基于單片機通信技術的多參數分布式顯示系統的設計

王鵬宇，陳東陽，楊建飛

（石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043）

基于單片機通信技術的多參數分布式顯示系統的設計

王鵬宇，陳東陽，楊建飛

（石家莊鐵道大學，河北 石家莊 050043）

設計了一款三相變壓器電參數監測系統,以MSP430F149作為主控芯片,ATT7022B為電參數采集計量芯片,RS485智能數碼管作為電參數的顯示裝置。介紹了信號調理電路和RS485接口電路的設計，闡述了MSP430與ATT7022B之間的SPI通信流程以及MSP430與智能數碼管之間通過Modbus-RTU協議通信的鏈路控制方案，關注了實際應用中所要注意的問題，實現了對三相變壓器電壓電流有效值、電流夾角、功率因數等參數的分布式顯示，具有應用靈活、成本低廉、開發周期短等特點。

MSP430；ATT7022B；Modbus；分布式顯示

0 引言

電力牽引仿真教學牽引變壓器二次側的電壓、電流、功率因數等多個電參數需要進行實時監測，以方便學生對各個參數在牽引供電系統不同運行狀態下的變化進行直觀對比分析，達到仿真教學的目的。數據采集系統廣泛應用于生產生活和科研工作，如今，各種專用采集芯片層出不窮，它硬件結構簡單、運算速度快，使用三相電能計量芯片ATT7022B可高效地完成對牽引變壓器二次側的電參數采集，提高采集系統的實時性和可靠性。對于多參數的顯示，主控芯片與上位機之間多采用鍵盤選擇人機交互的方式，這種做法一般在一個時間點只能顯示一個參數，不能滿足對動態變化的多個參數進行對比分析的要求。本文提出一種基于Modbus-RTU總線協議的數據傳輸系統，主控芯片通過RS485總線與多個智能表頭進行組網，實現多參數的分布顯示。

1 系統工作原理

如圖1，系統主要由數據的采集和數據的顯示兩部分組成。數據的采集計算，先將觀測點的電信號轉換成計量芯片可以識別的小信號，牽引變壓器二次側A、B、C三相的電壓和電流經過調理電路送入三相計量芯片ATT7022B中進行處理，主控芯片選擇應用廣泛的低功耗混合信號處理器MSP430F149，使用其中一組USART端口與ATT7022B進行SPI通信，完成對數據采集的控制和計算結果的讀取，另一組USART端口承擔對讀取結果的顯示控制，以主控芯片為主機，帶RS485接口的智能數碼管作為從機的RS485總線結構，在Modbus-RTU傳輸協議下可完成多參數的分布顯示。

圖1 系統原理圖

2 系統的主要硬件設計

2.1 信號調理電路設計

當計量芯片ATT7022B采樣通道電壓有效值在0.5V左右時，可使誤差控制在0.5%以內，對應電流通道ADC輸入應在0.1V，因此各監測點的電信號經過調理電路轉換成電壓有效值為0.1V的小信號后輸送給計量芯片ATT7022B進行處理，信號調理電路包括電流調理電路（如圖2）和電壓調理電路（如圖3），以變壓器A相的調理電路為例進行介紹，B、C相調理電路與A相相同。

圖2 電流調理電路

圖3 電壓調理電路

所測變壓器二次側電壓為27.5V，電壓互感器DL-PT202H1的額定輸入輸出電流為2mA/2mA，在輸入回路中串聯阻值為15k電阻RV，將電壓信號轉換成額定電流信號送入互感器，電阻RV選擇大功率低溫漂電阻，經測試證實該電阻溫漂特性影響了實驗結果的線性度。后端電路采用差分設計將信號送入計量芯片R22、R23、C11、C12組成抗混疊濾波電路，減弱頻譜混疊。REFO為2.4V的直流偏置電壓，由計量芯片的REFOUT管腳提供。

在電流信號的調理電路設計中，應盡量減小電流經過互感器的相位差，使所測電流夾角和功率因數等數據更為準確。常見的電流互感器根據結構原理的不同可分為電容式電流互感器、電阻式互電流感器和霍爾式電流互感器，其中電容式電流互感器相移較大，霍爾式電流互感器相移較小，但體積偏大、價格偏高，不適用于此電路的設計。所選用的電流互感器為TA17-04，輸入電流0~20A，輸出電流0~10mA，相位差小于20’。電流調理電路后級同樣采用差分抗混疊設計。

2.2 RS-485通信電路設計

所監測數據的分布顯示，需要主控芯片和智能表頭擁有聯網通信接口，RS485總線標準具有多機通信的功能。為減弱共模信號干擾，RS485采用平衡發送和差分接受的方式，RS485的差分信號負邏輯與單片機輸出的TTL電平需要進行轉換，Max3485可完成TTL電平與RS485電平的半雙工轉換。

如圖4，Max3485采用3.3V供電，RO和TI引腳分別連接主控芯片串口的RXD和TXT作為數據的接受和發送端，芯片2、3引腳短接作為數據發送和接收控制端，當p3.0處于高電平時，數據發送，反之，數據接收。

