智能傳感器電力監(jiān)測系統(tǒng)接口研究

黃軍友

（四川信息職業(yè)技術學院 機電工程系，四川 廣元 628000）

智能傳感器電力監(jiān)測系統(tǒng)接口研究

黃軍友

（四川信息職業(yè)技術學院 機電工程系，四川 廣元 628000）

為了實時研究三相交流電的性能和特征參數，提出基于單片機AT89C52的電力智能傳感器監(jiān)測粗信號處理系統(tǒng)，分析了電力智能傳感器監(jiān)測系統(tǒng)組成，對系統(tǒng)接口電路進行了設計，編寫了串行通信軟件.仿真實驗結果表明，Visual C++6.0上編寫的通信軟件基本能實現單片機與PC機的數據傳輸，為電力智能傳感器各種粗信號處理做好了準備.

智能傳感器；粗信號處理；嵌入式系統(tǒng)；接口設計

0 引言

電力智能傳感器由普通傳感器和微處理器構成，不僅能提供一定質量的反映電力特征參數和性能的電信號，還具有信息處理功能與通訊、自校正、自補償、自診斷能力[1].粗信號處理是對預處理后的信號進行分析和計算，獲得能直接用于通信傳播的具有一定知識級別的信息.隨著供電系統(tǒng)復雜性加劇，用電設備不斷增多，交流電力參數和性能的實時監(jiān)測顯得尤為重要[2].高性能測試系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)成為國家電網、智能樓宇系統(tǒng)和家庭的迫切需求.交流電力智能傳感器粗信號處理系統(tǒng)主要監(jiān)測三相交流電的電力狀況和質量，相比傳統(tǒng)電力監(jiān)測設備體積小，功能豐富、成本低、測量性能好.

1 系統(tǒng)結構

電力智能傳感器粗信號處理系統(tǒng)由嵌入式系統(tǒng)和PC系統(tǒng)組成，二者通過串口進行通信.嵌入式系統(tǒng)以AT89C52微處理器為核心，主要完成交流電力智能傳感器粗信號處理方法即實現交流電力特征信號的測量、A/D轉換、數據處理與PC機系統(tǒng)通信的實現，并通過串口接收上位機的命令進行數據采集、粗信號處理并發(fā)送結果至上位機.PC機系統(tǒng)采用Visual C++6.0編寫，串口通信軟件與單片機通信并實現發(fā)送命令、接收數據、顯示數據及保存數據等功能.系統(tǒng)結構如圖1.

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 硬件電路

系統(tǒng)采用并行口擴展數據存儲器，使用SRAM芯片6264以三總線的方式連接.該方式存儲數據快，只需定義好外部數據的存儲地址后便可以使用，無需通過讀寫函數.但占用I/O較多，無法再接顯示屏，通過上位機系統(tǒng)進行數據顯示解決.基于低成本，嵌入式CPU采用AT89C52單片機，單片機最小系統(tǒng)包括AT89C52、時鐘電路、復位電路.時鐘電路采用內部時鐘方式，晶體振蕩器晶振頻率為11.059 2 MHz產生時鐘脈沖，提供精確的通訊波特率和穩(wěn)定的時鐘信號.復位電路采用按鍵與上電復位電路，利用電阻和電容來實現復位.系統(tǒng)死鎖時，通過按鍵實現系統(tǒng)復位啟動[3].

系統(tǒng)各芯片采用所需電源電壓均為+5 V直流電，電源電路的設計采用兩種方式供電：一是通過AC Adapter將輸入的220 V交流電轉為9 V直流電，三端集成穩(wěn)壓器LM7805將其轉為穩(wěn)定的5 V電源輸出；二是通過USB接PC機獲得5 V電壓.兩種供電方式用開關進行選擇.

電力信號感知和調理電路中，系統(tǒng)感知部分由電壓互感器和電流互感器感知電力信號，并將工頻高電壓和大電流按比例分別變換成低電壓和小電流，既便于測量又便于保護設備和人身安全[4].電壓互感器采用環(huán)氧灌封精密電壓互感器TV19-E，匝比是1 000:1 000，輸入電流等于輸出電流.基于文獻[1，2]工作原理圖，輸入電壓為三相交流電的線電壓，其峰值電壓為537 V，限流電阻取值35 kΩ，輸出端電阻取值100 Ω，計算輸出電壓等于±1.534 V，經運算放大器的放大及調理后進行A/D轉換.電流互感器采用TA17（L）-04.互感器采用超微晶鐵芯，全密封，線性度優(yōu)于2‰，工作頻率20 Hz-20 kHz，溫度-55℃-85℃，匝比2 000:1，輸入電流在0-20 A[5].設380 V交流負載為3.5 kW，電流約為6.5 A，根據典型應用電路[2]，計算出輸出電壓±325 mV，同樣需放大后進行A/D轉換.放大電路采用價格便宜的四運算放大器集成芯片LM324.

