黃軍友

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)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(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 廣元 628000）

為了實(shí)時(shí)研究三相交流電的性能和特征參數(shù)，提出基于單片機(jī)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(jìn)行了設(shè)計(jì)，編寫了串行通信軟件.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Visual C++6.0上編寫的通信軟件基本能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，為電力智能傳感器各種粗信號處理做好了準(zhǔn)備.

智能傳感器；粗信號處理；嵌入式系統(tǒng)；接口設(shè)計(jì)

0 引言

電力智能傳感器由普通傳感器和微處理器構(gòu)成，不僅能提供一定質(zhì)量的反映電力特征參數(shù)和性能的電信號，還具有信息處理功能與通訊、自校正、自補(bǔ)償、自診斷能力[1].粗信號處理是對預(yù)處理后的信號進(jìn)行分析和計(jì)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(fù)雜性加劇，用電設(shè)備不斷增多，交流電力參數(shù)和性能的實(shí)時(shí)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(wǎng)、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(zhì)量，相比傳統(tǒng)電力監(jiān)測設(shè)備體積小，功能豐富、成本低、測量性能好.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(jìn)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(shí)現(xiàn)交流電力特征信號的測量、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與PC機(jī)系統(tǒng)通信的實(shí)現(xiàn)，并通過串口接收上位機(jī)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、粗信號處理并發(fā)送結(jié)果至上位機(jī).PC機(jī)系統(tǒng)采用Visual C++6.0編寫，串口通信軟件與單片機(jī)通信并實(shí)現(xiàn)發(fā)送命令、接收數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)及保存數(shù)據(jù)等功能.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路

系統(tǒng)采用并行口擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器，使用SRAM芯片6264以三總線的方式連接.該方式存儲數(shù)據(jù)快，只需定義好外部數(shù)據(jù)的存儲地址后便可以使用，無需通過讀寫函數(shù).但占用I/O較多，無法再接顯示屏，通過上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示解決.基于低成本，嵌入式CPU采用AT89C52單片機(jī)，單片機(jī)最小系統(tǒng)包括AT89C52、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路.時(shí)鐘電路采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，晶體振蕩器晶振頻率為11.059 2 MHz產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，提供精確的通訊波特率和穩(wěn)定的時(shí)鐘信號.復(fù)位電路采用按鍵與上電復(fù)位電路，利用電阻和電容來實(shí)現(xiàn)復(fù)位.系統(tǒng)死鎖時(shí)，通過按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位啟動(dòng)[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(shè)計(jì)采用兩種方式供電：一是通過AC Adapter將輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)為9 V直流電，三端集成穩(wěn)壓器LM7805將其轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的5 V電源輸出；二是通過USB接PC機(jī)獲得5 V電壓.兩種供電方式用開關(guān)進(jìn)行選擇.

電力信號感知和調(diào)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(hù)設(shè)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(xiàn)[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(jì)算輸出電壓等于±1.534 V，經(jīng)運(yùn)算放大器的放大及調(diào)理后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(shè)380 V交流負(fù)載為3.5 kW，電流約為6.5 A，根據(jù)典型應(yīng)用電路[2]，計(jì)算出輸出電壓±325 mV，同樣需放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.放大電路采用價(jià)格便宜的四運(yùn)算放大器集成芯片LM324.

通信電路是嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)系統(tǒng)通信的硬件電路，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容.采用串口通信實(shí)現(xiàn)，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(zhuǎn)換MAX232構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，+5 V單電源供電，功耗低，典型供電電流5 mA，內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器，片外最低只需5個(gè)電容即能實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換[6].

圖2 MAX232連接電路圖

3 下位機(jī)（嵌入式）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)，著重于串口通訊軟件設(shè)計(jì).主程序流程簡單：首先進(jìn)行串口初始化、接著進(jìn)入while（1）的無限循環(huán)中以等待串口中斷.程序主要內(nèi)容在于串口中斷服務(wù)程序，當(dāng)串口收到命令時(shí)單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)操作.

3.1 串口初始化程序設(shè)計(jì)

使用串口前，先對串口進(jìn)行初始化.初始化的內(nèi)容包括串行口工作方式、波特率的設(shè)置、中斷設(shè)置.系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用異步傳輸，在異步傳輸中，數(shù)據(jù)一幀一幀傳送，每幀數(shù)據(jù)只有一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，不需要同步脈沖，靈活且簡單.為獲得精準(zhǔn)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(gè)起始位0，8個(gè)數(shù)據(jù)位（由低位到高位）和1個(gè)停止位1[7].

方式1的發(fā)送：當(dāng)CPU執(zhí)行一條指令將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖SBUF時(shí)，就啟動(dòng)發(fā)送.一條寫SBUF指令就可啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送過程.在發(fā)送移位時(shí)鐘的同步下，從TXD引腳先送出起始位，然后是8位數(shù)據(jù)位，最后是停止位.這樣的一幀10位數(shù)據(jù)發(fā)送完成[8]，中斷標(biāo)志TI置位.串行數(shù)據(jù)從TXD引腳輸出，發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)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(dāng)采樣RXD出現(xiàn)由1到0的跳變時(shí)，才認(rèn)為是串行口發(fā)來的一幀數(shù)據(jù)起始位0，開始接收一幀數(shù)據(jù).只有當(dāng)RI=0且SM2=0（或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1）時(shí)，接收到的前8位數(shù)據(jù)裝入接收緩沖器SBUF，第9位停止位進(jìn)入RB8，并由硬件置位中斷標(biāo)志RI，一幀數(shù)據(jù)的接收過程完成，否則信息丟失.在方式1接收時(shí)，軟件對RI和SM2標(biāo)志位清0，本設(shè)計(jì)SCON=0x50，SM2=0.串行口方式1發(fā)收時(shí)序圖如圖3.