利用RS485組建的通信網絡采用主從通信方式，如圖5，連接通信鏈路需要使用兩路雙絞線將線路上各個接口的“A”、“B”端串聯起來，應注意總線特性阻抗的連續性，在阻抗不連續的點信號會發生發射，采用圖中所示連接方法，線路的節點取在從機的接口端點處，最大限度縮短了總線到每個節點的引出線長度，使引出線中的反射信號對總線信號的影響降到最低。另外，總線的開始和末端并接相當于電纜特性阻抗的120歐的終端電阻。

圖4 接口電平轉換電路

圖5 主從節點連線

3 系統的軟件設計

軟件的設計與調試在IAR Embedded Workbench for MSP430編譯環境下進行，這款編譯軟件支持多種語言混合編程，可進行軟、硬件仿真，使既有程序的移植變得更為簡單。為方便程序進行調試，采用模塊化的程序設計方法，下面對主程序、計量芯片的讀寫程序以及Modbus通信程序進行介紹。

3.1 主程序設計

MCU的主程序需要完成對計量芯片的控制和對智能表頭的控制兩個主要任務。對計量芯片的控制即對ATT7022B的讀寫操作，讀取計量芯片所采集計算的數據；對智能表頭的控制即利用Modbus協議將得到的數據分布顯示在相應地址的數碼管上。

如圖6所示為主程序的流程圖，MCU通過USART1與ATT7022B進行SPI通信，所得數據存入緩存，經進制轉換送入USART0發送緩沖寄存器，與智能表頭進行RS485通信。

圖6 主程序流程圖

3.2 ATT7022B讀寫程序設計

MCU采用SPI方式與ATT7022B進行數據交換，通信格式為8bit地址，24bit數據，ATT7022B在時鐘下降沿讀取DIN線上的數據，在時鐘的上升沿向DOUT線發送數據，MCU發送8bit地址后，需要至少等待3μs才可在DOUT線上讀取數據。

ATT7022B的通信流程如圖7，首先完成對計量芯片的復位，將校表數據寫入ATT7022B中，寄存器Chksum存放計量芯片內部所有校表數據的校驗和，電能參數輸出寄存器中存放著前一次SPI讀出和寫入的數據，將寫入的校表數據與讀取的電能數據和這幾個寄存器的值作對比，判斷是否需要重新進行數據的寫入和讀取，這種方法有效降低了數據通信錯誤率。

圖7 ATT7022B讀寫程序流程圖

3.3 Modbus通信程序設計

Modbus-RTU為十六進制通信協議，為實現對帶小數點及正負號的四段數碼管，報文格式設計為1字節地址、1字節功能碼、4字節數據和2字節CRC校驗。如圖8，程序開始之前，確保幀間隔監測定時器在主程序初始化時已配置完好，啟用幀監測定時器來監測數據幀的幀頭和幀尾。終端設備在接收到幀頭后對地址幀與本機地址相同的報文進行接收，對數據幀進行CRC校驗，若校驗無差錯，則繼續進行功能碼解析，完成數據顯示，CRC出錯時，主機根據接收的錯誤報告將對報文進行重新發送。為減輕MCU進行CRC處理時的運算負擔，可運用查表法進行CRC程序設計。系統在掉電等特殊情況可能引起發送中斷程序進入“死循環”，可在主程序中設定看門狗定時程序，使程序具有定時自動跳出的功能。

圖8 Modbus通信程序流程圖

4 結論

使用本文所設計系統對仿真教學牽引變壓器進行監測，可以準確地測量并顯示動態變化的電壓電流有效值、電流夾角和功率因數等待測數據，同時具有開發周期短、成本低廉和應用靈活等優點。在不改變硬件電路的主體結構的情況下，只需對軟件進行少量修改即可完成對其他三相電參數的分布式顯示，可廣泛應用于多點、多參數的電能采集場合。

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Design of Multi Parameter Distributed Display System Based on MCU Communication Technology

WANG Peng-yu，CHEN Dong-yang，YANG Jian-fei
（Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

An electrical parameter monitoring system for three-phase transformer is designed，MSP430F149 is used as the MCU，ATT7022B is used as the electric parameter sample and measure unit，and intelligent digital tube which has RS485 interface is used as the displayunit.The design ofsignal conditioningcircuit and RS485 interface circuit is introduced，the SPI communication between MSP430 and ATT7022B is expounded,the link control program between MSP430 and intelligent digital tube through Modbus-RTU is illustrated，and several issues that should be focus on in practical application are noticed.The distributed displayofvoltage，current and power factor ofthree-phase transformer is realized.The designed systemhas the advantages offlexible application，lowcost and short development cycle，etc.

MSP430；ATT7022B；Modbus；distributed display

TP274

A

1674-3229（2017）03-0053-04

2017-04-18

王鵬宇（1991-），男，石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院在讀碩士生，研究方向：計算機測控。