智能型測量控制系統電路設計攻略 —電路圖天天讀（168）

　　本文研究的主要內容是設計一種可用于工業(yè)現場(chǎng)的高性能的交流電壓、電流、功率、電能測量系統，提出并研制了一種基于A(yíng)T89S52(＄0.8482)單片機的高性能的多路交流電壓、電流、功率、電能測量系統。系統采用ATMEL公司的AT89S52單片機作為主處理芯片，通過(guò)RS485(＄49.9800)總線(xiàn)將采集到的現場(chǎng)電能參數數據傳輸至上位機，上位機對采集到的數據進(jìn)行顯示、存儲，從而達到現場(chǎng)監測與控制的目的。

　　系統總體方案設計

　　系統選用德國CIRRUS LOGIC公司推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計量專(zhuān)用芯片CS5460(＄2.1632)，其內部集成了2個(gè)2kHz帶寬的同時(shí)采樣的16位Δ-ΣA/D、高低通數字濾波器、能量計算單元、串行接口、數字/頻率轉換器寄存器數組和片內看門(mén)狗定時(shí)器等功能單元，與低成本的分流器或變壓器相連測量電流，與電阻分壓器或變壓器相連測量電壓。CS5460可以精確測量和計算瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、電能、電壓有效值（VRMS）和電流有效值（IRMS）。CS5460作為專(zhuān)用的計量芯片能夠完成電力參數的測量任務(wù)，通過(guò) SPI 串口，單片機對CS5460寄存器讀寫(xiě)操作，進(jìn)行各種測量。單片機將讀取的電壓、電流、電能、功率因數等參數經(jīng)RS485總線(xiàn)傳輸至主控制室內的上位機，上位機主要進(jìn)行測量過(guò)程的控制以及測量分析并顯示各測量現場(chǎng)的電參數，當檢測到電壓、電流及功率、電能值大于或小于設定的閥值時(shí)系統報警。

　　系統硬件電路

　　單片機是整個(gè)電路中最核心的元件，本文采用的是AT89S52單片機。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，其與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。CS5460 的電流通道可與低功耗分流器或互感器接口；電壓通道可與低功耗分壓器或互感器接口。其電流通道的可編程增益放大器（PGA）的增益可設為10 和50，分別對應于最大有效值為150mV 和30mV 的交流信號輸入；電壓通道的最大有效值輸入為150mV。圖1為電流通道前級參數電路。

　　圖1 電流通道前級參數電路

　　CT比率=1：2000，本系統設定電流測量范圍10A~260A，當原端電流為最大值260A 的時(shí)候，應保證 R4 和 R5 兩端的差分電壓 VIMAX 不大于500MV（Vrms《354mV）?；ジ衅鞯念~定串聯(lián)電阻為 10歐姆，所以保證R1，R2，R3，R4，R5 部分的等效電阻接近于10歐姆。電壓端直接引入380V 高電壓，通過(guò)電阻分壓，使得電壓端輸入參數降到 0.5V 以?xún)?。圖2給出了電壓通道的電路圖。

　　圖2 電壓通道的電路圖

　　CS5460 與本系統主控制器AT89S52之間的接口線(xiàn)路圖， 如圖3所示。二者之間的數據傳輸通訊， 大體只要依靠CS、SDI、SDO、SCLK 這四條接口線(xiàn)路即能實(shí)現；當需要從CS5460 寄存器中讀?。ɑ驅?xiě)入） 數據時(shí)，操作時(shí)序依次為：向CS 發(fā)送片選信號（邏輯低電平） ；向SDI 發(fā)送8 位讀（寫(xiě)） 命令；對于數據讀取情形， 根據所發(fā)送的命令內容，在此之后的8、16、24 個(gè)SCLK周期內， 從SDO 引腳輸出有關(guān)寄存器數據（對于數據寫(xiě)入情形， 則在之后的24 個(gè)SCLK 周期內，將從SDI引腳連續輸入串行數據）；因而便于單片機采集程序的精確定時(shí)與判斷。