通信電路是嵌入式系統(tǒng)與PC機系統(tǒng)通信的硬件電路，是設計的重點內容.采用串口通信實現，系統(tǒng)不需要長距離傳輸，采用RS-232C協(xié)議，在AT89C52的TXD與RXD引腳上加上電平轉換MAX232構成RS-232C接口.MAX232在系統(tǒng)中的連接電路圖如圖2所示，MAX232專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，+5 V單電源供電，功耗低，典型供電電流5 mA，內部集成2個RS-232C驅動器，片外最低只需5個電容即能實現電平轉換[6].

圖2 MAX232連接電路圖

3 下位機（嵌入式）系統(tǒng)軟件設計

軟件編寫采用C語言，開發(fā)環(huán)境Keil uVision4.主要針對系統(tǒng)接口設計，著重于串口通訊軟件設計.主程序流程簡單：首先進行串口初始化、接著進入while（1）的無限循環(huán)中以等待串口中斷.程序主要內容在于串口中斷服務程序，當串口收到命令時單片機進行相應操作.

3.1 串口初始化程序設計

使用串口前，先對串口進行初始化.初始化的內容包括串行口工作方式、波特率的設置、中斷設置.系統(tǒng)設計采用異步傳輸，在異步傳輸中，數據一幀一幀傳送，每幀數據只有一個字節(jié)數據，不需要同步脈沖，靈活且簡單.為獲得精準的通訊波特率采用串口工作方式1.方式1為波特率可變的10位異步通信方式.發(fā)送或接受一幀信息，包括1個起始位0，8個數據位（由低位到高位）和1個停止位1[7].

方式1的發(fā)送：當CPU執(zhí)行一條指令將數據寫入發(fā)送緩沖SBUF時，就啟動發(fā)送.一條寫SBUF指令就可啟動數據發(fā)送過程.在發(fā)送移位時鐘的同步下，從TXD引腳先送出起始位，然后是8位數據位，最后是停止位.這樣的一幀10位數據發(fā)送完成[8]，中斷標志TI置位.串行數據從TXD引腳輸出，發(fā)送完一幀數據后，就由硬件置位TI.

方式1的接收：在允許接收的條件下REN=1，串行口采樣RXD引腳，當采樣RXD出現由1到0的跳變時，才認為是串行口發(fā)來的一幀數據起始位0，開始接收一幀數據.只有當RI=0且SM2=0（或接收到的第9位數據為1）時，接收到的前8位數據裝入接收緩沖器SBUF，第9位停止位進入RB8，并由硬件置位中斷標志RI，一幀數據的接收過程完成，否則信息丟失.在方式1接收時，軟件對RI和SM2標志位清0，本設計SCON=0x50，SM2=0.串行口方式1發(fā)收時序圖如圖3.

圖3 串行口方式1收發(fā)時序圖

波特率即數據傳送的速率.波特率過慢傳送效率低，波特率過高在傳送中容易產生亂碼，設計中波特率為9 600波特，采用串口工作方式1，定時器T1作為波特率發(fā)生器，串行口波特率由定時器T1的溢出率和SMOD值同時決定：

其中，fosc為定時器溢出頻率，n為定時器位數，X為時間常數.設計中SMOD=0，波特率為9600，fosc= 11.059 2 Mhz，n=8.

串口初始化程序如下.

3.2 串口中斷服務程序設計

單片機通過接受上位機命令符然后做出相應的響應.串口中斷服務程序流程如圖4所示.

圖4 串口中斷服務流程圖

串口中斷服務程序如下：

3.3 浮點數收發(fā)程序設計

系統(tǒng)采樣到的數據為浮點型數據，相關計算后的結果值也為浮點數.單片機中的浮點數存儲格式遵循IEEE 754標準.IEEE 754規(guī)定了單精確度（32位元）、雙精確度（64位元）、延伸單精確度（43位元以上）、延伸雙精確度（79位元以上）四種表示浮點數值的方式.設計中收發(fā)的浮點數為單精度浮點數，包含3個構成字段：23位小數f，8位偏置指數e，1位符號s.將這些字段連續(xù)存放在一個32位字里，并對其進行編碼.其中0-22位包含23位的小數f；23-30位包含8位指數e；第31位包含符號s.單精度浮點格式在Visual C++存放逆序存儲，發(fā)送時將4個無符號的字節(jié)數組以逆序的方式發(fā)送.

下位機發(fā)送浮點數主要的代碼如下：

上位機還原浮點數的主要代碼如下：

4 上位機（PC）系統(tǒng)軟件設計

上位機軟件采用Visual C++6.0編寫，使用串口控件MSComm實現通信，基本能達到設計要求.上位機軟件系統(tǒng)總體框圖如圖5.

上位機系統(tǒng)軟件的基本編程步驟如下：

1）建立應用程序工程.在Visual C++6.0中建立一個基于對話框的MFC應用程序SCommTest.繪制通訊界面，為相應控件添加變量，控件的屬性設置情況如表1.

