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摘 要：文章设计了一种应用于社区养老智能化系统数据采集接口的以太网控制器，该控制器的核心电路由芯片CP2200、单片机C8051F340构成，使用DS18B20温度传感器作为元器件，使用ADE7755进行计量，解决了ADE电量采集、ADE7755与微控制器（MCU）接口以及ADE7755电量采集外围电量设计等问题。采用软件C51语言进行编程，设计单片机的主程序流程以及CP2200控制器中的数据传输流程，利用TCP协议进行数据传输，完成数据采集及发送。
关键词：CP2200；C8051F340；以太控制器；数据采集；社区养老智能化系统
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）11-0069-04
以太网技术应用的领域比较广泛，如在社区养老智能化系统上，用电量、用水量、用煤气量自动化采集、缴费或者监控。
而目前用于提供以太网接入的以太网控制器，绝大多数是采用C8900、RTL8019等为通信控制芯片设计的[1]。
这些芯片接口电路复杂、体积大、通信不稳定、价格昂贵导致项目成本负担大等问题。而选用CP 2200作为以太网控制器，它集成IEEE 802.3以太网媒体访问控制器、10Base-T物理层，可以为具有11个以上端口I/O引脚的任何微控制器或主处理器增加以太网通信功能，而且性价比优良[2]。
CP 2200与C8051F340微控制器组成嵌入式系统并且搭建数据采集的平台，基于该平台采集到的数据，进行数据实时监控与分析，在此基础上拓展相应的功能模块，形成完整的社区养老智能化网络服务系统。本文以该系统为背景，设计了一种基于CP2200、C8051F340芯片的以太网控制器系统数据采集接口，实现系统数据采集与动态监测功能。
1 CP 2200、C8051F340芯片
CP2200是美国Silicon Laboratories公司开发的一种高性能以太网控制器，集成了IEE802.3以太网媒体访问控制器、10 Base-T物理层，片内具有2 KB的发送缓存、4 KB的接收FIFO，FLASH存储器容量为8 KB，用作非易失性存储器，其最后6个储存单元存放工厂预编程的唯一48位MAC地址，8位并行接口可以工作再复用或非复用方式，支持Intel及Motorola两种总线方式（由MO-TEN位选择），有多种中断源，连接/活动LED指示，上电复位，I/O口均耐5 V电压[3]。它体积小，温度范围满足工业应用。
C8051F340微控制器是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信号片上系统型MCU。
它具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达48MIPS）[4]；自带64 KB的FLASH ROM，256+K字节的RAM和外部并口数据存储器XRAM，避免扩展外部程序储存器的麻烦[5]。
为了有较大的数据存储区域用来存放接收和发送的数据报，需要外部扩展32 KB的SRAM 62256。
这两种芯片的选用，主要为TCP/IP协议族的嵌入提供了较大的数据处理空间和稳定性。
2 以太网控制器数据采集接口硬件电路设计
2.1 选用DS18B20温度传感器作为元器件
由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的只能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读取被测温度，其温度范围在-10～+85 ℃之间时，温度误差的范围不超过±0.5 ℃，可以在93.75 Ills和750 ms的时间内完成9位及12位的数字量，12位时分辨率为0.0625 ℃；由于其独特的单线接口，可以通过串行口线，也可通过其他I/O口线与微机接口，无需变换其他电路直接输出被测温度值[6]。若使用寄生电源工作方式，则只连I/O线和地线。数据线直接和单片机的其中一个I/O口进行连接，通过3.3 V供电。
