基于MC9S12XS128的多路交流電壓電流采集系統(tǒng)

王春

摘 要 電能作為一種廣泛的能源，使用于民用和工業(yè)領(lǐng)域，電網(wǎng)的供電質(zhì)量好壞，直接影響民眾的生活質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)效率。為監(jiān)控使用的交流電的實(shí)時(shí)情況，需對交流電的電壓和電流進(jìn)行測量、顯示，為了實(shí)現(xiàn)多路的測量，我們設(shè)計(jì)了該款多路交流采集系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】MC9S12XS128 多路交流電壓電流采集 均方根算法 霍爾互感器

1 電力交流采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 總體方案

電力信號數(shù)據(jù)算法主要有兩種，直流采樣算法，交流采樣算法，而交流采樣算法又分為半周期積分算法、均方根算法、傅里葉算法等，交流采樣算法運(yùn)算量大，占用單片機(jī)資源較多，而本設(shè)計(jì)主要針對16路交流電的電壓和電流采樣數(shù)據(jù)處理，為了降低對單片機(jī)資源的占用，采用直流采樣算法，而為了達(dá)到電壓采集數(shù)量和電流采集數(shù)量任意組合性，優(yōu)化了電壓和電流的前端采集模塊，實(shí)現(xiàn)了電壓采集模塊和電流采集模塊互換后，對信號處理影響很小。系統(tǒng)硬件電路由電源電路、信號采集電路、信號變換電路、信號處理電路、數(shù)據(jù)傳輸電路等組成，如圖1所示。

電源電路將+12V電源降壓到+5V，信號采集電路采集交流信號，信號變換電路將采集的信號進(jìn)行調(diào)整，信號處理電路將調(diào)整好的信號進(jìn)行A/D采樣并進(jìn)行運(yùn)算處理，數(shù)據(jù)傳輸電路將處理好的數(shù)據(jù)向外傳輸。數(shù)據(jù)的采樣和處理有MC9S12XS128來完成。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)方案

1.2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)是該系統(tǒng)的核心單元，本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾MC9S12XS128，該款單片機(jī)帶有16路12位/10位/8位的A/D采樣模塊，該模塊中含有采樣緩沖器、放大器，具有可編程采樣時(shí)間，轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志和轉(zhuǎn)換完成中斷，外部觸發(fā)控制，可選擇單次轉(zhuǎn)換模式或者連續(xù)轉(zhuǎn)換模式等特性。其采樣精度可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，數(shù)字量轉(zhuǎn)化時(shí)間可以根據(jù)需要進(jìn)行編程設(shè)置。

1.2.2 信號采集電路與信號變換電路

由于220V交流電屬于強(qiáng)電，因此設(shè)計(jì)中采用霍爾互感器采集電力線路中的信號。根據(jù)采集的信號不同，分別采用電流型電壓互感器和電流互感器，將220V交流電轉(zhuǎn)變成毫安級的交流信號，提高的了設(shè)計(jì)的安全性。互感器絕緣電阻常態(tài)時(shí)大于1000MΩ，工作頻率范圍20Hz～20KHz，抗電強(qiáng)度可承受工頻1000V/分鐘，相移小于5°，額定電流不大于20mA。

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多路電壓電流采集系統(tǒng)，需對信號采集電路以及信號轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行優(yōu)化，以便根據(jù)不同需求，可以任意選擇前端采集電路為電壓采集電路或者電流采集電路，通過圖2和圖3分析，兩種信號轉(zhuǎn)換電路可以統(tǒng)一采用一種電路，只需將轉(zhuǎn)換電路的輸入信號設(shè)定為統(tǒng)一的要求，即通過選擇更換不同的互感器及相應(yīng)電路，就可以滿足電壓或者電流的采集，在后續(xù)的生產(chǎn)使用中，無需對單片機(jī)的程序進(jìn)行修改即可使用，降低了前期的研發(fā)周期和后期的維護(hù)成本。

