單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)在電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用
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為了保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，了解電網(wǎng)運(yùn)行狀況，需要對(duì)電網(wǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)(如三相電壓、電流、有功功率、無功功率等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。嵌入式遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化技術(shù)融為一體，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、協(xié)調(diào)和控制，從而優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)。利用以太網(wǎng)的豐富資源及UBICOM公司高速單片機(jī)SX52BD構(gòu)建分布式以太網(wǎng)嵌入測控系統(tǒng)是一種低成本、高可靠且快捷的技術(shù)方案。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控中心工作人員可通過以太網(wǎng)直接訪問分布在各監(jiān)控現(xiàn)場的監(jiān)測儀，了解各電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，從而采取相應(yīng)措施。電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件是嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀，與PC機(jī)+網(wǎng)卡+采集卡的以太網(wǎng)測控系統(tǒng)相比成本大為降低，實(shí)現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的大眾化、普及化。
2 嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)功能
電網(wǎng)監(jiān)測儀對(duì)電網(wǎng)上的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)處理，在一定時(shí)間里保存數(shù)據(jù)，具體功能如下：
(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測三相電壓Va、Vb、Vc和四相電流Ia、Ib、Ic和I0；
(2)監(jiān)測A、B、C三相功率因素；
(3)通過RJ45接口與以太網(wǎng)通信；
(4)保存整點(diǎn)時(shí)刻的電壓、電流數(shù)據(jù)、功率因素，保存月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；
(5)用數(shù)碼管顯示，使用戶可以在現(xiàn)場查看和設(shè)置儀表的運(yùn)行參數(shù)及歷史記錄。
該電網(wǎng)監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由單片機(jī)、電壓電流采樣模塊、功率因素監(jiān)測模塊，、以太網(wǎng)接口模塊等組成。完成對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示及電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能。
2．1 單片機(jī)
單片機(jī)模塊是整個(gè)電網(wǎng)監(jiān)測儀的核心。主要完成兩大功能：(1)數(shù)據(jù)采集和處理；(2)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的接入。將經(jīng)過電壓電流監(jiān)測模塊得到的三相實(shí)時(shí)電壓、三相實(shí)時(shí)電流和中線電流進(jìn)行處理；實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過RJ45接口傳給以太網(wǎng)，使監(jiān)控中心及時(shí)得到電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)；同時(shí)電網(wǎng)監(jiān)控軟件根據(jù)測試參數(shù)判斷電網(wǎng)運(yùn)行狀況，電壓是否越限或過低等。
單片機(jī)選用UBICOM公司的8位超高速單片機(jī)SX52BD，每秒運(yùn)行數(shù)據(jù)能力達(dá)1億次。由于UBICOM單片機(jī)的速度極高，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作，可以在MCU執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制功能的同時(shí)把數(shù)據(jù)打包并傳送到互聯(lián)網(wǎng)上。用8位微控制器通過ISP接入互聯(lián)網(wǎng)，外圍器件少，系統(tǒng)成本低。UBICOM單片機(jī)屬RISC結(jié)構(gòu)，芯片上有Flash程序存儲(chǔ)器，可以在安裝到系統(tǒng)后進(jìn)行編程和調(diào)試。由于CPU采用并行流水作業(yè)方式，執(zhí)行一條指令只需要一個(gè)時(shí)鐘周期，工作在100MHz時(shí)指令執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS，所有I／O可以通過編程靈活配置。
