摘? 要: 介紹應(yīng)用UBICOM公司的SX52BD單片機(jī)構(gòu)建用于遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的嵌入式系統(tǒng)的具體方案,使基于單片機(jī)的測(cè)控設(shè)備可以方便地連接到以太網(wǎng),實(shí)行電網(wǎng)參數(shù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

　　關(guān)鍵詞: 電網(wǎng)監(jiān)測(cè)? 嵌入式系統(tǒng)?

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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(wú)功功率等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。嵌入式遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)、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(cè)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(guò)以太網(wǎng)直接訪(fǎng)問(wèn)分布在各監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)儀" title="監(jiān)測(cè)儀">監(jiān)測(cè)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(cè)儀,與PC機(jī)+網(wǎng)卡+采集卡的以太網(wǎng)測(cè)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。

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2 嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測(cè)儀的結(jié)構(gòu)功能

　　電網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)三相電壓Va、Vb、Vc和四相電流Ia、Ib、Ic、和I0;

　　(2)監(jiān)測(cè)A、B、C三相功率因素" title="功率因素">功率因素;

　　(3)通過(guò)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(hù)可以在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(cè)模塊、以太網(wǎng)接口模塊" title="接口模塊">接口模塊等組成。完成對(duì)電網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)測(cè),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。

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2.1 單片機(jī)

　　單片機(jī)模塊是整個(gè)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(guò)電壓電流監(jiān)測(cè)模塊得到的三相實(shí)時(shí)電壓、三相實(shí)時(shí)電流和中線(xiàn)電流進(jìn)行處理;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)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(cè)試參數(shù)判斷電網(wǎng)運(yùn)行狀況,電壓是否越限或過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動(dòng)普通I/O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(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的軟件模塊實(shí)現(xiàn)。UBICOM公司用匯編語(yǔ)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) (IEEE802.3)協(xié)議處理,使該單片機(jī)系統(tǒng)可以直接通過(guò)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" title="交流采樣">交流采樣兩大類(lèi)。直流采樣是把交流電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為0~5V的直流電壓,再送到A/D" title="A/D">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(guò)一定的算法計(jì)算出電壓、電流的有效值、有功功率、無(wú)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(cè)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。

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2.3 功率因素檢測(cè)模塊

　　功率因素檢測(cè)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。是當(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(guò)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(zhǎng),對(duì)電容C23充電的時(shí)間也越長(zhǎng)。因此,電容上的電壓反映了相位差的大小。CPU經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理可確定功率因素的大小。

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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(guò)RJ45接口與以太網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)的流向?yàn)?請(qǐng)求信息從以太網(wǎng)來(lái),通過(guò)RJ45送到RTL8019AS,處理后的數(shù)據(jù)包送入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(guò)SX52BD的處理,產(chǎn)生回復(fù)信息。回復(fù)信息到以太網(wǎng)的過(guò)程與上述過(guò)程正好相反。

2.5 其它模塊電路

　　EEPROM:CPU通過(guò)I²C總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)EEPROM器件24C256。網(wǎng)頁(yè)就存儲(chǔ)在EEPROM中。EEPROM中的網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容通過(guò)主CPU的讀寫(xiě)操作可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)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(yè)面。

　　時(shí)鐘模塊電路:選用了時(shí)鐘芯片DS12B887。它可以產(chǎn)生秒、分、時(shí)、日、星期、月及年等七個(gè)時(shí)標(biāo)。可以通過(guò)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(mén)狗電路:電網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(mén)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(mén)狗輸出,系統(tǒng)復(fù)位。

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參考文獻(xiàn)

1 SX52BD100 Data Sheet.UBICOM Corporation,2000