基于STC15單片機(jī)和LabVIEW的電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建海，王成剛，楊 帆，劉 迪

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái) 264001）

電參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)保障用電設(shè)備的安全和供配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有重要意義[1-4]，同時(shí)也為分析用電設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐?，F(xiàn)代武器系統(tǒng)，如導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、軍事通信系統(tǒng)等常采用交流電站作為電力供給裝備，其供電質(zhì)量同樣直接影響各種武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)使用，甚至影響作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。傳統(tǒng)的采用電壓表、電流表、功率表等電力儀表進(jìn)行的電參數(shù)監(jiān)測(cè)，通常需要人工讀取數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能存儲(chǔ)和傳輸，信息化水平偏低；也有采用AD模塊采樣與單片機(jī)控制構(gòu)成的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，但都不同程度地存在硬件電路復(fù)雜、測(cè)量精度低、維護(hù)不方便等不足。為適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，研究1 種智能化電參數(shù)測(cè)量與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)具有重要的意義?；诖?，設(shè)計(jì)了1 種采用電能測(cè)量模塊CS5463，基于STC15W4K56S4 單片機(jī)（以下簡稱“STC15單片機(jī)”）和LabVIEW相結(jié)合的交流電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)充分發(fā)揮了STC15 單片機(jī)處理速度快、外部通信端口多的特點(diǎn)，并具有Lab VIEW 虛擬儀器良好的數(shù)據(jù)分析和圖形化用戶界面，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)，測(cè)量精度高，人機(jī)交互良好。

1 系統(tǒng)組成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括電參數(shù)測(cè)量模塊、主控模塊和上位機(jī)等，整體結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。電參數(shù)測(cè)量模塊主要完成電參數(shù)測(cè)量以及通過無線網(wǎng)絡(luò)與主控模塊進(jìn)行通信，主控模塊作為遠(yuǎn)程電參數(shù)測(cè)量模塊和上位機(jī)通信的橋梁，接收上位機(jī)的命令和測(cè)量模塊的電參數(shù)信息。電參數(shù)測(cè)量模塊主要由電能測(cè)量模塊CS5463、STC15 單片機(jī)系統(tǒng)、OLED 顯示模塊、無線收發(fā)模塊等組成。根據(jù)電力監(jiān)測(cè)的要求，可以靈活擴(kuò)展監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)量；電參數(shù)測(cè)量模塊主要完成電壓、電流信號(hào)的隔離變換，通過專用模塊CS5463 對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)測(cè)量計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；STC15單片機(jī)與CS5463通過SPI接口進(jìn)行通信，對(duì)采集的電參數(shù)信息進(jìn)行處理，通過無線模塊nRF24L01將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺啬K，用OLED顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示；采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20測(cè)量溫度信息；上位機(jī)LabVIEW 監(jiān)測(cè)程序?qū)y(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)，在出現(xiàn)超過設(shè)定值等異常情況時(shí)，進(jìn)行告警處理。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查詢電參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和故障預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structural composition of the system

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC15單片機(jī)系統(tǒng)

STC15 單片機(jī)是STC 公司的新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)，指令執(zhí)行速度比普通8051快8～12倍，具有低功耗、2.5～5.5 V 寬電壓供電、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)。片內(nèi)集成高精度R/C 時(shí)鐘和可靠復(fù)位電路，免去了外部復(fù)位電路和外部振蕩電路，上電可自行復(fù)位，內(nèi)部集成晶振電路，可設(shè)置振蕩頻率的大小。內(nèi)置的定時(shí)器有5 個(gè)，高速10 位ADC 有8 路，4K SRAM 和高達(dá)56K的片內(nèi)Flash 程序存儲(chǔ)器、硬件“看門狗”、CCP/PWM/PCA、4組獨(dú)立的高速異步串行通信接口和1組高速同步串行通信接口SPI等模塊，適用于多串口通信、電機(jī)控制及模擬量測(cè)量等場合[5-7]。

STC15 系列單片機(jī)新增I/O 口配置功能，通過軟件可設(shè)置為準(zhǔn)雙向口模式、推挽輸出模式、高阻態(tài)模式和開漏輸出模式。當(dāng)配置成準(zhǔn)雙向口模式時(shí)，輸出為高電平的驅(qū)動(dòng)能力很弱，拉電流為200 μA 左右；當(dāng)配置成推挽輸出時(shí)，拉電流可達(dá)20 mA，驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)[7-8]。