圖3 串行口方式1收發(fā)時(shí)序圖

波特率即數(shù)據(jù)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(chǎn)生亂碼，設(shè)計(jì)中波特率為9 600波特，采用串口工作方式1，定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器，串行口波特率由定時(shí)器T1的溢出率和SMOD值同時(shí)決定：

其中，fosc為定時(shí)器溢出頻率，n為定時(shí)器位數(shù)，X為時(shí)間常數(shù).設(shè)計(jì)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(wù)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過接受上位機(jī)命令符然后做出相應(yīng)的響應(yīng).串口中斷服務(wù)程序流程如圖4所示.

圖4 串口中斷服務(wù)流程圖

串口中斷服務(wù)程序如下：

3.3 浮點(diǎn)數(shù)收發(fā)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采樣到的數(shù)據(jù)為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，相關(guān)計(jì)算后的結(jié)果值也為浮點(diǎn)數(shù).單片機(jī)中的浮點(diǎn)數(shù)存儲格式遵循IEEE 754標(biāo)準(zhǔn).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(diǎn)數(shù)值的方式.設(shè)計(jì)中收發(fā)的浮點(diǎn)數(shù)為單精度浮點(diǎn)數(shù)，包含3個(gè)構(gòu)成字段：23位小數(shù)f，8位偏置指數(shù)e，1位符號s.將這些字段連續(xù)存放在一個(gè)32位字里，并對其進(jìn)行編碼.其中0-22位包含23位的小數(shù)f；23-30位包含8位指數(shù)e；第31位包含符號s.單精度浮點(diǎn)格式在Visual C++存放逆序存儲，發(fā)送時(shí)將4個(gè)無符號的字節(jié)數(shù)組以逆序的方式發(fā)送.

下位機(jī)發(fā)送浮點(diǎn)數(shù)主要的代碼如下：

上位機(jī)還原浮點(diǎn)數(shù)的主要代碼如下：

4 上位機(jī)（PC）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用Visual C++6.0編寫，使用串口控件MSComm實(shí)現(xiàn)通信，基本能達(dá)到設(shè)計(jì)要求.上位機(jī)軟件系統(tǒng)總體框圖如圖5.

上位機(jī)系統(tǒng)軟件的基本編程步驟如下：

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

2）為實(shí)現(xiàn)PC與計(jì)算機(jī)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(shù).

圖5 上位機(jī)總體框圖

表1 程序主界面內(nèi)的控件類型、ID及說明

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

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(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)串口通信的軟件仿真.Proteus中，單片機(jī)內(nèi)部晶振為11.059 2 Mhz.COMPIM內(nèi)部自帶RS232和TTL電平轉(zhuǎn)換功能，不需要使用電平轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)RXD與TXD可直接與COMPIM的RXD與TXD連接，并且COMPIM可以設(shè)置占用計(jì)算機(jī)上的一個(gè)實(shí)際串口或者是一個(gè)虛擬串口，設(shè)置COMPIM屬性PhsicalPort：COM4，波特率：9600，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1，無數(shù)據(jù)校驗(yàn).虛擬串口軟件是一種可以在不占用真實(shí)串口的情況下，創(chuàng)建在功能上以及使用上與真實(shí)物理串口一致的虛擬串口，并通過軟連接技術(shù)代替串口數(shù)據(jù)線將虛擬串口對互連.設(shè)計(jì)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(jī)通信指示燈點(diǎn)亮且上位機(jī)顯示通信正常，如圖6.

圖6 通訊仿真

5.3 數(shù)據(jù)采集測試

單擊數(shù)據(jù)采集，顯示“傳感器狀態(tài)欄顯示數(shù)據(jù)采集中”，數(shù)據(jù)采集完成進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，如圖7所示將采集到的數(shù)據(jù)顯示在對應(yīng)的編輯框.

圖7 數(shù)據(jù)采集仿真

5.4 數(shù)據(jù)保存測試

單擊數(shù)據(jù)保存，顯示數(shù)據(jù)保存成功，找到指定文件打開檢查數(shù)據(jù)是否正確.如圖8和圖9.

5.5 浮點(diǎn)數(shù)發(fā)送測試

通信過程中，點(diǎn)擊浮點(diǎn)數(shù)發(fā)送，之后打開proteus，在Debug中鉤選Memory Contens-U4即外部數(shù)據(jù)擴(kuò)展RAM6262芯片.通過觀察數(shù)據(jù)存儲情況，看是否有浮點(diǎn)數(shù)存入指定的內(nèi)存地址.如圖10.

圖8 數(shù)據(jù)保存仿真

圖9 數(shù)據(jù)核對

圖10 浮點(diǎn)數(shù)發(fā)送仿真

6 結(jié)語

仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的串口通信軟件基本實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)的串口通信，為有效進(jìn)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(zhǔn)備.接口系統(tǒng)能夠通過串口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)發(fā)送命令符控制單片機(jī)，單片機(jī)接收命令并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送回上位機(jī).上位機(jī)的串口通信軟件也能實(shí)現(xiàn)串口接收數(shù)據(jù)及接收顯示浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，并能將接收到的數(shù)據(jù)以TXT格式保存至磁盤中，另外上位機(jī)串口通信軟件也能將浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，用以驗(yàn)證嵌入式系統(tǒng)的算法.下一步將對串口通訊軟件進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[D].成都：西華大學(xué)，2012.

[2]程志，肖繼學(xué)，李世璽.交流電力智能傳感器粗信號處理實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，（4）：68-71+ 103.

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（責(zé)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(yuǎn)人，副教授，主要從事電子與通信研究.