基于嵌入式芯片的串行通信系統(tǒng)研究

夏健新　程漢湘　陳公興　李凱　劉桂樺

摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步，中國電網(wǎng)從一開始依賴于國外的技術(shù)，到現(xiàn)在創(chuàng)新能力已經(jīng)位居世界前列。在這個(gè)現(xiàn)代化的時(shí)代，電網(wǎng)的管理已經(jīng)離不開數(shù)據(jù)，采集負(fù)載終端的電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等參數(shù)再定時(shí)發(fā)送到管理中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集的電力系統(tǒng)參數(shù)的后臺(tái)監(jiān)控，為電網(wǎng)的監(jiān)控和維護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為了保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，也需滿足電力系統(tǒng)通訊協(xié)議和一定傳輸距離的要求。

關(guān)鍵詞：串行通信;嵌入式芯片;電網(wǎng);電力系統(tǒng)參數(shù)

中圖分類號(hào)：TN91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.005

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本串行通信系統(tǒng)主要有兩個(gè)主要的功能體系，第一功能體系為數(shù)據(jù)采集與處理模塊，主要為電壓電流采集電路和嵌入式芯片數(shù)據(jù)處理程序，此功能模塊作為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和邏輯運(yùn)算功能;第二功能體系為按鍵系統(tǒng)操作模塊，該功能體系由簡易按鍵操作系統(tǒng)和液晶顯示屏幕組成，可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的查閱和系統(tǒng)的操控，能夠?qū)崟r(shí)查看各項(xiàng)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)指標(biāo)。本項(xiàng)目通過設(shè)計(jì)串行通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)通訊。采用型號(hào)為ADuC7026嵌入式芯片為主要控制芯片，同時(shí)與STC12C5A60S2單片機(jī)搭配液晶顯示屏作為數(shù)據(jù)顯示和按鍵系統(tǒng)控制，雙CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。具有采集三相電壓、三相電流的電路，ADuC7026嵌入式芯片對(duì)采集的電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出相應(yīng)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)指標(biāo)?？商峁┑臄?shù)據(jù)研究電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)滿足了特定的通訊協(xié)議要求，集采集、分析、通信等多種功能于一體。

為了能使兩芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用串行口通信的方式實(shí)現(xiàn)。ADuC7026的RXD、TXD與STC12C5A60S2的TXD、RXD端相連接，ADuC7026發(fā)送的信號(hào)可被STC單片機(jī)接收。串行通信系統(tǒng)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所包含的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中主要包含信號(hào)采集、按鍵操作系統(tǒng)和串行數(shù)據(jù)傳輸三大部分。

2.1 信號(hào)采集

本項(xiàng)目主要是利用電壓傳感器（ HPT304A）和電流傳感器（ HCT217）來測量電網(wǎng)三相電壓和三相電流。把傳感器電路測量實(shí)時(shí)的電壓和電流，O - 3.3 V模擬量送到由運(yùn)算放大器（ LM3241）構(gòu)成的電路，輸出可以由ADuC7026嵌入式芯片ADC識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。

2.2 按鍵操作系統(tǒng)

為了讓操作者可迅速地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)了由以STC12C5A60S2為控制核心、四個(gè)按鈕的簡易鍵盤和LED顯示器構(gòu)成的按鍵操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)創(chuàng)新之處為可以最小的按鍵數(shù)目對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，提高操作效率，四個(gè)按鍵分別為“上”“下”“返回””確認(rèn)”。

按鍵操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)搭配簡易鍵盤和液晶顯示屏使用。其中簡易鍵盤有“上”“下”“返回””確認(rèn)”四個(gè)按鍵，采用按鍵掃描的形式，當(dāng)程序檢測到低電平即表示按鍵按下相對(duì)應(yīng)按鈕，以跳轉(zhuǎn)按鈕程序;通過堆棧記錄界面的位置，當(dāng)系統(tǒng)返回或者進(jìn)入新的界面可自由切換;使用光標(biāo)顯示函數(shù)，上下按鈕可移動(dòng)顯示光標(biāo)，顯示直白明了。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集以及電能指標(biāo)處理

為了科學(xué)、準(zhǔn)確地提供第一手電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)以0.02 s為采用周期（每周期共采集64次）收集ADC采集的電壓和電流信號(hào)，每采集10個(gè)周期后計(jì)算平均值。根據(jù)采集三相電壓和三相電流的數(shù)據(jù)，計(jì)算出各相位角、功率因數(shù)、有功功率和無功功率。部分程序如下所示：

//取平均值，包括電壓電流與相位角

UanrAverage（sampling_2VA，lO）;

UbnrAverage（sampling_2VB， 10）;

Ucm-Average（sampling2VC， lO）;

IanrAverage（sampling2CA， lO）;

IbnrAverage（sampling2CB，

10）;

Icm-Average（sampling2CC，

lO）;

aoo-Average（ao02， lO）;

boo-Average（bo02，lO）;

coo-Average（co02， lO）;

//i+算功率因數(shù)

Apower_factor=cos《aoo）*PI/1 80.0）;

Bpower_facto=rcos《boo）*PI/1 80.0）;

Cpower_factor=cos《coo）*PI/1 80.0）;

//計(jì)算有功無功功率，單位kW， kVar

Pa-Uam*lam*Apowerfactor/ lOOO.O;

Pb-Ubm* Ibm*Bpower_factor/ lOOO.O;

Pc-Ucm*lcm*Cpower_factor/ 1000.0;

Q a-Uam*lam*sin《aoo）*PI/180. 0）11 000.O;

Qb-Ubm* Ibm*sin《boo）*PI/ 180.0）/ 1000.0;

Qc-Ucm*lcm*sin《coo）*PI/180. 0）1 1000.0;

3.2 串行傳輸軟件實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，需對(duì)串口進(jìn)行初始化：

void Uartl_lnit（void）

{

SCON-OxDO;

110101 0000模式1：1位起

始位;8位數(shù)據(jù);1位停止位;允許接收