U1A放大器組成的是半波整流電路，將交流信號的正電壓部分轉(zhuǎn)換負(fù)成電壓，U2放大器組成的是加法積分電路，將交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號。

1.2.3 電源電路

本系統(tǒng)的電源由外部提供±12V電源，而單片機(jī)的主要供電電壓為+5V，因此，需要將+12V電源轉(zhuǎn)換為+5V電源。在設(shè)計(jì)中，為了降低功耗，減少電源芯片的發(fā)熱量，在設(shè)計(jì)中放棄了簡單的三端穩(wěn)壓塊的降壓電路，而是采用DC-DC電路，提高了轉(zhuǎn)換效率，提高電源芯片的使用壽命和可靠性。見圖4。

該電路轉(zhuǎn)換頻率為380KHz，轉(zhuǎn)換效率大于80%，輸出最大電流1.5A（連續(xù)輸出），紋波小于30mV，滿足系統(tǒng)對+5V電壓的需求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件整體設(shè)計(jì)

程序主要由以下幾個模塊組成：單片機(jī)初始化模塊，兩個定時(shí)器中斷，一個外部事件中斷，串口通信模塊，數(shù)據(jù)處理模塊。其中初始化模塊又包括：鎖相環(huán)PLL，高速計(jì)數(shù)模塊脈沖累加，定時(shí)器PIT，A/D，普通I/O口，串口發(fā)送SCI等。軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：

（1）通過MC9S12XS128的定時(shí)器1與A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)變后的直流信號采集并存儲到寄存器中。

（2）利用算術(shù)平均根算法實(shí)現(xiàn)MCU對數(shù)據(jù)的處理。

（3）控制串口與外部中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和交互顯示。

主程序流程圖如圖5所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采集的信號是直流電平，其采樣周期的選擇與算法的選擇有密切的聯(lián)系，采樣的周期越小，測量結(jié)果越接近真實(shí)值，越能夠快速反應(yīng)交流電壓或者交流電流變化的情況。

數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6所示。

2.2.1 A/D數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用算術(shù)平均根算法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，交流電的頻率為50Hz，周期為20ms，采樣周期10us，采用讀轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位的方式讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。A/D初始化設(shè)置如下：

ATD0DIEN = 0x00；//禁止數(shù)字輸入功能

ATD0CTL0 = 0x0F；//模擬輸入通道為16

ATD0CTL2 = 0x40；//A/D模塊快速清零，禁止外部觸發(fā)，禁止中斷

ATD0CTL1 = 0x40；//A/D分辨率選擇12位，且采樣前不放電

ATD0CTL3 = 0x80；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果右對齊，每個序列16個通道，非FIFO模式

ATD0CTL4 = 0x07；//12位精度，AD模塊時(shí)鐘頻率為2MHz

ATD0CTL5 = 0x30；//從通道0開始多通道連續(xù)采樣，同時(shí)啟動A/D轉(zhuǎn)換序列

while（！ATD0STAT0_SCF）；//等待A/D轉(zhuǎn)換完成

2.2.2 串口數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)由于采集的信號多達(dá)16路，設(shè)計(jì)中采用RS485通信方式將處理的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)或者工業(yè)顯示器上。串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)如下：

void SCI1_send（unsigned char data）

{

while（！SCI1SR1_TDRE）； //等待發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（緩沖器）為空

SCI1DRL = data；

}

unsigned char SCI1_receive（void）

{

while（！SCI1SR1_RDRF）； //等待發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器滿

return（SCI1DRL）；

}

3 結(jié)語

本產(chǎn)品應(yīng)用在對電力參數(shù)要求不高而監(jiān)控的路數(shù)比較多的場合，客戶實(shí)際使用中，對產(chǎn)品的所測參數(shù)以及穩(wěn)定性給予了高度的認(rèn)可，目前，已在通信機(jī)房、指揮車等場所進(jìn)行應(yīng)用。