基于MC9S12XS128的多路交流電壓電流采集系統

王春

摘 要 電能作為一種廣泛的能源，使用于民用和工業領域，電網的供電質量好壞，直接影響民眾的生活質量和企業的生產效率。為監控使用的交流電的實時情況，需對交流電的電壓和電流進行測量、顯示，為了實現多路的測量，我們設計了該款多路交流采集系統。

【關鍵詞】MC9S12XS128 多路交流電壓電流采集 均方根算法 霍爾互感器

1 電力交流采樣系統設計方案

1.1 總體方案

電力信號數據算法主要有兩種，直流采樣算法，交流采樣算法，而交流采樣算法又分為半周期積分算法、均方根算法、傅里葉算法等，交流采樣算法運算量大，占用單片機資源較多，而本設計主要針對16路交流電的電壓和電流采樣數據處理，為了降低對單片機資源的占用，采用直流采樣算法，而為了達到電壓采集數量和電流采集數量任意組合性，優化了電壓和電流的前端采集模塊，實現了電壓采集模塊和電流采集模塊互換后，對信號處理影響很小。系統硬件電路由電源電路、信號采集電路、信號變換電路、信號處理電路、數據傳輸電路等組成，如圖1所示。

電源電路將+12V電源降壓到+5V，信號采集電路采集交流信號，信號變換電路將采集的信號進行調整，信號處理電路將調整好的信號進行A/D采樣并進行運算處理，數據傳輸電路將處理好的數據向外傳輸。數據的采樣和處理有MC9S12XS128來完成。

1.2 硬件電路設計方案

1.2.1 單片機模塊

單片機是該系統的核心單元，本設計采用飛思卡爾MC9S12XS128，該款單片機帶有16路12位/10位/8位的A/D采樣模塊，該模塊中含有采樣緩沖器、放大器，具有可編程采樣時間，轉換結束標志和轉換完成中斷，外部觸發控制，可選擇單次轉換模式或者連續轉換模式等特性。其采樣精度可根據需要進行設置，數字量轉化時間可以根據需要進行編程設置。

1.2.2 信號采集電路與信號變換電路

由于220V交流電屬于強電，因此設計中采用霍爾互感器采集電力線路中的信號。根據采集的信號不同，分別采用電流型電壓互感器和電流互感器，將220V交流電轉變成毫安級的交流信號，提高的了設計的安全性?；ジ衅鹘^緣電阻常態時大于1000MΩ，工作頻率范圍20Hz～20KHz，抗電強度可承受工頻1000V/分鐘，相移小于5°，額定電流不大于20mA。

由于本系統設計為多路電壓電流采集系統，需對信號采集電路以及信號轉換電路進行優化，以便根據不同需求，可以任意選擇前端采集電路為電壓采集電路或者電流采集電路，通過圖2和圖3分析，兩種信號轉換電路可以統一采用一種電路，只需將轉換電路的輸入信號設定為統一的要求，即通過選擇更換不同的互感器及相應電路，就可以滿足電壓或者電流的采集，在后續的生產使用中，無需對單片機的程序進行修改即可使用，降低了前期的研發周期和后期的維護成本。

U1A放大器組成的是半波整流電路，將交流信號的正電壓部分轉換負成電壓，U2放大器組成的是加法積分電路，將交流信號轉換成直流信號。

1.2.3 電源電路

本系統的電源由外部提供±12V電源，而單片機的主要供電電壓為+5V，因此，需要將+12V電源轉換為+5V電源。在設計中，為了降低功耗，減少電源芯片的發熱量，在設計中放棄了簡單的三端穩壓塊的降壓電路，而是采用DC-DC電路，提高了轉換效率，提高電源芯片的使用壽命和可靠性。見圖4。

該電路轉換頻率為380KHz，轉換效率大于80%，輸出最大電流1.5A（連續輸出），紋波小于30mV，滿足系統對+5V電壓的需求。

2 系統軟件設計

2.1 軟件整體設計

程序主要由以下幾個模塊組成：單片機初始化模塊，兩個定時器中斷，一個外部事件中斷，串口通信模塊，數據處理模塊。其中初始化模塊又包括：鎖相環PLL，高速計數模塊脈沖累加，定時器PIT，A/D，普通I/O口，串口發送SCI等。軟件實現的主要功能包括：

（1）通過MC9S12XS128的定時器1與A/D轉換模塊實現模數轉換，對轉變后的直流信號采集并存儲到寄存器中。

（2）利用算術平均根算法實現MCU對數據的處理。

（3）控制串口與外部中斷實現數據傳輸和交互顯示。

主程序流程圖如圖5所示。

2.2 數據采集和處理程序設計

本系統采集的信號是直流電平，其采樣周期的選擇與算法的選擇有密切的聯系，采樣的周期越小，測量結果越接近真實值，越能夠快速反應交流電壓或者交流電流變化的情況。

數據采集流程圖如圖6所示。

2.2.1 A/D數據采集設計

本系統采用算術平均根算法進行參數計算，交流電的頻率為50Hz，周期為20ms，采樣周期10us，采用讀轉換完成標志位的方式讀取轉換數據。A/D初始化設置如下：

ATD0DIEN = 0x00；//禁止數字輸入功能

ATD0CTL0 = 0x0F；//模擬輸入通道為16

ATD0CTL2 = 0x40；//A/D模塊快速清零，禁止外部觸發，禁止中斷

ATD0CTL1 = 0x40；//A/D分辨率選擇12位，且采樣前不放電

ATD0CTL3 = 0x80；A/D轉換結果右對齊，每個序列16個通道，非FIFO模式

ATD0CTL4 = 0x07；//12位精度，AD模塊時鐘頻率為2MHz

ATD0CTL5 = 0x30；//從通道0開始多通道連續采樣，同時啟動A/D轉換序列

while（！ATD0STAT0_SCF）；//等待A/D轉換完成

2.2.2 串口數據傳輸

本系統由于采集的信號多達16路，設計中采用RS485通信方式將處理的數據傳送到上位機或者工業顯示器上。串口發送接收數據如下：

void SCI1_send（unsigned char data）

{

while（！SCI1SR1_TDRE）； //等待發送數據寄存器（緩沖器）為空

SCI1DRL = data；

}

unsigned char SCI1_receive（void）

{

while（！SCI1SR1_RDRF）； //等待發送數據寄存器滿

return（SCI1DRL）；

}

3 結語

本產品應用在對電力參數要求不高而監控的路數比較多的場合，客戶實際使用中，對產品的所測參數以及穩定性給予了高度的認可，目前，已在通信機房、指揮車等場所進行應用。