基于MSP430單片機的變壓器監(jiān)控終端設(shè)計

劉曦鍇 王曉薇

（沈陽師范大學(xué)科信軟件學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

變壓器監(jiān)控終端是對配電變壓器的各種運行參數(shù)的監(jiān)視、測量與控制的遠方終端[1]。它是配電自動化中最末一級監(jiān)控單元，負責(zé)監(jiān)測配變低壓側(cè)電壓[2]、電流、頻率，計算配變的有功功率、無功功率、有功電度、無功電度，分析電能質(zhì)量，統(tǒng)計電能數(shù)據(jù)等[3]。

配電自動化系統(tǒng)一般由主站、子站、終端三層結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。主站層(配網(wǎng)監(jiān)控和管理中心層)從各子站層獲取配電網(wǎng)的實時信息，從整體上對配電網(wǎng)進行監(jiān)視、分析和控制，也是配網(wǎng)的管理中心。子站(配網(wǎng)監(jiān)控中問層)，一般設(shè)在中心變電站或變電集中控制站，主要任務(wù)是作為區(qū)域數(shù)據(jù)交換中心，實現(xiàn)各種實時信息的上傳下達。配電終端層主要任務(wù)是負責(zé)對線路、配電室的開關(guān)、配電變壓器進行數(shù)據(jù)采集和控制，并在必要時執(zhí)行就地智能功能。

圖1 配電自動化系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的變壓器監(jiān)控終端的硬件構(gòu)成如圖2所示，整個系統(tǒng)的硬件是以MSP430單片機[4-5]為中心模塊的監(jiān)測與控制系統(tǒng)。其主要構(gòu)成和外圍模塊包括：

1）模擬量變換及信號調(diào)理電路。

2）人機接口的鍵盤和液晶顯示芯片。

3）具有IIC接口的時鐘和存儲芯片。

4）與手持抄表終端或便攜式計算機等智能設(shè)各通訊的RS232接口電路[6]。

5）讀耿脈沖電度表電量的脈沖計數(shù)輸入接口[7]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 模擬量輸入模塊電路設(shè)計

模擬量輸入模塊由兩部分組成：模擬量信號采集和A/D轉(zhuǎn)換。模擬量信號采集由隔離電路和信號調(diào)理電路構(gòu)成。采集的交流電壓、電流信號經(jīng)過隔離電路和信號調(diào)理電路后進入MSP430的A/D通道進行轉(zhuǎn)換。

A/D轉(zhuǎn)換采用的是MSP430內(nèi)嵌的ADCl2。ADCl2的主要特點如下：

1）采樣速度快，最高可達到200dsps。

2）12位轉(zhuǎn)換精度。

3）內(nèi)置采樣與保持電路。

2.2 通訊模塊電路設(shè)計

由于RS232接口是一種標準的串行通訊接口，串口操作簡單，可靠性高，同時MSP430內(nèi)部集成了兩個通用的串行同步/異步模塊USART0和USARTl均支持兩種不同的串行協(xié)議，因此本系統(tǒng)采用RS232通訊接口。

由于430單片機的異步串口為0V和3.6V的CMOS邏輯信號，故選用SP3223E將陔信號轉(zhuǎn)換為RS232標準。SP3223E芯片內(nèi)帶有兩個發(fā)送器和兩個接收器，能夠滿足從CMOS到RS232和從RS232到CMOS電平轉(zhuǎn)化的要求。

2.3 顯示模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)的液晶驅(qū)動采用的是4MUX驅(qū)動方法。MSP430系列單片機作為面向儀表、測控領(lǐng)域的專用單片機，內(nèi)部集成了LCD接口，使用方便。為此，系統(tǒng)采用MSP430單片機和河北冀雅電子有限公司生產(chǎn)的液晶顯示器JY00771B作為人機界面設(shè)計的核心部件。

MSP430單片機內(nèi)部LCD接口具有160段驅(qū)動能力，具有多路管腳復(fù)用功能，內(nèi)部具有LCD控制寄存器和顯示寄存器，便于控制。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

按照上述系統(tǒng)目標和設(shè)計思想，軟件可化分為：數(shù)據(jù)采集和處理模塊：串行通訊模塊協(xié)議模塊、鍵盤顯示模塊以及串口通訊模塊。

3.1 主程序

本文設(shè)計的主程序負責(zé)將上述幾個功能模塊聯(lián)成一個整體.實現(xiàn)各個功能模塊之間的調(diào)度。它首先是完成整個系統(tǒng)的自檢和初始化，在初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進入主循環(huán)，主程序在主循環(huán)中通過查詢各功能標志來調(diào)用各個模塊，各個模扶在完成各自的任務(wù)后也通過設(shè)置標志的方式通知主程序進行下一步工作。主程序的整個工作流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

數(shù)據(jù)采集和處理模塊由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分組成。數(shù)據(jù)采集負責(zé)對各個通道的模擬量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)處理負責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進行的運算處理。

從鍵盤讀入信息顯示時按三步進行：

1）判鍵入，判斷是否有鍵按下，有則迸一步譯鍵，無則等待鍵入，或轉(zhuǎn)做別的工作。

2）識鍵，在有鍵入的情況下，進一步識別是哪個鍵，并作適當?shù)淖g碼，以便進一步處理。

3）鍵值分析，根據(jù)鍵值，找出對應(yīng)處理程序的接口。鍵盤顯示模塊是由鍵盤和顯示處理兩大部分組成。軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.3 串口通訊模塊

串口通訊模塊由串口0、l接收中斷和串口0發(fā)送中斷，其中串口1接收中斷主要用于轉(zhuǎn)發(fā)處理，便于系統(tǒng)級聯(lián)。

通訊均采用中斷方式發(fā)送和接收，提高了系統(tǒng)實時性。在內(nèi)存中為串口0開辟兩段數(shù)據(jù)區(qū)，即發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，長度均為250個字節(jié)，這是可能接收的報文的最大長度，超出此長度的報文視為無效。

4 結(jié)論

本文論述的基于430單片機的變壓器監(jiān)控終端是針對我國變壓器監(jiān)控終端系統(tǒng)的現(xiàn)狀，研究和開發(fā)了一種新型的變壓器監(jiān)控終端產(chǎn)品，克服了同類產(chǎn)品的缺陷，旨在電力管理部門推廣使用，提高我國是配電自動化水平。論文詳細地闡述了變壓器監(jiān)控終端設(shè)計過程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和方法。

［1］劉健，倪建立，鄧永輝.配電自動化系統(tǒng)[M].2版.中國水利水電出版社，2003，1.

［2］袁欽成.配電自動化及管理系統(tǒng)的工程實踐[J].電力設(shè)備，2004（1）：11－16.

［3］趙聞蕾,李暉.電參量諧波測量算法的研究[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報,2004,(04)∶58-62.doi∶10.3969/j.issn.1673-9590.2003.04.016.

［4］胡大可.MSP430系列：超低功耗16位單片機原理與應(yīng)用[J].北京航空航天大學(xué)出版社，2000，6.

［5］楊平，王威.MSP430 系列超低功耗單片機及應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2011，33.

［6］馬小陸,陶維青.基于430單片機的遠程測控單元[J].儀器儀表用戶,2004(05)∶69-71.doi∶10.3969/j.issn.1671-1041.2004.05.040.

［7］李光輝，陳志英.基于DSP的配電變壓器遠方終端單元(TTU)的設(shè)計[J].電工電能新技術(shù)，s2004,(03)∶72-75.doi∶10.3969/j.issn.1003-3076.2004.03.017.