2.2 选用ADE7755设计ADE电量采集方案
ADE7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过IEC 61036标准规定的精度要求。ADE 7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。电流通道提供高增益模式，可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围。两通道之间的增益校准在器件外部进行调整。ADE 7755采用SSOP封装。在各种负载条件下提供低频（F1/F2）和高频（CF）同步输出[7]。
2.3 解决ADE7755与微控制器（MCU）接口
最简单的方法是使用CF高频输出，输出频率设定为2 048（F1，F2）[8]。这要求设置SCF=0和S0=S1=1，见表1。
当模拟输入端加有满度交流信号时，CF输出频率将达5.5 kHz左右。如图1所示的方案能把输出频率数字化，并完成前面提到的平均作用。
频率输出CF端接到MCU的计度器或I/O端口，MCU在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率如图1所示，由下式确定：
平均功率=平均频率=脉冲个数/积分时间。
在一个积分周期内消耗的电能为：
电能=平均功率x积分时间=（脉冲个数/积分时间）x积分时间=脉冲个数。
用作仪表检验时，积分时间应在10～20 s，以便能累积足够数量的脉冲，求得正确的平均频率。在正常运行是，积分时间可以减到1～2 s，这取决于显示器更新速率的需要[9]。当积分时间较短时，及时在稳定负责条件下，在每个更新周期内的电能计数值会有一些小波动，然而在1 min或更长时间内，测出的电能将不会有波动。 2.4 ADE 7755电量采集外围电量设计
ADE 7755外围应用电路由电流采样电路、电压采样电路、轻载调节电路、频率选择电路、高频输出和低频输出电路等组成。外围应用电路图如图2所示，电流采样电路如图3所示。
使用分流器的电流采样电路图如图3所示，其中F1为分流器，R1、R2为采样电阻，C1、C2为采样电容，他们为电流采样通道提供采样电压信号，采样电压信号的大小由分流器的阻值和流过其上的电流决定。
电流采样通道采用完全差动输入，V1P为正输入端，V1N为负输入端[10]。
电流采样通道最大差都能峰值电压应<470 mV，电流采样通道有一个PGA，器增益可由ADE 7755的G1和G0来选择，见表2。
当使用分流采样时，G1、G0都接高电平，增益选择16，通过分流器的峰值电压为±30 mV，当设计电表为5（20）A规格时，分流器阻值选择为500 ？滋Ω，当流过分流器的电流最大电流20 A时，其采样电压为：
500 ？滋Ω×20 A=10 mV，
不超过峰值电压半满度值，这样考虑允许对电流和高峰值因数进行累计。当使用互感器采样时，其电路如图4所示。
使用互感采样时，G1、G0都是低电平，增益选择1，电流采样通道最大差动峰值电压为±470 mV，其差动信号由互感器的二次侧电流流过电阻R30和R31产生，互感器二次侧额定电流5 mA，当过载4倍时，二次侧电流为20 mA，其流过电阻R30和R31产生的差动信号为96 mV，远小于峰值电压半满度值（235 mV）。
R1C1和R2C2组成两个低通滤波器，衰减掉那些无用的高频分量，从而防止有用频带内失真。R1、R2、C2、C1阻值、容值的选取对电表的性能有很大的影响，这里选用的数值为：
R1=R2=300 Ω，
C1=C2=27 nF。
电压采样电路图如图5所示。
电压输入通道（V2N，V2P）也为差分电路，V2N引脚连接到电阻分压电路的分压点上，V2P接地。
电压输入通道的采样信号是通过衰减线电压得到的，其中R6至R15为校验衰减网络，通过短接跳线J1～J9可将采样信号调节到需要的采样值上，这里设计的电能表基本电流是电压采样为174.2 mV，为了准许分流器的容差和片内基准源8%的误差，衰减校验网络应该允许至少30%的校验范围，根据图4的参数，器调节范围为169.8～250 mV，完全满足了调节的需要。
