王鵬宇，陳東陽(yáng)，楊建飛

（石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043）

基于單片機(jī)通信技術(shù)的多參數(shù)分布式顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王鵬宇，陳東陽(yáng)，楊建飛

（石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043）

設(shè)計(jì)了一款三相變壓器電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以MSP430F149作為主控芯片,ATT7022B為電參數(shù)采集計(jì)量芯片,RS485智能數(shù)碼管作為電參數(shù)的顯示裝置。介紹了信號(hào)調(diào)理電路和RS485接口電路的設(shè)計(jì)，闡述了MSP430與ATT7022B之間的SPI通信流程以及MSP430與智能數(shù)碼管之間通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議通信的鏈路控制方案，關(guān)注了實(shí)際應(yīng)用中所要注意的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相變壓器電壓電流有效值、電流夾角、功率因數(shù)等參數(shù)的分布式顯示，具有應(yīng)用靈活、成本低廉、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。

MSP430；ATT7022B；Modbus；分布式顯示

0 引言

電力牽引仿真教學(xué)牽引變壓器二次側(cè)的電壓、電流、功率因數(shù)等多個(gè)電參數(shù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以方便學(xué)生對(duì)各個(gè)參數(shù)在牽引供電系統(tǒng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的變化進(jìn)行直觀對(duì)比分析，達(dá)到仿真教學(xué)的目的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活和科研工作，如今，各種專用采集芯片層出不窮，它硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快，使用三相電能計(jì)量芯片ATT7022B可高效地完成對(duì)牽引變壓器二次側(cè)的電參數(shù)采集，提高采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。對(duì)于多參數(shù)的顯示，主控芯片與上位機(jī)之間多采用鍵盤選擇人機(jī)交互的方式，這種做法一般在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只能顯示一個(gè)參數(shù)，不能滿足對(duì)動(dòng)態(tài)變化的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析的要求。本文提出一種基于Modbus-RTU總線協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，主控芯片通過(guò)RS485總線與多個(gè)智能表頭進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的分布顯示。

1 系統(tǒng)工作原理

如圖1，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的顯示兩部分組成。數(shù)據(jù)的采集計(jì)算，先將觀測(cè)點(diǎn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)量芯片可以識(shí)別的小信號(hào)，牽引變壓器二次側(cè)A、B、C三相的電壓和電流經(jīng)過(guò)調(diào)理電路送入三相計(jì)量芯片ATT7022B中進(jìn)行處理，主控芯片選擇應(yīng)用廣泛的低功耗混合信號(hào)處理器MSP430F149，使用其中一組USART端口與ATT7022B進(jìn)行SPI通信，完成對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制和計(jì)算結(jié)果的讀取，另一組USART端口承擔(dān)對(duì)讀取結(jié)果的顯示控制，以主控芯片為主機(jī)，帶RS485接口的智能數(shù)碼管作為從機(jī)的RS485總線結(jié)構(gòu)，在Modbus-RTU傳輸協(xié)議下可完成多參數(shù)的分布顯示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

當(dāng)計(jì)量芯片ATT7022B采樣通道電壓有效值在0.5V左右時(shí)，可使誤差控制在0.5%以內(nèi)，對(duì)應(yīng)電流通道ADC輸入應(yīng)在0.1V，因此各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓有效值為0.1V的小信號(hào)后輸送給計(jì)量芯片ATT7022B進(jìn)行處理，信號(hào)調(diào)理電路包括電流調(diào)理電路（如圖2）和電壓調(diào)理電路（如圖3），以變壓器A相的調(diào)理電路為例進(jìn)行介紹，B、C相調(diào)理電路與A相相同。

圖2 電流調(diào)理電路

圖3 電壓調(diào)理電路

所測(cè)變壓器二次側(cè)電壓為27.5V，電壓互感器DL-PT202H1的額定輸入輸出電流為2mA/2mA，在輸入回路中串聯(lián)阻值為15k電阻RV，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成額定電流信號(hào)送入互感器，電阻RV選擇大功率低溫漂電阻，經(jīng)測(cè)試證實(shí)該電阻溫漂特性影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的線性度。后端電路采用差分設(shè)計(jì)將信號(hào)送入計(jì)量芯片R22、R23、C11、C12組成抗混疊濾波電路，減弱頻譜混疊。REFO為2.4V的直流偏置電壓，由計(jì)量芯片的REFOUT管腳提供。

