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