　　圖3 CS5460與AT89S52接口線(xiàn)路圖

　　RS485總線(xiàn)是工業(yè)應用中非常成熟的技術(shù)，是現代通訊技術(shù)的工業(yè)標準之一， RS485總線(xiàn)用于多站互連十分方便，用一對雙絞線(xiàn)即可實(shí)現，由于采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅動(dòng)器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。

　　圖4 RS485現場(chǎng)總線(xiàn)硬件電路設計

　　圖4為RS485現場(chǎng)總線(xiàn)硬件電路設計圖。下位機通過(guò)485接口芯片MAX485(＄1.4076)與RS485總線(xiàn)相連，計量室PC機經(jīng)RS232(＄780.5000)/RS485電平轉換后與RS485總線(xiàn)相連。本系統采用RS485總線(xiàn)微機與單片機的主從式串行異步半雙工通訊的方法，下位機作為控制系統，分別控制一套現場(chǎng)數據采集系統。鑒于MCS-51系列單片機的串行口是一個(gè)標準的TTL電平接口（即用3.8V～5V表示“1” ， 0V～0. 3V表示“0”），故在數據傳輸時(shí)需要先進(jìn)行RS232/RS485電平轉換，本系統選用MXA232芯片實(shí)現上位機端RS232電平與TTL電平的轉化 ，然后通過(guò)MAX485芯片將TTL電平轉換為RS485標準電平。在下位機端MAX485將RS485標準電平轉換為T(mén)TL電平接入處理器的異步串行通信口，實(shí)現RS485網(wǎng)絡(luò )的半雙工通信。

　　系統軟件電路設計

　　多路數據采集控制系統上位機采用VisualBasic 6.0設計開(kāi)發(fā)。Visual Basic 6.0是一種可視化的、面向對象和采用事件驅動(dòng)方式的結構化高級程序設計語(yǔ)言，用于開(kāi)發(fā)基于Windows環(huán)境下的各種應用程序。上位機實(shí)現采集到的現場(chǎng)電能參數的顯示、保存等操作，軟件框圖如圖5所示。

　　圖5 RS485局域網(wǎng)絡(luò )軟件系統設計

　　圖5為上位機工作界面，主要實(shí)現采集到的每個(gè)工作現場(chǎng)電能參數的顯示、存儲以及報警（根據設置的閥值）。在上位機中，“設置”主要進(jìn)行每個(gè)工作現場(chǎng)電能參數閥值的設定（若采集的電能參數超出設定范圍則顯示過(guò)高-紅燈，低于設定的閥值則顯示過(guò)低-藍燈，在設定的范圍內則顯示正常-綠燈，并且高于閥值的參數以紅色顯示，低于閥值的參數以藍色顯示），“開(kāi)始”按鍵實(shí)現數據采集過(guò)程的開(kāi)始；“保存”按鍵實(shí)現工作現場(chǎng)電能參數數據的存儲；“結束”按鍵結束整個(gè)程序。

　　建立在下位機基礎上的上位機軟件，是對整個(gè)測量系統的進(jìn)一步完善，使下位機的功能得到進(jìn)一步地發(fā)揮。上下位機的通信采用主從方式，上位機與下位機之間進(jìn)行輪詢(xún)通信，各下位機之間不能通信。每個(gè)下位機都有自己的地址碼，上位機向下位機發(fā)送1個(gè)帶有下位機地址的命令，所有下位機判斷是否呼叫自己，只有被呼叫的下位機才工作，從而實(shí)現了上下位機之間的獨立通信。

　　本文所設計實(shí)現的多路電能數據采集系統， 采取了軟件與硬件相結合的方法， 選用AT89S52單片機，實(shí)現了對多路電能參數的采集，采集的數據通過(guò)RS485現場(chǎng)總線(xiàn)將數據上傳至主控制室計算機，上位機軟件采用功能強大的界面開(kāi)發(fā)工具VB6.0編寫(xiě)，實(shí)現了對現場(chǎng)電能參數的顯示。整個(gè)系統功耗低、可靠性高，在工業(yè)控制領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監控。系統具有很好的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。