基于RS485總線技術(shù)的AMC系列多回路監(jiān)控單元設(shè)計

引言

在配電系統(tǒng)領(lǐng)域，智能化和網(wǎng)絡(luò)化是一個主流的發(fā)展方向，但是在實際使用中，若每一個配電回路都安裝智能化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測儀表，用戶的硬件投資成本是非常大的，鑒于此，集成化又將是一個發(fā)展的方向，即將多個配電回路的電參量測量由一個智能儀表來實現(xiàn)。因此，一種設(shè)計先進、可靠性高、測量精度高的多回路智能監(jiān)控單元的出現(xiàn)，能夠在保證實現(xiàn)用戶測量要求的同時，大大降低用戶的硬件投資成本和使用成本。

本文介紹一種AMC系列多回路智能監(jiān)控單元（見圖1）的設(shè)計方法，最多實現(xiàn)3個三相回路（或9個單相回路）的電參量測量；結(jié)合RS485總線技術(shù)及上位機軟件，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息遠傳，滿足低壓配電智能化、網(wǎng)絡(luò)化及集成化的發(fā)展需求。

1 AMC多回路監(jiān)控單元技術(shù)特點

AMC多回路監(jiān)控單元主要應(yīng)用于多個配出回路的電參數(shù)的監(jiān)測，它將回路中的母線電壓、多個配出回路的電流、功率、電能和各個回路的開關(guān)狀態(tài)集中測量、顯示、并具有通訊輸出，實現(xiàn)了對監(jiān)控要求較簡單的配電出線回路的集中測量和監(jiān)視。一個AMC多回路監(jiān)控單元就能完成實現(xiàn)上述多個回路的監(jiān)測功能，大大方便了系統(tǒng)的接線、安裝、調(diào)試；節(jié)約了用戶的投資，降低了系統(tǒng)成本。具體型號及產(chǎn)品功能見表1。

表1產(chǎn)品型號及功能

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整體系統(tǒng)由中央處理單元、電源、交流采樣運算、人機界面、開關(guān)量控制、通訊接口模塊等構(gòu)成，裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 中央處理單元專用電能芯片

中央處理器采用Freescale公司的高性能處理器MC9S08AW32。MC9S08AW32是Freescale公司一款基于S08內(nèi)核的高度節(jié)能性處理器。是第一款認(rèn)可用于汽車市場的微控制器?？蓱?yīng)用在家電、汽車、工業(yè)控制等高度集成的高性能器件。具有業(yè)內(nèi)最佳的EMC性能。

CPU總線頻率最高可達20MHz，最高運行速率可達40MHz。豐富的片內(nèi)資源： 32K Flash存儲器，內(nèi)部時鐘發(fā)生器，帶有8個可編程通道的定時器，10位、16通道ADC，雙SCI口、豐富的I/O口、SPI、I2C等接口，極大地方便了硬件的擴展。并且支持BDM片上調(diào)試方式。

2.2 電源

采用的電源模塊為通用+5V開關(guān)電源模塊。電路原理見圖3。該電源模塊輸入電壓為AC85V～265V或DC100V～350V，輸入頻率45Hz～60Hz，輸出電壓穩(wěn)定、故障率小，輸出紋波 《1％，轉(zhuǎn)換效率≥75％。具有過壓、過流保護。該模塊經(jīng)實際現(xiàn)場使用，具有很高的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。

圖2電源電路原理

2.3 交流采樣及運算

交流采樣運算單元包括交流采樣和專用電能芯片。

系統(tǒng)的母線電壓經(jīng)電壓互感器、采樣電路、濾波電路后，電壓信號進入專用電能芯片的電壓通道。

多路負(fù)載的各路電流經(jīng)電流互感器、采樣電路、濾波電路后，電流信號進入高速信號切換開關(guān)的輸入通道。由高速信號切換開關(guān)的通斷來控制各路負(fù)載的電流信號進入電能芯片的電流通道。

專用電能芯片采用美國ADI公司的高精確度三相電能測量芯片ADE7758。該芯片的測量精度高，功能強大。帶有一個串行口，兩路脈沖輸出，集成了數(shù)字積分、參考基準(zhǔn)電壓源、溫度敏感元件等，有可用于有功功率、復(fù)功率、視在功率、有效值的測量以及以數(shù)字方式校正系統(tǒng)誤差（增益、相位和失調(diào)等）所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測量有功功率、復(fù)功率、視在功率。