在電流信號(hào)的調(diào)理電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減小電流經(jīng)過(guò)互感器的相位差，使所測(cè)電流夾角和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。常見(jiàn)的電流互感器根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同可分為電容式電流互感器、電阻式互電流感器和霍爾式電流互感器，其中電容式電流互感器相移較大，霍爾式電流互感器相移較小，但體積偏大、價(jià)格偏高，不適用于此電路的設(shè)計(jì)。所選用的電流互感器為TA17-04，輸入電流0~20A，輸出電流0~10mA，相位差小于20’。電流調(diào)理電路后級(jí)同樣采用差分抗混疊設(shè)計(jì)。

2.2 RS-485通信電路設(shè)計(jì)

所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分布顯示，需要主控芯片和智能表頭擁有聯(lián)網(wǎng)通信接口，RS485總線標(biāo)準(zhǔn)具有多機(jī)通信的功能。為減弱共模信號(hào)干擾，RS485采用平衡發(fā)送和差分接受的方式，RS485的差分信號(hào)負(fù)邏輯與單片機(jī)輸出的TTL電平需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，Max3485可完成TTL電平與RS485電平的半雙工轉(zhuǎn)換。

如圖4，Max3485采用3.3V供電，RO和TI引腳分別連接主控芯片串口的RXD和TXT作為數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送端，芯片2、3引腳短接作為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收控制端，當(dāng)p3.0處于高電平時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送，反之，數(shù)據(jù)接收。

利用RS485組建的通信網(wǎng)絡(luò)采用主從通信方式，如圖5，連接通信鏈路需要使用兩路雙絞線將線路上各個(gè)接口的“A”、“B”端串聯(lián)起來(lái)，應(yīng)注意總線特性阻抗的連續(xù)性，在阻抗不連續(xù)的點(diǎn)信號(hào)會(huì)發(fā)生發(fā)射，采用圖中所示連接方法，線路的節(jié)點(diǎn)取在從機(jī)的接口端點(diǎn)處，最大限度縮短了總線到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的引出線長(zhǎng)度，使引出線中的反射信號(hào)對(duì)總線信號(hào)的影響降到最低。另外，總線的開(kāi)始和末端并接相當(dāng)于電纜特性阻抗的120歐的終端電阻。

圖4 接口電平轉(zhuǎn)換電路

圖5 主從節(jié)點(diǎn)連線

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試在IAR Embedded Workbench for MSP430編譯環(huán)境下進(jìn)行，這款編譯軟件支持多種語(yǔ)言混合編程，可進(jìn)行軟、硬件仿真，使既有程序的移植變得更為簡(jiǎn)單。為方便程序進(jìn)行調(diào)試，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，下面對(duì)主程序、計(jì)量芯片的讀寫程序以及Modbus通信程序進(jìn)行介紹。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

MCU的主程序需要完成對(duì)計(jì)量芯片的控制和對(duì)智能表頭的控制兩個(gè)主要任務(wù)。對(duì)計(jì)量芯片的控制即對(duì)ATT7022B的讀寫操作，讀取計(jì)量芯片所采集計(jì)算的數(shù)據(jù)；對(duì)智能表頭的控制即利用Modbus協(xié)議將得到的數(shù)據(jù)分布顯示在相應(yīng)地址的數(shù)碼管上。

如圖6所示為主程序的流程圖，MCU通過(guò)USART1與ATT7022B進(jìn)行SPI通信，所得數(shù)據(jù)存入緩存，經(jīng)進(jìn)制轉(zhuǎn)換送入U(xiǎn)SART0發(fā)送緩沖寄存器，與智能表頭進(jìn)行RS485通信。