電能測(cè)量模塊CS5463、無線模塊nRF24L01 和OLED 顯示模塊均采用SPI 方式進(jìn)行通信，STC15 提供1 組硬件SPI 接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯示部分采用硬件SPI，電參數(shù)測(cè)量和無線通信采用單片機(jī)端口模擬SPI的方式進(jìn)行通信。為滿足nRF24L01等芯片的供電要求，需要進(jìn)行5V 到3.3V 電平轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)采用AMS1117芯片完成電平的轉(zhuǎn)換。

2.2 電參數(shù)測(cè)量模塊

CS5463 是1 種內(nèi)部集成2 個(gè)D-S 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有與微控制器通信的雙向串行接口，能夠進(jìn)行電能計(jì)量的專用功率測(cè)量芯片。它具有電壓下降檢測(cè)、相位補(bǔ)償和片上系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，內(nèi)嵌的溫度傳感器，有助于調(diào)整溫度漂移誤差，提高測(cè)量精度[9-11]。CS5463 模塊信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、濾波處理、運(yùn)算等都由芯片自動(dòng)完成，微控制器只需通過串口對(duì)其進(jìn)行初始化、數(shù)據(jù)讀取等操作即可。

電參數(shù)測(cè)量電路由信號(hào)調(diào)理電路和CS5463芯片內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)換處理兩大部分完成。信號(hào)調(diào)理電路將電力線的較大信號(hào)轉(zhuǎn)換成芯片要求的小信號(hào)，經(jīng)片內(nèi)的增益放大器和調(diào)制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，計(jì)算出測(cè)量線路的電壓、電流和有功功率等。通過最近的N個(gè)瞬時(shí)電壓/電流采樣值計(jì)算得出電壓/電流有效值；瞬時(shí)功率等于瞬時(shí)電壓乘以瞬時(shí)電流，N個(gè)瞬時(shí)功率平均值即為有功功率[9-10]。

CS5463 和單片機(jī)的接線如圖2 所示，CS5463 的SDO、SDI、SCLK、CS、RESET 引腳分別接單片機(jī)的P4.1—P4.5 引腳，INT 接單片機(jī)的P3.2 用于接收中斷信號(hào)。模擬電源輸入端接+5V，數(shù)字電源信號(hào)輸入端3.3V要與單片機(jī)的電平相匹配，電壓和電流信號(hào)輸入接口分別接信號(hào)調(diào)理電路相應(yīng)信號(hào)端。

圖2 CS5463與單片機(jī)的接線Fig.2 Wiring diagram of CS5463 and MCU

2.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路，如圖3 所示。它主要由高精度電壓、電流互感器和限流電阻、濾波電容等組成?；ジ衅骶哂须姎飧綦x作用，能夠保證人身安全。電壓互感器PT 采用精密電流型電壓互感器，電流的輸入與輸出之比為1 ∶1，輸入端通過限流電阻R0調(diào)整輸入信號(hào)，經(jīng)電壓信號(hào)處理電路處理后輸入到CS5463 的電壓信號(hào)輸入端VIN。電流信號(hào)經(jīng)精密電流互感器CT變換后，經(jīng)電流信號(hào)處理電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸入到CS5463的電流信號(hào)輸入端IIN[9-12]。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Schematic diagram of signal conditioning

2.4 OLED顯示模塊

顯示模塊采用分辨率為128×64 的1.3 寸OLED，該模塊的特點(diǎn)有：1）3～5 V寬電壓支持；2）功耗低，全屏點(diǎn)亮?xí)r功率為0.08 W，遠(yuǎn)低于TFT、LCD屏；3）采用SPI通信方式；4）可視角度高達(dá)160°，無須背光；5）可通過字模軟件提取字符、漢字和圖形的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，顯示方便。STC15W4K56S4 單片機(jī)有1 個(gè)高速串行通信SPI 接口，可以配置成主、從2 種模式，通過配置外圍設(shè)備切換寄存器AUXR1 有3 組不同引腳可供選擇為SPI 接口，可以在P1、P2、P4 之間來回切換，使用靈活方便。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)OLED 顯示模塊與單片機(jī)通信的SPI 接口配置成P2.1—P2.4 這組引腳，其中片選信號(hào)CS、數(shù)據(jù)/命令信號(hào)DC、復(fù)位信號(hào)RES、數(shù)據(jù)信號(hào)MOSI、時(shí)鐘信號(hào)CLK 分別接單片機(jī)的P2.4、P2.5、P2.0、P2.3和P2.1，接線如圖4所示。

