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基于以太网通信的电力电子设备运行状态的远程监控嵌入式系统设计(via LWIP-UDP communication method)

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基于以太网通信的电力电子设备的远程监控嵌入式系统的设计

本项目是电力电子装置运行状态的远程监测系统,实现电路的三相电压电流采样、信号调理、AD转换、以太网通信及PC端可视化监测,该Repository实现基于STM32F407ZGT6核心板开发的AD转换、电压电流指标分析和以太网通信。

Zhejiang University SRTP(Student Research Training Program)

浙江大学本科生科研实践项目

指导:邓焰教授 Guided by: Professor Yan.Deng

硬件平台

Alientek STM32F407ZGT6开发板

  • MCU: STM32F407ZGT6, 32位ARM-Cortex M4架构

系统框架

1 信号采样和调理电路

原理图和PCB使用Altium Designer绘制

2 AD转换和Ethernet通信

2.1 AD转换

硬件资源分配

需要六个通道(A,B,C三相电压和电流),使用ADC1

  • PA4 -> Channel 4
  • PA5 -> Channel 5
  • PA6 -> Channel 6
  • PC0 -> Channel 10
  • PC2 -> Channel 12
  • PC3 -> Channel 13

寄存器相关

  • SAR ADC
  • 规则通道和注入通道(本项目使用规则通道)
  • 相关寄存器
    • ADC_CR1: 分辨率(RES), 开启扫描(SCAN), 中断标志位(EOCIE, JEOCIE), ...
    • ADC_CR2: ADC开关(ADON), 连续转换开关(CONT)
    • ADC_SQR: 规则通道转换组顺序和数量
    • ADC_JSQR: 注入通道转换组顺序和数量
    • ADC_SR: EOC, ...
    • ADC_DR: 存储AD转换结果

编程相关

  • GPIO和ADC时钟使能(ADC时钟最好不要超过36MHz)
  • DMA时钟使能(DMA2挂在总线AHB1下,因此使能AHB1时钟)
  • 多通道复用ADC1进行转换,采用单次、扫描模式
  • 采样时间设置(时间越短精度越低)
  • DMA配置(用法见于STM32F4xx中文参考手册11.8)
  • 查询方式判断ADC转换是否完成

2.2 LWIP协议栈实现Ethernet通信

UDP通信已经调试可实现,TCP通信未调试

Notes:

IP层的基本配置位于 lwip_comm.c 中:

(已经开启DHCP服务,超时重试不成功后将使用默认配置)

  • 默认远端IP: 192.168.1.115 (可在udp_demo.c中定义的udp_demo_set_remoteip中修改)

  • 默认本地IP: 192.168.1.30

运输层的用户配置:

  • UDP(在udp_demo.c/.h中修改)
    • Remote Port = 8089
    • Local Port = 8089
  • TCP Client
  • TCP Server

3 PC端监控界面设计

使用LABVIEW 2018开发

工程文件的结构

  • CORE: CMSIS(Cortex MicroController Software Interface Standard)软件接口层标准

    • 核内外设访问层(core_cm4.h)
    • 中间件访问层
    • 外设访问层
    • ...
  • FWLIB: Firmware Library,STM32F4固件库,加入了跟以太网相关的库文件

  • HARDWARE: 硬件驱动和功能

  • LWIP: Lightweight IP协议栈

    源码

    • arch
    • lwip_app: 用户自定义应用
    • lwip-1.4.1
  • MALLOC: 内存管理

TODO LIST

  • TIM2定时修改
  • ADC_DMA启动方式完善
  • ADC采样周期调试和修改
  • 功能裁剪,删除冗余
  • 加入TCP通信功能
  • 丢包测试
  • ( 考虑加入OS调度 )
  • ......

初期实现效果:

其他

Reference

  1. STM32F4xx Manual

  2. Cortex M4 内核编程手册

  3. Alientek开发板例程、资料等

  4. 计算机网络与通信体系

  5. LWIP协议栈源代码

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