SX52BD單片機(jī)可以輕松地實(shí)現(xiàn)虛擬外設(shè)的功能。CPU通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動(dòng)普通I／0口實(shí)現(xiàn)硬件外設(shè)功能(如UART、I2C、SPI、Caller ID、FSK等)。即把許多需要硬件實(shí)現(xiàn)的功能接口，借助處理器的高速處理能力，通過編寫相應(yīng)的軟件模塊實(shí)現(xiàn)。UBICOM公司用匯編語言實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)TCP／IP協(xié)議棧。在外接一個(gè)以太網(wǎng)控制芯片(RTL8019AS)的情況下還可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)(1EEE802．3)協(xié)議處理，使該單片機(jī)系統(tǒng)可以直接通過RJ45連到以太網(wǎng)上。
2.2電壓電流采樣模塊
根據(jù)采樣信號(hào)的不同，可分為直流采樣與交流采樣兩大類。直流采樣是把交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為O～5V的直流電壓，再送到A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。即A／D轉(zhuǎn)換器采樣的模擬量為直流信號(hào)。它的主要特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)刷新速度快，隨著元器件技術(shù)的發(fā)展，穩(wěn)定度、精確度大為提高。
交流采樣是相對(duì)直流采樣而言，直接對(duì)交流電壓和電流波形進(jìn)行采樣，然后通過一定的算法計(jì)算出電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率等。
交流采樣對(duì)環(huán)境溫度有一定要求，同時(shí)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和采樣保持器要求較高；為了保證測量精度，一個(gè)周期內(nèi)，必須保證足夠的采樣點(diǎn)數(shù)，而且采樣計(jì)算程序相對(duì)復(fù)雜，對(duì)CPU要求較高，因此該儀器采用直流采樣。其工作原理如圖3所示。
2.3功率因素檢測模塊
功率因素檢測模塊有兩大功能：
(1)判別電壓是超前還是滯后電流；
(2)判別功率因素大小。具體相關(guān)電路如圖4所示。當(dāng)電壓超前電流時(shí)，U15B輸出為“1”；反之輸出為“0”。電壓、電流的正弦波形分別經(jīng)過零比較器后(電路忽略)轉(zhuǎn)換為方波，輸入2／4譯碼電路。譯碼電路只有當(dāng)A、B信號(hào)為“01”或“10”時(shí)，X端口才輸出Vref，對(duì)積分電路充電；當(dāng)A、B信號(hào)為“00'’或“11”時(shí)，輸出端口為零。而A、B信號(hào)為“01”或“10'’的時(shí)間正是電壓、電流相位差的時(shí)間。時(shí)間越長，對(duì)電容C23充電的時(shí)間也越長。因此，電容上的電壓反映了相位差的大小。CPU經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可確定功率因素的大小。 
2.4以太網(wǎng)接口模塊
以太網(wǎng)接口模塊選用RealTek公司的RTL8019AS全雙工以太網(wǎng)控制器，主要功能是處理以太網(wǎng)協(xié)議。它自帶16KB的SRAM，并通過RJ45接口與以太網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)的流向?yàn)椋赫?qǐng)求信息從以太網(wǎng)來，通過RJ45送到RTL8019AS，處理后的數(shù)據(jù)包送人SX52BD協(xié)議棧，由協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到原始請(qǐng)求信息。請(qǐng)求信息再經(jīng)過SX52BD的處理，產(chǎn)生回復(fù)信息?；貜?fù)信息到以太網(wǎng)的過程與上述過程正好相反。
2.5其它模塊電路
EEPROM：CPU通過12C總線訪問EEPROM器件24C256。網(wǎng)頁就存儲(chǔ)在EEPROM中。EEPROM中的網(wǎng)頁內(nèi)容通過主CPU的讀寫操作可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁的瀏覽、重新下載和更新。受容量的限制它不可能存儲(chǔ)大量頁面。
時(shí)鐘模塊電路：選用了時(shí)鐘芯片DSl2B887。它可以產(chǎn)生秒、分、時(shí)、日、星期、月及年等七個(gè)時(shí)標(biāo)?？梢酝ㄟ^編程讀取和修改這些時(shí)標(biāo)，也可以編程產(chǎn)生定時(shí)中斷。采用硬時(shí)鐘，可以不占用單片機(jī)的定時(shí)器資源，減輕軟件設(shè)計(jì)量。
看門狗電路：電網(wǎng)監(jiān)測儀的工作環(huán)境通常具有強(qiáng)烈的電磁干擾，在工作要求極高的情況下為了防止干擾，引入了看門狗電路。采用MAX813L芯片。該芯片具有監(jiān)控電路，如果程序在1.6s之內(nèi)還不給MAX813L“喂狗信號(hào)”，它就會(huì)產(chǎn)生看門狗輸出，系統(tǒng)復(fù)位。
評(píng)論