第一个边沿采样为模式三，第二个边沿采样为模式4。根据W5500芯片手册，W5500只支持模式0和模式3，因此本系统选择模式0通讯模式。（四）芯片初始化设置根据前文所述，系统选用UDP通信协议，因此在设计网络通信任务之前，需要通过SPI将配置信息写入W5500内部寄存器中。如图4-8为W5500芯片初始化流程图。首先初始化IP信息，定义五个数组，分别保存W5500的IP地址、子网掩码、网关和MAC地址，并通过SPI将这些信息分别写入W5500的源IP地址寄存器、子网掩码寄存器、网关IP地址寄存器和源MAC地址寄存器。然后初始化socket，向W5500的socket模式寄存器写入数据0x02，表示选择UDP模式，定义一个整形变量，存储目标板端口号为8888，并通过SPI将端口号写入W5500的socket源端口寄存器，向W5500的socket配置寄存器写入数据0x01，表示打开socket通道，W5500支持8个socket作为通信通道，本系统选择通道0。最后读取socket配置寄存器数据，读取数据非0表示打开成功。
第四章应用任务程序设计41环境参数及电能参数监测端STM32使用模拟IIC技术来连接SHT15，实现对环境温湿度数据的采集。模拟IIC配置模式如表4-5所示。表4-5模拟IIC模式配置配置项配置信息RCCHCLK为168MHz数据线DATA配置引脚：PB7；GPIO速度：50MHz；模式：开漏输出；上拉下拉：下拉时钟线SCK配置引脚：PB6；GPIO速度：50MHz；模式：开漏输出；上拉下拉：下拉模块上电后，数据线GPIO设置成输出状态，在程序开始，STM32需要控制GPIO引脚产生起始信号，表示开始进行数据传输，IIC通讯起始信号时序图如图4-11所示。当SCK时钟为高电平时，DATA线从高电平翻转为低电平，紧接着SCK线变为低电平，DATA线电平状态保持不变，随后SCK线从低电平向高电平切换，DATA线从低电平向高电平切换。图4-11模拟IIC启动信号时序图IIC主机发送启动命令后，紧接着向SHT15发送一个八位命令码，根据数据手册，发送0x03表示让SHT15开始温度测量，发送0x05表示让SHT15开始湿度测量。MCU发出测量命令后，必须等待测量完成，MCU设置DATA线为输入，释放DATA线，至温湿度测量完成，SHT15拉低DATA线电平并进入空闲模式，MCU必须等待此数据就绪信号，然后重新启动SCK读出数据。为了得到环境温湿度值，还需要将SHT15输出的数字量值转换成实际温湿度值。根据SHT15数据手册，SHT15通过模拟IIC输出数字量值，其湿度输出特性具有一定的非线性，为了得到更加准确的湿度值，需要对湿度数字量进行非线性补偿，来修正输出数值，然后将输出数值转换成实际湿度值。而芯片关于温度的计算具有很好的线性，可以非常方便的转换成实际温度值。结合前文所述的测量过程，环境温湿度采集流程图如图4-12所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]智能配电箱的设计与应用[J]. 陈国辉,王博,肖祯勇. 现代建筑电气. 2015(11)
[2]机房设备监测系统设计[J]. 陈新兴,尤宇星. 福建电脑. 2015(11)
[3]基于ZigBee的无线呼叫医疗监护系统[J]. 崔智军,朱伟. 现代电子技术. 2012(23)
[4]国外智能电网的研究概况及其在我国的发展前景[J]. 陈恩黔,楼书氢,陈奔. 中国电力教育. 2011(18)
[5]控制与保护开关电器电源模块参数检测系统[J]. 戴梅,谢启,徐伟,吴正阳,徐惠钢. 测控技术. 2011(06)
[6]嵌入式Linux中NVRAM的实现方案及驱动设计[J]. 徐立松,郭晓金. 计算机工程与设计. 2010(01)
[7]箱式变及开闭所防误操作演示模板的设计与应用[J]. 于丽华,贾思辉. 黑龙江电力. 2008(02)
[8]嵌入式实时操作系统PetOS设计与实现[J]. 张志义,谢凯年. 微计算机信息. 2007(20)
[9]人工智能（AI）在电力系统中的应用[J]. 徐志国. 现代电子技术. 2006(21)
[10]提高嵌入式应用软件程序效率与质量的研究[J]. 聂勇军,王品,廖启征. 广东轻工职业技术学院学报. 2005(03)
硕士论文
[1]基于STM32和μc/os-Ⅲ的在线痕量钠离子分析仪的研究[D]. 唐浩楠.长春工业大学 2019
[2]水下滑翔机系统设计与优化[D]. 夏城城.浙江大学 2018
[3]光谱流式检测仪主控系统研制及数据处理[D]. 巫梅琴.厦门大学 2018
[4]基于μC/OS-Ⅲ的井下供电智能综合保护器设计[D]. 刘思.河南理工大学 2018
[5]基于STM32的空气质量监测系统研究与设计[D]. 刘伏龙.南华大学 2018
[6]电气火灾监控系统的设计与实现[D]. 沈亚强.重庆大学 2018
[7]基于ARM的数据采集系统的设计[D]. 史籍.上海交通大学 2016
[8]智能电源分配单元的远程监测平台开发[D]. 高磊.北方工业大学 2016
[9]基于STM32和C++builder的开关电源测量系统[D]. 张佳永.广西师范大学 2015
[10]智能配电监测系统的设计与开发[D]. 苏凯凯.北京交通大学 2012
本文编号：3581270
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3581270.html