这个衰减网络的-3 dB频率是由R4和C3决定的，R19、R23、R24确保了这一点，即使全部跳线都接通，R19、R23、R24的电阻仍远远大于R4，R4和C3的选取要和电流采样通道的R1C1匹配，这样才能保证两个通道的相位进行恰当的匹配，消除因相位失调带来的误差影响。
轻载调节电路如图6所示。
轻载调节电路如图5所示，其原理是用电压采样处的电压值再经分压后加到电流采样的正或负端来增大或减少电流采样，达到调节的目的。
当短接S2到I+或I-时，附加到分流器端的电压值为：
Vq=R1×Vx/（R20+R1）
R1、Vx已知，可通过改变R20的值来改变需要补偿的电压值。根据计算当R5为200 k时，Vq约为0.0003 mV。
在轻载时电流采样值：
Vi=2.5 mV×0.05=0.125 mV。
轻载误差改变量为：
0.0003/0.125=0.0024，
即0.24%，在校验台表现为轻载误差增大或减小0.24。
①频率选择电路：
ADE7755的输出频率由其SCF、S1、S0引脚决定，其中SCF的逻辑输入电平确定CF引脚的输出频率，S1、S0引脚的逻辑输入用选择数字或频率转换系数[12]。
②高/低频输出电路：
DE7755的CF为频率校验输出引脚，其输出频率反应瞬时有功功率的大小，常用于仪表校验，电路如图7所示。
R18为限流电阻，LED为脉冲指示灯，在校验时，可用常规光点采集脉冲指示灯发出的信号进行误差校验，U3为隔离光耦，其输出可连接误差校验台，快速对仪表进行校验。
C11为去耦电容，其作用一是滤除高频干扰信号对LED的影响，二是在高温环境下，对叠加到U3输入引脚的干扰信号起到一个放电通路的作用，防止U3误导通。
3 软件设计
程序采用C/S模式，以单片机作为Server端，采用C51语言进行编程，采用循环的工作方式，完成数据采集及发送，客户端采用了C#语言，实现客户端发送请求给服务端，服务端依据客户端的请求指令返回相应的数据，客户端接收数据后对数据进行存储并通过数据分析与计算得出结论，为社区管理人员提供依据。单片机主程序流程图8所示。
CP 2200控制器中的数据传输流程图9所示。
利用TCP协议进行数据传输，单片机此传输数据部分的流程图如图10所示。
主要函数如下：
UINT tcp_server（UCHAR xdata *inbuf，UINT header_len，UCHAR nr，UCHAR resend）
在此函数上将采集到的数据进行逐级打包，添加IP头部和以太网头部，并通过CP 2200发送到客户端上。
在客户端采用C#编程，利用Socket类使用套接字与单片机服务端进行对接，使之可以建立TCP连接，进行数据的传输[13]。
4 结 语
实现温度采集功能模块，并对ADE电量采集模块进行可行性的分析。后续相关功能模块需要深入分析并进一步拓展，为实际应用打下深厚的基础。
社区养老智能化网络服务系统架构的构建，为社区养老智能化网络服务系统的完善提供了依据，其具有的应用前景为老年人养老提供一个便利的环境，增强老年人的幸福感。
参考文献：
[1] 范蟠果，吴金友，梁贵毅.基于CP 2200芯片的以太网控制器的设计[J].计算机测量与控制，2009，（5）.
[2] 刘泽军，于万霞.基于CP 2200以太网智能节点的研究与设计[J].微计算机信息，2007，（17）.
[3] 喻向阳，郭丽.基于CP 2200的数据采集接口[J].化工自动化及仪表，2007，（6）.
[4] 谭新，刘虔铖.基于C8051F340的高频便携X射线机的无线主控系统[J].生物医学工程研究，2014，（2）.
[5] 黄承，王小玲.基于嵌入式技术网络测试仪的研究及设计[J].湖南科技学院学报，2008，（8）.
[6] 杨建芳，谷玉海，刘振宇.单总线技术的硅光电池特性实验装置[J].北京机械工业学院学报，2007，（2）.
[7] 张少虎.基于ZigBee的自动抄表系统的设计[D].西安：西安科技大学，2011.
[8] 王佳娜.基于单片机电能表的设计与实现[J].企业技术开发，2010，（5）.
[9] 黄问贵，许建平.全电子式红外遥控预付费电度表[J].计量与测试技术，2006，（10）.
