基于MSP430單片機的變壓器監控終端設計

劉曦鍇 王曉薇

（沈陽師范大學科信軟件學院，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

變壓器監控終端是對配電變壓器的各種運行參數的監視、測量與控制的遠方終端[1]。它是配電自動化中最末一級監控單元，負責監測配變低壓側電壓[2]、電流、頻率，計算配變的有功功率、無功功率、有功電度、無功電度，分析電能質量，統計電能數據等[3]。

配電自動化系統一般由主站、子站、終端三層結構組成，如圖1所示。主站層(配網監控和管理中心層)從各子站層獲取配電網的實時信息，從整體上對配電網進行監視、分析和控制，也是配網的管理中心。子站(配網監控中問層)，一般設在中心變電站或變電集中控制站，主要任務是作為區域數據交換中心，實現各種實時信息的上傳下達。配電終端層主要任務是負責對線路、配電室的開關、配電變壓器進行數據采集和控制，并在必要時執行就地智能功能。

圖1 配電自動化系統三層結構圖

圖2 系統總體結構圖

1 系統總體設計

本文設計的變壓器監控終端的硬件構成如圖2所示，整個系統的硬件是以MSP430單片機[4-5]為中心模塊的監測與控制系統。其主要構成和外圍模塊包括：

1）模擬量變換及信號調理電路。

2）人機接口的鍵盤和液晶顯示芯片。

3）具有IIC接口的時鐘和存儲芯片。

4）與手持抄表終端或便攜式計算機等智能設各通訊的RS232接口電路[6]。

5）讀耿脈沖電度表電量的脈沖計數輸入接口[7]。

2 系統硬件電路設計

2.1 模擬量輸入模塊電路設計

模擬量輸入模塊由兩部分組成：模擬量信號采集和A/D轉換。模擬量信號采集由隔離電路和信號調理電路構成。采集的交流電壓、電流信號經過隔離電路和信號調理電路后進入MSP430的A/D通道進行轉換。

A/D轉換采用的是MSP430內嵌的ADCl2。ADCl2的主要特點如下：

1）采樣速度快，最高可達到200dsps。

2）12位轉換精度。

3）內置采樣與保持電路。

2.2 通訊模塊電路設計

由于RS232接口是一種標準的串行通訊接口，串口操作簡單，可靠性高，同時MSP430內部集成了兩個通用的串行同步/異步模塊USART0和USARTl均支持兩種不同的串行協議，因此本系統采用RS232通訊接口。

由于430單片機的異步串口為0V和3.6V的CMOS邏輯信號，故選用SP3223E將陔信號轉換為RS232標準。SP3223E芯片內帶有兩個發送器和兩個接收器，能夠滿足從CMOS到RS232和從RS232到CMOS電平轉化的要求。

2.3 顯示模塊電路設計

本系統的液晶驅動采用的是4MUX驅動方法。MSP430系列單片機作為面向儀表、測控領域的專用單片機，內部集成了LCD接口，使用方便。為此，系統采用MSP430單片機和河北冀雅電子有限公司生產的液晶顯示器JY00771B作為人機界面設計的核心部件。

MSP430單片機內部LCD接口具有160段驅動能力，具有多路管腳復用功能，內部具有LCD控制寄存器和顯示寄存器，便于控制。

3 系統軟件實現

按照上述系統目標和設計思想，軟件可化分為：數據采集和處理模塊：串行通訊模塊協議模塊、鍵盤顯示模塊以及串口通訊模塊。

3.1 主程序

本文設計的主程序負責將上述幾個功能模塊聯成一個整體.實現各個功能模塊之間的調度。它首先是完成整個系統的自檢和初始化，在初始化結束后，系統進入主循環，主程序在主循環中通過查詢各功能標志來調用各個模塊，各個模扶在完成各自的任務后也通過設置標志的方式通知主程序進行下一步工作。主程序的整個工作流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.2 數據采集和處理模塊

數據采集和處理模塊由數據采集和數據處理兩部分組成。數據采集負責對各個通道的模擬量進行模數轉換：數據處理負責對采集的數據進行的運算處理。

從鍵盤讀入信息顯示時按三步進行：

1）判鍵入，判斷是否有鍵按下，有則迸一步譯鍵，無則等待鍵入，或轉做別的工作。

2）識鍵，在有鍵入的情況下，進一步識別是哪個鍵，并作適當的譯碼，以便進一步處理。

3）鍵值分析，根據鍵值，找出對應處理程序的接口。鍵盤顯示模塊是由鍵盤和顯示處理兩大部分組成。軟件結構如圖5所示。

3.3 串口通訊模塊

串口通訊模塊由串口0、l接收中斷和串口0發送中斷，其中串口1接收中斷主要用于轉發處理，便于系統級聯。

通訊均采用中斷方式發送和接收，提高了系統實時性。在內存中為串口0開辟兩段數據區，即發送數據和接收數據緩沖區，長度均為250個字節，這是可能接收的報文的最大長度，超出此長度的報文視為無效。

4 結論

本文論述的基于430單片機的變壓器監控終端是針對我國變壓器監控終端系統的現狀，研究和開發了一種新型的變壓器監控終端產品，克服了同類產品的缺陷，旨在電力管理部門推廣使用，提高我國是配電自動化水平。論文詳細地闡述了變壓器監控終端設計過程中所涉及的關鍵技術和方法。

［1］劉健，倪建立，鄧永輝.配電自動化系統[M].2版.中國水利水電出版社，2003，1.

［2］袁欽成.配電自動化及管理系統的工程實踐[J].電力設備，2004（1）：11－16.

［3］趙聞蕾,李暉.電參量諧波測量算法的研究[J].大連鐵道學院學報,2004,(04)∶58-62.doi∶10.3969/j.issn.1673-9590.2003.04.016.

［4］胡大可.MSP430系列：超低功耗16位單片機原理與應用[J].北京航空航天大學出版社，2000，6.

［5］楊平，王威.MSP430 系列超低功耗單片機及應用[J].國外電子測量技術，2011，33.

［6］馬小陸,陶維青.基于430單片機的遠程測控單元[J].儀器儀表用戶,2004(05)∶69-71.doi∶10.3969/j.issn.1671-1041.2004.05.040.

［7］李光輝，陳志英.基于DSP的配電變壓器遠方終端單元(TTU)的設計[J].電工電能新技術，s2004,(03)∶72-75.doi∶10.3969/j.issn.1003-3076.2004.03.017.