2）為實現PC與計算機的串口通信，在工程中添加MSComm控件.

3）初始化串口.

4）添加串口事件消息處理函數.

圖5 上位機總體框圖

表1 程序主界面內的控件類型、ID及說明

5）為按鈕添加一個單擊消息，即BN_CLICKED處理函數.系統(tǒng)軟件共設置6個按鈕，如測試和顯示處理函數：

5 系統(tǒng)仿真

5.1 仿真環(huán)境

采用proteus、Visual C++6.0和VSPD(虛擬串口)以實現單片機與PC機串口通信的軟件仿真.Proteus中，單片機內部晶振為11.059 2 Mhz.COMPIM內部自帶RS232和TTL電平轉換功能，不需要使用電平轉換芯片，單片機RXD與TXD可直接與COMPIM的RXD與TXD連接，并且COMPIM可以設置占用計算機上的一個實際串口或者是一個虛擬串口，設置COMPIM屬性PhsicalPort：COM4，波特率：9600，數據位：8，停止位：1，無數據校驗.虛擬串口軟件是一種可以在不占用真實串口的情況下，創(chuàng)建在功能上以及使用上與真實物理串口一致的虛擬串口，并通過軟連接技術代替串口數據線將虛擬串口對互連.設計中采用VSPD創(chuàng)建虛擬串口COM3與COM4并將其互連.

5.2 通訊測試

單擊測試按鈕，單片機通信指示燈點亮且上位機顯示通信正常，如圖6.

圖6 通訊仿真

5.3 數據采集測試

單擊數據采集，顯示“傳感器狀態(tài)欄顯示數據采集中”，數據采集完成進行數據顯示，如圖7所示將采集到的數據顯示在對應的編輯框.

圖7 數據采集仿真

5.4 數據保存測試

單擊數據保存，顯示數據保存成功，找到指定文件打開檢查數據是否正確.如圖8和圖9.

5.5 浮點數發(fā)送測試

通信過程中，點擊浮點數發(fā)送，之后打開proteus，在Debug中鉤選Memory Contens-U4即外部數據擴展RAM6262芯片.通過觀察數據存儲情況，看是否有浮點數存入指定的內存地址.如圖10.

圖8 數據保存仿真

圖9 數據核對

圖10 浮點數發(fā)送仿真

6 結語

仿真結果表明，設計的串口通信軟件基本實現上位機與單片機的串口通信，為有效進行交流電力智能傳器各種粗信號處理方法的性能監(jiān)測做好了準備.接口系統(tǒng)能夠通過串口實現上位機發(fā)送命令符控制單片機，單片機接收命令并進行數據采集并將數據發(fā)送回上位機.上位機的串口通信軟件也能實現串口接收數據及接收顯示浮點型數據，并能將接收到的數據以TXT格式保存至磁盤中，另外上位機串口通信軟件也能將浮點型數據傳給單片機，用以驗證嵌入式系統(tǒng)的算法.下一步將對串口通訊軟件進行交流電力信號的圖形仿真.

[1]程志.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗系統(tǒng)的研制[D].成都：西華大學，2012.

[2]程志，肖繼學，李世璽.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗硬件系統(tǒng)設計[J].西華大學學報（自然科學版），2011，（4）：68-71+ 103.

[3]蔣新革，王平，古麗孜娜，等.基于單片機與電話網實現遠程測控[J].電力自動化設備，2006，（8）：46-47.

[4]車暢，胡丹.交流電力功率智能傳感器粗信號處理[J].西南交通大學學報，2011，（4）：598-603.

[5]程志，肖繼學，李世璽.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗硬件系統(tǒng)設計[J].西南交通大學學報，2011，（4）：68-71+103.

[6]鄭恭明，陳志方，武洪濤.基于MAX232的正負電源設計[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2012，（1）：23-25.

[7]殷巧，肖繼學，童俊，等.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺的軟件設計[J].中國測試，2013，（2）：89-93.

[8]馬龍飛.基于DSP的長基線數字信號處理軟件的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

（責任編輯 李健飛）

A Study of Smart Sensor Power Monitoring System Interface

HUANG Jun-you
（Department of Mechanical&Electrical Engineering，Sichuan Vocational College of Information Technology，Guangyuan，Sichuan 628000，China）

In order to study in real time the performance and characteristics parameters of three-phase alternating current,this paper introduces coarse signal processing system based on MCU AT89C52 power smart sensor monitoring,analyses the composition of power smart sensor monitoring system,designs the interface circuit,and works out the serial communication software.The simulation experiment results show that the communication software written in Visual C++6.0 can transmit data between MCU and PC basically,and prepare for the coarse signal processing of power smart sensor.

smart sensor；coarse signal processing；AT89C52；interface design

TP36

：A

：1673-1972（2014）03-0010-09

2013-09-11

黃軍友（1977-），男，四川威遠人，副教授，主要從事電子與通信研究.