圖6 主程序流程圖

3.2 ATT7022B讀寫程序設(shè)計(jì)

MCU采用SPI方式與ATT7022B進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通信格式為8bit地址，24bit數(shù)據(jù)，ATT7022B在時(shí)鐘下降沿讀取DIN線上的數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的上升沿向DOUT線發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU發(fā)送8bit地址后，需要至少等待3μs才可在DOUT線上讀取數(shù)據(jù)。

ATT7022B的通信流程如圖7，首先完成對(duì)計(jì)量芯片的復(fù)位，將校表數(shù)據(jù)寫入ATT7022B中，寄存器Chksum存放計(jì)量芯片內(nèi)部所有校表數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，電能參數(shù)輸出寄存器中存放著前一次SPI讀出和寫入的數(shù)據(jù)，將寫入的校表數(shù)據(jù)與讀取的電能數(shù)據(jù)和這幾個(gè)寄存器的值作對(duì)比，判斷是否需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀取，這種方法有效降低了數(shù)據(jù)通信錯(cuò)誤率。

圖7 ATT7022B讀寫程序流程圖

3.3 Modbus通信程序設(shè)計(jì)

Modbus-RTU為十六進(jìn)制通信協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)對(duì)帶小數(shù)點(diǎn)及正負(fù)號(hào)的四段數(shù)碼管，報(bào)文格式設(shè)計(jì)為1字節(jié)地址、1字節(jié)功能碼、4字節(jié)數(shù)據(jù)和2字節(jié)CRC校驗(yàn)。如圖8，程序開(kāi)始之前，確保幀間隔監(jiān)測(cè)定時(shí)器在主程序初始化時(shí)已配置完好，啟用幀監(jiān)測(cè)定時(shí)器來(lái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)幀的幀頭和幀尾。終端設(shè)備在接收到幀頭后對(duì)地址幀與本機(jī)地址相同的報(bào)文進(jìn)行接收，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)，若校驗(yàn)無(wú)差錯(cuò)，則繼續(xù)進(jìn)行功能碼解析，完成數(shù)據(jù)顯示，CRC出錯(cuò)時(shí)，主機(jī)根據(jù)接收的錯(cuò)誤報(bào)告將對(duì)報(bào)文進(jìn)行重新發(fā)送。為減輕MCU進(jìn)行CRC處理時(shí)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，可運(yùn)用查表法進(jìn)行CRC程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)在掉電等特殊情況可能引起發(fā)送中斷程序進(jìn)入“死循環(huán)”，可在主程序中設(shè)定看門狗定時(shí)程序，使程序具有定時(shí)自動(dòng)跳出的功能。

圖8 Modbus通信程序流程圖

4 結(jié)論

使用本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)仿真教學(xué)牽引變壓器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以準(zhǔn)確地測(cè)量并顯示動(dòng)態(tài)變化的電壓電流有效值、電流夾角和功率因數(shù)等待測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)具有開(kāi)發(fā)周期短、成本低廉和應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。在不改變硬件電路的主體結(jié)構(gòu)的情況下，只需對(duì)軟件進(jìn)行少量修改即可完成對(duì)其他三相電參數(shù)的分布式顯示，可廣泛應(yīng)用于多點(diǎn)、多參數(shù)的電能采集場(chǎng)合。

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Design of Multi Parameter Distributed Display System Based on MCU Communication Technology

WANG Peng-yu，CHEN Dong-yang，YANG Jian-fei
（Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

An electrical parameter monitoring system for three-phase transformer is designed，MSP430F149 is used as the MCU，ATT7022B is used as the electric parameter sample and measure unit，and intelligent digital tube which has RS485 interface is used as the displayunit.The design ofsignal conditioningcircuit and RS485 interface circuit is introduced，the SPI communication between MSP430 and ATT7022B is expounded,the link control program between MSP430 and intelligent digital tube through Modbus-RTU is illustrated，and several issues that should be focus on in practical application are noticed.The distributed displayofvoltage，current and power factor ofthree-phase transformer is realized.The designed systemhas the advantages offlexible application，lowcost and short development cycle，etc.

MSP430；ATT7022B；Modbus；distributed display

TP274

A

1674-3229（2017）03-0053-04

2017-04-18

王鵬宇（1991-），男，石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院在讀碩士生，研究方向：計(jì)算機(jī)測(cè)控。