基于V9821單片機(jī)的電量監(jiān)測(cè)及控制策略

王喜衛(wèi)　楊新磊

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，傳統(tǒng)能源逐漸減少，加之環(huán)境污染問題加劇，對(duì)于進(jìn)一步解決能源和環(huán)境問題，將日益發(fā)達(dá)的信息科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于能源領(lǐng)域成為新的趨勢(shì)。本文采用V9821芯片設(shè)計(jì)的智能電量監(jiān)測(cè)及控制裝置，實(shí)現(xiàn)了單芯片單相多功能監(jiān)測(cè)控制裝置解決方案，大大降低了開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，且方便靈活，功能強(qiáng)大，不僅能當(dāng)作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還可以廣泛應(yīng)用于消防系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)管理、隧道照明及其它需要監(jiān)測(cè)和控制工業(yè)設(shè)備的相關(guān)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：V9821單片機(jī)；電量監(jiān)測(cè)；控制方法

一、電量監(jiān)測(cè)及控制裝置具體功能需求分析

本電量監(jiān)測(cè)及控制裝置主要以現(xiàn)有的電子技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、理論研究為基礎(chǔ)進(jìn)行功能性設(shè)計(jì)，因此必須滿足相應(yīng)的原則和要求。首先，需要滿足安全性要求，因?yàn)楸倦娏勘O(jiān)測(cè)及控制裝置需要直接采集220V市電的電流和電壓信息，在實(shí)驗(yàn)室需要特別注意強(qiáng)電與弱點(diǎn)隔離，保護(hù)人身安全。其次，需要滿足實(shí)時(shí)性和針對(duì)性的原則，系統(tǒng)需要進(jìn)行電流信號(hào)、電壓信號(hào)等模擬量及數(shù)字量的采集和輸出，進(jìn)而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備發(fā)出控制命令，這一切都離不開實(shí)時(shí)性和針對(duì)性；再次，下位機(jī)要將采集的數(shù)據(jù)通過Modbus協(xié)議傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（CPC機(jī)），需滿足快速可靠分析計(jì)算的原則；另外，需滿足可拓展及先進(jìn)性原則，在滿足基本功能的情況下，還需要考慮使整個(gè)系統(tǒng)采集信息范圍更廣，適用性更強(qiáng)。

二、V9821核心控制芯片及外圍電路設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)硬件總體框架

本電量監(jiān)測(cè)及控制裝置中首先通過采樣電路是將電流采樣模塊、電壓采樣模塊采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理，以便用于后續(xù)的其它電參數(shù)計(jì)算。在電量監(jiān)測(cè)及控制裝置中除了具備用于電量計(jì)算的電壓、電流模擬信號(hào)輸入外，還設(shè)計(jì)了采用線性光禍方式的模擬量輸入電路及采用光禍方式設(shè)計(jì)的數(shù)字量輸入電路，用于用電設(shè)備工作狀態(tài)檢測(cè)。在輸出電路中，設(shè)計(jì)了采用繼電器方式的數(shù)字量輸出電路及采用 TLC5615芯片的模擬量輸出電路用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。最后結(jié)合Modbus通信協(xié)議使得整個(gè)系統(tǒng)同時(shí)具備數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及對(duì)用電設(shè)備參數(shù)靈活設(shè)置、負(fù)載異常保護(hù)報(bào)警、開關(guān)量和模擬量的采集控制功能。

（二）V9821主控芯片

對(duì)于本電量監(jiān)測(cè)及控制裝置的芯片選擇，需要具備電能計(jì)量功能及普通MCU基本功能，在芯片選擇時(shí)有兩種方案，一種是采用電能計(jì)量芯片配合單片機(jī)芯片工作的雙芯片模式，另一種則是采用集成電能計(jì)量和MCU的單芯片方案。結(jié)合國內(nèi)外己有的微電子技術(shù)，從設(shè)計(jì)成本、簡易程度、芯片性能、產(chǎn)品工藝等多方面綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇了杭州萬高公司生產(chǎn)的V9821芯片，可為電量監(jiān)測(cè)及控制裝置提供單芯片解決方案，使得整個(gè)設(shè)計(jì)性價(jià)比高、功能集成度高、設(shè)計(jì)簡單、測(cè)量精度高、大幅度降低了設(shè)計(jì)成本。由于V9821芯片集成了電能計(jì)量模塊、增強(qiáng)型8052內(nèi)核、LCD驅(qū)動(dòng)模塊，在設(shè)計(jì)時(shí)只需要增加模擬量/數(shù)字量輸入輸出、電源模塊、EEPROM等少量電路就可以實(shí)現(xiàn)本電量監(jiān)測(cè)及控制裝置的基本要求。

（三）V9821主控芯片外圍電路設(shè)計(jì)

V9821控制器外圍電路主要由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、按鍵電路和JTAG調(diào)試電路組成。V9821芯片內(nèi)部集成一個(gè)起振電路，片外由一個(gè)32768Hz的晶體連接芯片CTI和CTO引腳組成，主要用來產(chǎn)生OSC時(shí)鐘，可為MCU、電能計(jì)量模塊、LCD和RTC提供時(shí)鐘，是V9821芯片三個(gè)時(shí)鐘源之一。晶振電路產(chǎn)生的osc時(shí)鐘，作為基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入PLL電路，PLL電路將其倍頻產(chǎn)生PLL時(shí)鐘。PLL時(shí)鐘為MCU、電能計(jì)量模塊和ADC提供輸入時(shí)鐘，是V9821芯片的另外一個(gè)時(shí)鐘源。最后一個(gè)時(shí)鐘源是由RC振蕩電路產(chǎn)生的RC時(shí)鐘，用于看門狗電路時(shí)鐘，且會(huì)監(jiān)控OSC時(shí)鐘電路，當(dāng)晶振停振時(shí)，RC時(shí)鐘自動(dòng)代替OSC時(shí)鐘作為相應(yīng)電路時(shí)鐘源。