圖4 OLED接線圖Fig.4 Wiring diagram of OLED

2.5 nRF24L01模塊

nRF24L01 是一款工作在2.4 GHz 頻段集成接收器和發(fā)射器的無線通信模塊，內(nèi)置功率放大器、調(diào)制器和解調(diào)處理器等，具有自動(dòng)應(yīng)答、自動(dòng)重發(fā)和硬件循環(huán)冗余校驗(yàn)功能，利用SPI接口可以設(shè)置輸出功率、選擇頻道等，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或1 對(duì)6 的無線通信[13-15]。

系統(tǒng)中，nRF24L01通過P1口和P3口與單片機(jī)進(jìn)行通信，如圖5 所示。STC15W4K56S4 的P1.2—P1.5口分別與nRF24L01 的CS、MOSI、MISO 及SCK 引腳相連接，模式控制引腳CE 接P3.4，中斷信號(hào)引腳IRQ接P3.3，CS為片選引腳，低電平時(shí)芯片工作。在CS為低的情況下，CE協(xié)同片內(nèi)的CONFIG寄存器共同決定芯片的狀態(tài)。

圖5 nRF24L01接線圖Fig.5 Wiring diagram of nRF24L01

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序包括電參數(shù)測(cè)量程序、數(shù)據(jù)無線傳輸程序和上位機(jī)LabVIEW 監(jiān)測(cè)程序等。電參數(shù)測(cè)量程序主要是完成CS5463 模塊初始化、OLED 初始化、采集電參數(shù)等；數(shù)據(jù)無線傳輸程序主要完成無線模塊的初始化、無線網(wǎng)絡(luò)的組建、數(shù)據(jù)信息的傳輸?shù)?；上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序的功能是實(shí)現(xiàn)與主控模塊通信，完成電參數(shù)信息的處理、顯示和存儲(chǔ)，設(shè)置參數(shù)，啟動(dòng)告警等。電參數(shù)測(cè)量模塊的控制程序流程，如圖6所示。首先，進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)、電參數(shù)測(cè)量模塊、無線模塊和顯示模塊等的初始化；然后，根據(jù)上位機(jī)的指令，采集電參數(shù)信息、保存并進(jìn)行顯示，超過設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)告警處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主控模塊的傳送命令，實(shí)時(shí)將電參數(shù)信息通過無線模塊傳送到上位機(jī)。

圖6 控制程序流程圖Fig.6 Flow chart of control program

4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)采用LabVIEW 進(jìn)行開發(fā)，特點(diǎn)是圖形化編程，核心是用軟件實(shí)現(xiàn)真實(shí)儀器的功能，內(nèi)嵌豐富的庫函數(shù)和接口，便于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理[16-18]，可為后續(xù)故障預(yù)測(cè)和數(shù)據(jù)分析提供支持。系統(tǒng)采用模塊化和層次化設(shè)計(jì)，程序可讀性強(qiáng)，便于功能的拓展。根據(jù)電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，上位機(jī)LabVIEW監(jiān)測(cè)程序的主要功能是系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、電參數(shù)信息顯示與存儲(chǔ)、告警保護(hù)處理等，即完成對(duì)電壓、電流、功率、功率因數(shù)以及溫度的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示電壓和溫度變化的曲線圖，設(shè)置電壓和溫度告警門限，當(dāng)參數(shù)實(shí)際值超出設(shè)定值范圍時(shí)，啟動(dòng)告警處理并進(jìn)行告警顯示，電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的界面，如圖7所示。

圖7 電參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面Fig.7 Electrical parameter monitoring system interface

5 結(jié)束語

本文針對(duì)智能化電參數(shù)測(cè)量技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)的快速發(fā)展，采用專用電能測(cè)量模塊CS5463，設(shè)計(jì)了1 種基于STC15 單片機(jī)和LabVIEW 相結(jié)合的交流電參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了專用模塊CS5463 參數(shù)測(cè)量高度集中，STC15 單片機(jī)處理速度快、外部通信端口多，LabVIEW 具有良好數(shù)據(jù)分析和圖形化用戶界面等眾多優(yōu)勢(shì)，具有測(cè)量精度高、電路設(shè)計(jì)簡單、監(jiān)測(cè)靈活方便、易于擴(kuò)展、人機(jī)界面友好、便于功能拓展等特點(diǎn)，能夠?yàn)橛秒娫O(shè)備的正常運(yùn)行和電參數(shù)狀態(tài)分析提供數(shù)據(jù)支持，具有一定的實(shí)用價(jià)值。