基于MSP430單片機(jī)的變壓器監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

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(duì)配電變壓器的各種運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視、測(cè)量與控制的遠(yuǎn)方終端[1]。它是配電自動(dòng)化中最末一級(jí)監(jiān)控單元，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)配變低壓側(cè)電壓[2]、電流、頻率，計(jì)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(jì)電能數(shù)據(jù)等[3]。

配電自動(dòng)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(shí)時(shí)信息，從整體上對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)各種實(shí)時(shí)信息的上傳下達(dá)。配電終端層主要任務(wù)是負(fù)責(zé)對(duì)線路、配電室的開關(guān)、配電變壓器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，并在必要時(shí)執(zhí)行就地智能功能。

圖1 配電自動(dòng)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(jì)

本文設(shè)計(jì)的變壓器監(jiān)控終端的硬件構(gòu)成如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)的硬件是以MSP430單片機(jī)[4-5]為中心模塊的監(jiān)測(cè)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(hào)調(diào)理電路。

2）人機(jī)接口的鍵盤和液晶顯示芯片。

3）具有IIC接口的時(shí)鐘和存儲(chǔ)芯片。

4）與手持抄表終端或便攜式計(jì)算機(jī)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(jì)數(shù)輸入接口[7]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 模擬量輸入模塊電路設(shè)計(jì)

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

1）采樣速度快，最高可達(dá)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(jì)

由于RS232接口是一種標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口，串口操作簡單，可靠性高，同時(shí)MSP430內(nèi)部集成了兩個(gè)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(jī)的異步串口為0V和3.6V的CMOS邏輯信號(hào)，故選用SP3223E將陔信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)。SP3223E芯片內(nèi)帶有兩個(gè)發(fā)送器和兩個(gè)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(jì)

本系統(tǒng)的液晶驅(qū)動(dòng)采用的是4MUX驅(qū)動(dòng)方法。MSP430系列單片機(jī)作為面向儀表、測(cè)控領(lǐng)域的專用單片機(jī)，內(nèi)部集成了LCD接口，使用方便。為此，系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)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(jī)界面設(shè)計(jì)的核心部件。

MSP430單片機(jī)內(nèi)部LCD接口具有160段驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)

按照上述系統(tǒng)目標(biāo)和設(shè)計(jì)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(jì)的主程序負(fù)責(zé)將上述幾個(gè)功能模塊聯(lián)成一個(gè)整體.實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊之間的調(diào)度。它首先是完成整個(gè)系統(tǒng)的自檢和初始化，在初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)，主程序在主循環(huán)中通過查詢各功能標(biāo)志來調(diào)用各個(gè)模塊，各個(gè)模扶在完成各自的任務(wù)后也通過設(shè)置標(biāo)志的方式通知主程序進(jìn)行下一步工作。主程序的整個(gè)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(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)通道的模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的運(yùn)算處理。

從鍵盤讀入信息顯示時(shí)按三步進(jìn)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(shí)鍵，在有鍵入的情況下，進(jìn)一步識(shí)別是哪個(gè)鍵，并作適當(dāng)?shù)淖g碼，以便進(jìn)一步處理。

3）鍵值分析，根據(jù)鍵值，找出對(duì)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(jí)聯(lián)。

通訊均采用中斷方式發(fā)送和接收，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(gè)字節(jié)，這是可能接收的報(bào)文的最大長度，超出此長度的報(bào)文視為無效。

4 結(jié)論

本文論述的基于430單片機(jī)的變壓器監(jiān)控終端是針對(duì)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(dòng)化水平。論文詳細(xì)地闡述了變壓器監(jiān)控終端設(shè)計(jì)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(dòng)化系統(tǒng)[M].2版.中國水利水電出版社，2003，1.

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