基于Modbus-RTU協議的交流電壓峰值表設計
發布時間：2010-10-29 21:00
發布者：conniede
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1 前 言 交流電壓峰值是指交流電壓的最大值(正峰值)或最小值(負峰值)，是工業生產過程中一個非常重要的參數。為保證用電設備的安全，對供電電壓的峰值進行檢測具有重要意義。測量峰值的方法主要有示波器法、間接計算法、專用峰值表法。利用示波器雖然可直觀地顯示電壓的波形和峰值，但在成本和便攜性上示波器均不能作為現場監視設備；間接計算法只適用于標準正弦波，實用性不大；專用峰值表大都存在體積較大，攜帶不便，且與電腦或控制設備相連不便的缺點。針對以上缺點，采用MSP430系列單片機、MAX1270模／數轉換器，并利用Modbus-RTU 協議，成功地開發出了低成本、便攜、智能的峰值表設備。 2 測量原理 由于供電電網的波動及電網的電壓波形是一種非標準正弦波，其峰值不能通過平均值或有效值間接計算。該系統采用對非標準正弦波在一個周期內多次采樣，并通過冒泡法比較采樣值，得到電壓的最大值或最小值作為其正峰值和負峰值。顯然只要采樣密度適當，完全可以得到真實的電壓峰值。我國交流電的頻率為50 Hz，設計中采樣頻率設置為10 kHz，即每個交流波形周期中采樣200次，足以正確地反映出電壓的變化情況，從而確定電壓的峰值。 3 硬件設計 設計中，以MSP430F449單片機、MAX1270模／數轉換器為主要器件。前端A／D輸入采用電阻分壓方式將交流電進行降壓；采用RS 485芯片作為通信接口芯片，硬件框圖如圖1所示。 3．1 A／D輸入調理保護電路設計 以220 V交流電為例，其理論峰值電壓為311 V，但考慮到電網波動、正弦波失真等，電壓峰值很可能超過311 V，這時可根據工作經驗和實測情況，選定一個電壓值作為電壓可能達到的最大值，假定為500 V。如果MAX1270的輸入范圍設置為±5 V，則分壓電阻的分壓比應設置為100：1。分壓后的電壓經過運放緩沖后作為A／D芯片的輸入，為保護后級A／D轉換芯片，設置兩個穩壓二極管組成限幅電路。輸入調理電路如圖2所示。 3．2 A／D轉換電路 A／D轉換電路采用MAX1270芯片，MAX1270是8通道、多量程雙極性輸入、串行輸出、逐次逼近型12位A／D轉換器，最高采樣率為110 kS／s。在單+5 V電源供電下，可通過編程實現±5 V，±1O V，5 V，10 V量程。其中，雙極性輸入十分適合作為交流電壓測量。 MAX1270轉換電路如圖2所示，由MSP430F449的I／O口線控制MAX1270的串行接口。由于MAX1270在5 V電壓供電下，輸出4．5 V以上高電平，而MSP430F449的I／O口電平為3．3 V，因此必須附加一個接口芯片，以實現5～3．3 V的電平轉換，這里采用MAX3001雙向電平轉換芯片。A／D轉換電路如圖3所示。 3．3 RS 485接口電路 該設計采用RS 485總線，可通過電纜或光纖將信號有效地遠傳上千米，配合Modbus-RTU協議，可方便地與符合Modbus-RTU協議的控制設備連接。設計中采用MAX3485芯片作為RS 485接口芯片，電路如圖4所示。 4 軟件設計 設計中，主要的軟件模塊包括A／D轉換，Modbus-RTU協議和串口編程。對于串口編程不再贅述，主要對MAX1270和Modbus-RTU協議進行說明。 4．1 MAX1270編程 MAX1270的控制字格式如表1所示，最高START為起始位，保持為“1”；SEL2～SEL0為輸入通道選擇位；RNG，BIP分別為量程和極性選擇位；PD1和PD0為掉電和時鐘模式選擇位。各位的具體意義請參考MAX1270數據手冊。該設計中，MAX1270設置為：量程10 V，雙極性輸入(即實現土5 V測量)、外部時鐘25 CLK／s正常操作模式，使用通道CH0作為輸入通道，控制字的格式為10000101。 4．2 Modbus-RTU協議 Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其他設備之間可以通信。Modbus -RTU是Modbus協議的一種傳輸模式，在該模式下，消息中的每個8 b包含2個4 b的16進制字符。Mod-bus協議的核心程序是CRC校驗程序的編寫。該系統中采用CRC-16校驗法，具體程序實現如下： 4．3 其他重要子程序 程序中采用定時器中斷觸發每次采樣，保證采集周期的精度，同時每次采集時都以過零點作為采集數據的開始。這兩點都有利于提高系統精度。 5 測試結果 通過施加標準正弦波、非標準正弦波、三角波測試，可使該表的峰值測量精度高于1級，完全滿足工業現場設備供電檢測的需求。該表與工控組態軟件MCGS配合，工作良好。此外，該表除了測量峰值以外，還擴展了電壓平均值、有效值的計算，設計成一個具有多功能的智能儀表。 6 結 語 該設計以MSP430F449單片機、MAX1270為核心，編寫了Modbus-RTU協議，同時利用RS 485接口可方便地進行數據遠傳或與符合Modbus_RTU協議的設備相連，該表的體積小，功耗低，可使用于電池或蓄電池供電，非常適合作為編攜式設備，隨身攜帶，也可作為功能模塊直接安裝在工業現場設備對電網供電電壓峰值、有效值等參數進行監測。 |
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