（四）系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

在整個(gè)硬件電路中，電源電路是所有電路的前提，只有正常穩(wěn)定的電源供電，系統(tǒng)才能正常工作，所以電源的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的且需要滿足整個(gè)系統(tǒng)所有模塊的電源需求。在電源電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮輸出電壓值，輸出電流最大值、電源紋波等因素。在電量監(jiān)測(cè)及控制裝置中，主控制器V9821需要3.3V或SV電源供電，因此需要設(shè)計(jì)SV直流和3：3V直流電源電路。V9821芯片內(nèi)部集成5V轉(zhuǎn)3.3V的LDO電路，由LDO33引腳用于輸出，用于內(nèi)部各模擬電路，液晶驅(qū)動(dòng)電路、芯片管腳等供電。

（五）系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)

V9821芯片集成了一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)電路，可產(chǎn)生SEG和COM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示需要顯示的內(nèi)容。驅(qū)動(dòng)電路中包括了4個(gè)串聯(lián)電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，用來產(chǎn)生偏置電壓，電源3.3V通過偏置電壓產(chǎn)生電路可產(chǎn)生3.3V以下需要的任何電壓值。LCD液晶主要用于顯示測(cè)量電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電量、頻率等電參量。

三、電量監(jiān)測(cè)及控制裝置測(cè)試與分析

（一）硬件測(cè)試

在硬件調(diào)試之前，首先檢查電路板導(dǎo)線連接是否正確，是否存在短路或者斷路情況存在。在這兩項(xiàng)確保無誤之后，首先焊接電源部分，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電源部分進(jìn)行測(cè)試，只有保證電源供電正常才能使得整個(gè)硬件系統(tǒng)正常工作，否則可能燒壞主控芯片或其他部分，在對(duì)電源部分測(cè)試時(shí)需要用到示波器觀察基本電壓轉(zhuǎn)換和電源質(zhì)量。當(dāng)測(cè)試裝置供電系統(tǒng)正常工作之后，完成主控芯片、最小系統(tǒng)及程序下載部分焊接工作，下載一個(gè)簡單的芯片基本功能測(cè)試程序?qū)ψ钚∠到y(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。若測(cè)試正常，接下來進(jìn)行下一步工作，若測(cè)試出現(xiàn)問題，需要找出問題，按以下步驟進(jìn)行：首先檢查V9821芯片供電管腳電壓，在前面電源測(cè)試正常情況下，說明芯片存在問題，應(yīng)當(dāng)更換芯片，若是管腳電壓正常，很有可能是芯片存在管腳損壞。測(cè)試完成最小系統(tǒng)，接下來就是逐個(gè)加上功能模塊，進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試，由部分到整體，結(jié)合程序軟件完成整個(gè)電量監(jiān)測(cè)及控制裝置的硬件調(diào)試工作。

（二）軟件測(cè)試

軟件測(cè)試過程和硬件調(diào)試是相輔相成的，在硬件工作正常下，才能保證軟件功能的實(shí)現(xiàn)，本電量監(jiān)測(cè)及控制裝置軟件測(cè)試環(huán)境為IAR Embedded Workbenchfor 8051 mE（830版本），通過配置IAR軟件，連接SD502下載器，可以實(shí)現(xiàn)在線聯(lián)調(diào)，逐步驗(yàn)證軟件功能，同時(shí)配合杭州萬高公司研發(fā)的RegTool軟件可以查看個(gè)寄存器數(shù)據(jù)。具體測(cè)試步驟如下：首先編寫最小系統(tǒng)程序，結(jié)合最小系統(tǒng)電路，保證主控制器模塊功能實(shí)現(xiàn)；然后進(jìn)行測(cè)試芯片各管腳功能，保證整塊芯片正常工作；接下來測(cè)試時(shí)鐘、中斷、定時(shí)器，為各功能模塊測(cè)試做準(zhǔn)備；另外需要測(cè)量LCD顯示模塊，保證顯示部分正常；在數(shù)據(jù)采集和顯示正常的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)通信測(cè)試，I2C通信測(cè)試己經(jīng)包含在讀取寄存器數(shù)據(jù)過程中，只需用Modbus RTU軟件測(cè)試參數(shù)設(shè)置、檢測(cè)和控制功能；在各個(gè)模塊測(cè)試正常下，將整體程序下載到裝置中，進(jìn)行軟件、硬件整體聯(lián)調(diào)。

結(jié)束語：

盡管在本電量監(jiān)測(cè)及控制裝置的設(shè)計(jì)中，能滿足課題預(yù)期要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，但本裝置只初步采用目前己有的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)中還有許多不足之處需要今后不斷完善和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]余貽鑫，親文鵬.智能電網(wǎng)的基本理念[J].天律大學(xué)學(xué)報(bào)，2011， 44（5）：377-384

[2]曹軍威，萬宇鑫，涂國煌等.智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2013，36（1）：143-167