摘? 要: 介紹應用UBICOM公司的SX52BD單片機構建用于遠程電網監測的嵌入式系統的具體方案,使基于單片機的測控設備可以方便地連接到以太網,實行電網參數的遠程網絡監控。
關鍵詞: 電網監測? 嵌入式系統?
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為了保證電網的安全運行,了解電網運行狀況,需要對電網的各種運行參數(如三相電壓、電流、有功功率、無功功率等)進行實時監測。嵌入式遠程電網監測系統將現代計算機、通信、網絡及自動化技術融為一體,對配電網進行遠程監測、協調和控制,從而優化配電網絡。利用以太網的豐富資源及UBICOM公司高速單片機SX52BD構建分布式以太網嵌入測控系統是一種低成本、高可靠且快捷的技術方案。
1 系統結構
系統結構如圖1所示。監控中心工作人員可通過以太網直接訪問分布在各監控現場的監測儀" title="監測儀">監測儀,了解各電網的運行狀況,從而采取相應措施。電網遠程監控系統的核心部件是嵌入式電網監測儀,與PC機+網卡+采集卡的以太網測控系統相比成本大為降低,實現了嵌入式系統的大眾化、普及化。
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2 嵌入式電網監測儀的結構功能
電網監測儀對電網上的電壓、電流信號進行采樣和數據處理,在一定時間里保存數據,具體功能如下:
(1)實時監測三相電壓Va、Vb、Vc和四相電流Ia、Ib、Ic、和I0;
(2)監測A、B、C三相功率因素" title="功率因素">功率因素;
(3)通過RJ45接口與以太網通信;
(4)保存整點時刻的電壓、電流數據、功率因素,保存月統計數據;
(5)用數碼管顯示,使用戶可以在現場查看和設置儀表的運行參數及歷史記錄。
該電網監測儀結構如圖2所示。主要由單片機、電壓電流采樣模塊、功率因素監測模塊、以太網接口模塊" title="接口模塊">接口模塊等組成。完成對電網參數的監測,實現信號處理、數據顯示及電網運行狀態顯示等功能。
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2.1 單片機
單片機模塊是整個電網監測儀的核心。主要完成兩大功能:(1)數據采集和處理;(2)實現以太網的接入。將經過電壓電流監測模塊得到的三相實時電壓、三相實時電流和中線電流進行處理;實時監測數據可通過RJ45接口傳給以太網,使監控中心及時得到電網的相關參數;同時電網監控軟件根據測試參數判斷電網運行狀況,電壓是否越限或過低等。
單片機選用UBICOM公司的8位超高速單片機SX52BD,每秒運行數據能力達1億次。由于UBICOM單片機的速度極高,能夠實現實時多任務操作,可以在MCU執行數據采集和控制功能的同時把數據打包并傳送到互聯網上。用8位微控制器通過ISP接入互聯網,外圍器件少,系統成本低。UBICOM單片機屬RISC結構,芯片上有Flash程序存儲器,可以在安裝到系統后進行編程和調試。由于CPU采用并行流水作業方式,執行一條指令只需要一個時鐘周期,工作在100MHz時指令執行速度可達100MIPS,所有I/O可以通過編程靈活配置。
SX52BD單片機可以輕松地實現虛擬外設的功能。CPU通過執行虛擬軟件模塊直接驅動普通I/O口實現硬件外設功能(如UART、I2C、SPI、Caller ID、FSK等)。即把許多需要硬件實現的功能接口,借助處理器的高速處理能力,通過編寫相應的軟件模塊實現。UBICOM公司用匯編語言實現了以太網TCP/IP協議棧。在外接一個以太網控制芯片(RTL8019AS)的情況下還可以實現互聯網 (IEEE802.3)協議處理,使該單片機系統可以直接通過RJ45連到以太網上。
2.2 電壓電流采樣模塊
根據采樣信號的不同,可分為直流采樣與交流采樣" title="交流采樣">交流采樣兩大類。直流采樣是把交流電壓、電流信號轉化為0~5V的直流電壓,再送到A/D" title="A/D">A/D轉換器進行轉換。即A/D轉換器采樣的模擬量為直流信號。它的主要特點是:數據刷新速度快,隨著元器件技術的發展,穩定度、精確度大為提高。
交流采樣是相對直流采樣而言,直接對交流電壓和電流波形進行采樣,然后通過一定的算法計算出電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率等。
交流采樣對環境溫度有一定要求,同時對A/D轉換器的轉換速度和采樣保持器要求較高;為了保證測量精度,一個周期內,必須保證足夠的采樣點數,而且采樣計算程序相對復雜,對CPU要求較高,因此該儀器采用直流采樣。其工作原理如圖3所示。
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2.3 功率因素檢測模塊
功率因素檢測模塊有兩大功能:(1)判別電壓是超前還是滯后電流;(2)判別功率因素大小。具體相關電路如圖4所示。是當電壓超前電流時,U15B輸出為“1”;反之輸出為“0”。電壓、電流的正弦波形分別經過零比較器后(電路忽略)轉換為方波,輸入2/4譯碼電路。譯碼電路只有當A、B信號為“01”或“10”時,X端口才輸出Vref,對積分電路充電;當A、B信號為“00”或“11”時,輸出端口為零。而A、B信號為“01”或“10”的時間正是電壓、電流相位差的時間。時間越長,對電容C23充電的時間也越長。因此,電容上的電壓反映了相位差的大小。CPU經過數據處理可確定功率因素的大小。
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2.4 以太網接口模塊
以太網接口模塊選用RealTek公司的RTL8019AS全雙工以太網控制器,主要功能是處理以太網協議。它自帶16KB的SRAM,并通過RJ45接口與以太網通信。數據的流向為:請求信息從以太網來,通過RJ45送到RTL8019AS,處理后的數據包送入SX52BD協議棧,由協議棧對數據包進行解析,得到原始請求信息。請求信息再經過SX52BD的處理,產生回復信息。回復信息到以太網的過程與上述過程正好相反。
2.5 其它模塊電路
EEPROM:CPU通過I2C總線訪問EEPROM器件24C256。網頁就存儲在EEPROM中。EEPROM中的網頁內容通過主CPU的讀寫操作可以實現網頁的瀏覽、重新下載和更新。受容量的限制它不可能存儲大量頁面。
時鐘模塊電路:選用了時鐘芯片DS12B887。它可以產生秒、分、時、日、星期、月及年等七個時標。可以通過編程讀取和修改這些時標,也可以編程產生定時中斷。采用硬時鐘,可以不占用單片機的定時器資源,減輕軟件設計量。
看門狗電路:電網監測儀的工作環境通常具有強烈的電磁干擾,在工作要求極高的情況下為了防止干擾,引入了看門狗電路。采用MAX813L芯片。該芯片具有監控電路,如果程序在1.6s之內還不給MAX813L“喂狗信號”,它就會產生看門狗輸出,系統復位。
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參考文獻
1 SX52BD100 Data Sheet.UBICOM Corporation,2000