[10] 王榕模.单相电子式液晶显示电能表设计[J].机电技术，2009，（4）.
[11] 沈昱明.AD775X功率测量集成电路的原理与应用[J].电气自动化，2004，（4）.
[12] 刘钟涛，申康.Socket在数字图书馆中的应用[J].河南图书馆学刊，2009，（4）.
[13] 邵天英.基于以太网的嵌入式电表系统[D].大连：大连理工大学，2005.
关键词：CP2200；C8051F340；以太控制器；数据采集；社区养老智能化系统
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）11-0069-04
以太网技术应用的领域比较广泛，如在社区养老智能化系统上，用电量、用水量、用煤气量自动化采集、缴费或者监控。
而目前用于提供以太网接入的以太网控制器，绝大多数是采用C8900、RTL8019等为通信控制芯片设计的[1]。
这些芯片接口电路复杂、体积大、通信不稳定、价格昂贵导致项目成本负担大等问题。而选用CP 2200作为以太网控制器，它集成IEEE 802.3以太网媒体访问控制器、10Base-T物理层，可以为具有11个以上端口I/O引脚的任何微控制器或主处理器增加以太网通信功能，而且性价比优良[2]。
CP 2200与C8051F340微控制器组成嵌入式系统并且搭建数据采集的平台，基于该平台采集到的数据，进行数据实时监控与分析，在此基础上拓展相应的功能模块，形成完整的社区养老智能化网络服务系统。本文以该系统为背景，设计了一种基于CP2200、C8051F340芯片的以太网控制器系统数据采集接口，实现系统数据采集与动态监测功能。
1 CP 2200、C8051F340芯片
CP2200是美国Silicon Laboratories公司开发的一种高性能以太网控制器，集成了IEE802.3以太网媒体访问控制器、10 Base-T物理层，片内具有2 KB的发送缓存、4 KB的接收FIFO，FLASH存储器容量为8 KB，用作非易失性存储器，其最后6个储存单元存放工厂预编程的唯一48位MAC地址，8位并行接口可以工作再复用或非复用方式，支持Intel及Motorola两种总线方式（由MO-TEN位选择），有多种中断源，连接/活动LED指示，上电复位，I/O口均耐5 V电压[3]。它体积小，温度范围满足工业应用。
C8051F340微控制器是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信号片上系统型MCU。
它具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达48MIPS）[4]；自带64 KB的FLASH ROM，256+K字节的RAM和外部并口数据存储器XRAM，避免扩展外部程序储存器的麻烦[5]。
为了有较大的数据存储区域用来存放接收和发送的数据报，需要外部扩展32 KB的SRAM 62256。
这两种芯片的选用，主要为TCP/IP协议族的嵌入提供了较大的数据处理空间和稳定性。
2 以太网控制器数据采集接口硬件电路设计
2.1 选用DS18B20温度传感器作为元器件
由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的只能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读取被测温度，其温度范围在-10～+85 ℃之间时，温度误差的范围不超过±0.5 ℃，可以在93.75 Ills和750 ms的时间内完成9位及12位的数字量，12位时分辨率为0.0625 ℃；由于其独特的单线接口，可以通过串行口线，也可通过其他I/O口线与微机接口，无需变换其他电路直接输出被测温度值[6]。若使用寄生电源工作方式，则只连I/O线和地线。数据线直接和单片机的其中一个I/O口进行连接，通过3.3 V供电。
2.2 选用ADE7755设计ADE电量采集方案