2.4 人機界面

人機界面采用LED數(shù)碼顯示。系統(tǒng)采用2排四位LED數(shù)碼管加1排6位數(shù)碼管顯示各個回路的電參量，其顯示的數(shù)據(jù)含義由紅色LED發(fā)光二極管指示。其默認(rèn)顯示方式為循環(huán)顯示各個回路的電參量，用戶也可根據(jù)實際需要進行設(shè)置。電參量的顯示范圍0～9999，并在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)，見圖4儀表界面。數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式，其驅(qū)動電路使用一片74HC595加三極管構(gòu)成。

圖3儀表界面

2.5 開關(guān)量控制模塊

開關(guān)量控制模塊由開關(guān)量輸入和告警輸出組成，電路原理見圖5。開關(guān)量輸入經(jīng)光電耦合器連接到CPU。告警輸出由GPIO口經(jīng)光電耦合器連接到輸出繼電器。開關(guān)量輸入共設(shè)有18路，分別監(jiān)測3個三相回路的分閘、合閘狀態(tài)。設(shè)有1路告警輸出，其告警條件可任意設(shè)置，只要滿足一個設(shè)定的條件就會輸出告警信號。

圖5開關(guān)量模塊電路原理

2.6 通訊接口模塊

通訊接口模塊采用通用的RS-485、Modbus RTU通訊規(guī)約，電路原理見圖6，能實現(xiàn)遙測、遙控、遙信等功能。

圖6通訊模塊電路原理

3 實現(xiàn)功能及原理

本設(shè)計的主要目的就是采用單個電能芯片來實現(xiàn)對多個回路負(fù)載的電流、電壓、功率、電能等參數(shù)的測量。考慮到成本和性能的要求，本設(shè)計采用的方案是1個電能芯片加多個電子開關(guān)，來實現(xiàn)對3個三相回路的各種電參量的測量和監(jiān)測。

該方案的實現(xiàn)方式為，將回路的母線電壓接入電能芯片ADE7758的電壓通道，多路負(fù)載的電流通過由電子開關(guān)在CPU的控制下進行順序分時切換，使ADE7758能夠分時按順序?qū)Ω髀坟?fù)載進行電參量的測量及運算，并將所測得的數(shù)據(jù)由CPU進行各種處理。

監(jiān)控單元主機結(jié)構(gòu)分為電源、主板和顯示板3大板塊。其中電源板主要是開關(guān)電源、通訊和開關(guān)量的元器件布置，主板主要是采樣運算電路、CPU及外圍電路等元器件的布置，顯示板主要是顯示電路元器件的布置?？傮w結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，可以根據(jù)客戶要求增加或減去各種附加功能。

4 軟件設(shè)計方法

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括以下四個部分：主程序、測量控制模塊、顯示模塊及通訊模塊。

主程序完成上電或復(fù)位初始化，復(fù)位看門狗，任務(wù)調(diào)度等功能，程序設(shè)計流程如圖7所示。

圖7主程序流程圖

程序初始化包括CPU的 I/O口初始狀態(tài)，SPI、I2C、各種定時器、時鐘的配置，RAM的初始化、各種配置信息的引導(dǎo)。

任務(wù)調(diào)度主要分為7個任務(wù)。1～3---回路1～3的數(shù)據(jù)采集， 4---電量信息顯示，5---通訊任務(wù)，6---故障判斷及輸出，7---電能累積處理。

任務(wù)由外部中斷來觸發(fā)。

事件標(biāo)志主要有：編程設(shè)置、裝置校準(zhǔn)、故障復(fù)位及其他信息配置。

中斷主要有：外部中斷1---數(shù)據(jù)采集，定時器中斷1---LED動態(tài)顯示，定時器中斷2---開關(guān)監(jiān)視、故障判斷，軟時鐘RTI---顯示事件標(biāo)志，通訊中斷---數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。

通訊收發(fā)處理、顯示和電參量的測量控制均以中斷方式實現(xiàn)，優(yōu)先級順序為：串口通訊中斷（最高）→顯示中斷→測量控制中斷（最低）。

系統(tǒng)通訊采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU規(guī)約，便于上位機管理軟件設(shè)計，與其他網(wǎng)絡(luò)儀表組網(wǎng)使用，實現(xiàn)對供配電系統(tǒng)的完整監(jiān)測。