ADE7755是一款适用于单相配电系统的高精度电能计量IC。它可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率。该器件规范超过IEC 61036标准规定的精度要求。ADE 7755中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路。所有其它信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现的。这种信号处理方法可在随环境条件和时间变化的很大范围内提供优异的稳定性和精度。电流通道提供高增益模式，可直接连接低阻值分流电阻器而不损失动态范围。两通道之间的增益校准在器件外部进行调整。ADE 7755采用SSOP封装。在各种负载条件下提供低频（F1/F2）和高频（CF）同步输出[7]。
2.3 解决ADE7755与微控制器（MCU）接口
最简单的方法是使用CF高频输出，输出频率设定为2 048（F1，F2）[8]。这要求设置SCF=0和S0=S1=1，见表1。
当模拟输入端加有满度交流信号时，CF输出频率将达5.5 kHz左右。如图1所示的方案能把输出频率数字化，并完成前面提到的平均作用。
频率输出CF端接到MCU的计度器或I/O端口，MCU在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率如图1所示，由下式确定：
平均功率=平均频率=脉冲个数/积分时间。
在一个积分周期内消耗的电能为：
电能=平均功率x积分时间=（脉冲个数/积分时间）x积分时间=脉冲个数。
用作仪表检验时，积分时间应在10～20 s，以便能累积足够数量的脉冲，求得正确的平均频率。在正常运行是，积分时间可以减到1～2 s，这取决于显示器更新速率的需要[9]。当积分时间较短时，及时在稳定负责条件下，在每个更新周期内的电能计数值会有一些小波动，然而在1 min或更长时间内，测出的电能将不会有波动。 2.4 ADE 7755电量采集外围电量设计
ADE 7755外围应用电路由电流采样电路、电压采样电路、轻载调节电路、频率选择电路、高频输出和低频输出电路等组成。外围应用电路图如图2所示，电流采样电路如图3所示。
使用分流器的电流采样电路图如图3所示，其中F1为分流器，R1、R2为采样电阻，C1、C2为采样电容，他们为电流采样通道提供采样电压信号，采样电压信号的大小由分流器的阻值和流过其上的电流决定。
电流采样通道采用完全差动输入，V1P为正输入端，V1N为负输入端[10]。
电流采样通道最大差都能峰值电压应<470 mV，电流采样通道有一个PGA，器增益可由ADE 7755的G1和G0来选择，见表2。
当使用分流采样时，G1、G0都接高电平，增益选择16，通过分流器的峰值电压为±30 mV，当设计电表为5（20）A规格时，分流器阻值选择为500 ？滋Ω，当流过分流器的电流最大电流20 A时，其采样电压为：
500 ？滋Ω×20 A=10 mV，
不超过峰值电压半满度值，这样考虑允许对电流和高峰值因数进行累计。当使用互感器采样时，其电路如图4所示。
使用互感采样时，G1、G0都是低电平，增益选择1，电流采样通道最大差动峰值电压为±470 mV，其差动信号由互感器的二次侧电流流过电阻R30和R31产生，互感器二次侧额定电流5 mA，当过载4倍时，二次侧电流为20 mA，其流过电阻R30和R31产生的差动信号为96 mV，远小于峰值电压半满度值（235 mV）。
R1C1和R2C2组成两个低通滤波器，衰减掉那些无用的高频分量，从而防止有用频带内失真。R1、R2、C2、C1阻值、容值的选取对电表的性能有很大的影响，这里选用的数值为：
R1=R2=300 Ω，
C1=C2=27 nF。
电压采样电路图如图5所示。
电压输入通道（V2N，V2P）也为差分电路，V2N引脚连接到电阻分压电路的分压点上，V2P接地。
电压输入通道的采样信号是通过衰减线电压得到的，其中R6至R15为校验衰减网络，通过短接跳线J1～J9可将采样信号调节到需要的采样值上，这里设计的电能表基本电流是电压采样为174.2 mV，为了准许分流器的容差和片内基准源8%的误差，衰减校验网络应该允许至少30%的校验范围，根据图4的参数，器调节范围为169.8～250 mV，完全满足了调节的需要。
这个衰减网络的-3 dB频率是由R4和C3决定的，R19、R23、R24确保了这一点，即使全部跳线都接通，R19、R23、R24的电阻仍远远大于R4，R4和C3的选取要和电流采样通道的R1C1匹配，这样才能保证两个通道的相位进行恰当的匹配，消除因相位失调带来的误差影响。
轻载调节电路如图6所示。
轻载调节电路如图5所示，其原理是用电压采样处的电压值再经分压后加到电流采样的正或负端来增大或减少电流采样，达到调节的目的。
当短接S2到I+或I-时，附加到分流器端的电压值为：
Vq=R1×Vx/（R20+R1）
R1、Vx已知，可通过改变R20的值来改变需要补偿的电压值。根据计算当R5为200 k时，Vq约为0.0003 mV。
在轻载时电流采样值：
Vi=2.5 mV×0.05=0.125 mV。
轻载误差改变量为：
0.0003/0.125=0.0024，
即0.24%，在校验台表现为轻载误差增大或减小0.24。
①频率选择电路：
ADE7755的输出频率由其SCF、S1、S0引脚决定，其中SCF的逻辑输入电平确定CF引脚的输出频率，S1、S0引脚的逻辑输入用选择数字或频率转换系数[12]。
②高/低频输出电路：
DE7755的CF为频率校验输出引脚，其输出频率反应瞬时有功功率的大小，常用于仪表校验，电路如图7所示。
R18为限流电阻，LED为脉冲指示灯，在校验时，可用常规光点采集脉冲指示灯发出的信号进行误差校验，U3为隔离光耦，其输出可连接误差校验台，快速对仪表进行校验。
C11为去耦电容，其作用一是滤除高频干扰信号对LED的影响，二是在高温环境下，对叠加到U3输入引脚的干扰信号起到一个放电通路的作用，防止U3误导通。
3 软件设计
程序采用C/S模式，以单片机作为Server端，采用C51语言进行编程，采用循环的工作方式，完成数据采集及发送，客户端采用了C#语言，实现客户端发送请求给服务端，服务端依据客户端的请求指令返回相应的数据，客户端接收数据后对数据进行存储并通过数据分析与计算得出结论，为社区管理人员提供依据。单片机主程序流程图8所示。
CP 2200控制器中的数据传输流程图9所示。
利用TCP协议进行数据传输，单片机此传输数据部分的流程图如图10所示。
主要函数如下：
UINT tcp_server（UCHAR xdata *inbuf，UINT header_len，UCHAR nr，UCHAR resend）
在此函数上将采集到的数据进行逐级打包，添加IP头部和以太网头部，并通过CP 2200发送到客户端上。
在客户端采用C#编程，利用Socket类使用套接字与单片机服务端进行对接，使之可以建立TCP连接，进行数据的传输[13]。
4 结 语
实现温度采集功能模块，并对ADE电量采集模块进行可行性的分析。后续相关功能模块需要深入分析并进一步拓展，为实际应用打下深厚的基础。
社区养老智能化网络服务系统架构的构建，为社区养老智能化网络服务系统的完善提供了依据，其具有的应用前景为老年人养老提供一个便利的环境，增强老年人的幸福感。
参考文献：
[1] 范蟠果，吴金友，梁贵毅.基于CP 2200芯片的以太网控制器的设计[J].计算机测量与控制，2009，（5）.
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[3] 喻向阳，郭丽.基于CP 2200的数据采集接口[J].化工自动化及仪表，2007，（6）.
[4] 谭新，刘虔铖.基于C8051F340的高频便携X射线机的无线主控系统[J].生物医学工程研究，2014，（2）.
[5] 黄承，王小玲.基于嵌入式技术网络测试仪的研究及设计[J].湖南科技学院学报，2008，（8）.
[6] 杨建芳，谷玉海，刘振宇.单总线技术的硅光电池特性实验装置[J].北京机械工业学院学报，2007，（2）.
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[10] 王榕模.单相电子式液晶显示电能表设计[J].机电技术，2009，（4）.
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[13] 邵天英.基于以太网的嵌入式电表系统[D].大连：大连理工大学，2005.