基于Modbus協(xié)議的高壓帶電顯示器設(shè)計

董文華

（湖北廣播電視臺，湖北 武漢 430071）

高壓帶電顯示器是一種直接安裝在室內(nèi)電氣設(shè)備上，能夠直觀顯示出電氣設(shè)備是否帶有運行電壓的提示性安全裝置。當設(shè)備帶有運行電壓時，該顯示器顯示窗發(fā)出亮光指示，警示運維人員高壓設(shè)備帶電，若設(shè)備無電，則無相應(yīng)指示。

高壓帶電顯示器通過抽壓電容芯棒，從高壓帶電回路中抽取一定的電壓作為顯示和閉鎖的電源，用于反映裝置設(shè)置處于帶電狀態(tài)，并能強制閉鎖開關(guān)柜柜門。

高壓帶電顯示器因其特性被廣泛用于進線母線、斷路器、主變、開關(guān)柜、GIS組合電器等處，但在實際使用過程中也暴露出一定的不足。目前，電力監(jiān)控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于變配電站所，用于監(jiān)視和控制電力生產(chǎn)及供應(yīng)全過程。但傳統(tǒng)的高壓帶電顯示器只能在本地通過指示燈判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)，無數(shù)據(jù)接口提供給后臺電力監(jiān)控系統(tǒng)，這極大地限制了該設(shè)備的應(yīng)用前景。特別是在廣播電視供配電系統(tǒng)中，一般采用雙電源供電高壓母聯(lián)互倒的運行方式。當一路市電停電時，該側(cè)高壓進線斷路器處于分斷狀態(tài)，后臺系統(tǒng)無法通過有效方式檢測該側(cè)市電是否來電。值班人員只能反復(fù)檢查高壓進線柜高壓帶電顯示器，確認是否來電，從而增加了值班人員的工作量。

1 基于Modbus協(xié)議的高壓帶電顯示器總體設(shè)計方案

1.1 高壓帶電顯示器原理

高壓帶電顯示器原理如圖1所示。該系統(tǒng)由傳感器和顯示器兩部分組成。通常，傳感器安裝在電纜室或母線室，與母線相連，其作用是將高壓帶電部分的高電壓分壓，抽取其中一部分低電壓提供給顯示器使用。顯示器一般是電阻和氖管組成，顯示設(shè)備帶電狀態(tài)。當設(shè)備帶電時，高壓電通過傳感器分壓使氖管發(fā)光，提示設(shè)備帶電。

圖1 高壓帶電顯示器原理圖

1.2 設(shè)計方案

為使設(shè)備帶電狀態(tài)能夠傳送給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，利用原高壓帶電顯示器傳感器部分采集低電壓，經(jīng)過整流和降壓后再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），由單片機保存設(shè)備狀態(tài)。當后臺監(jiān)控系統(tǒng)請求該設(shè)備帶電狀態(tài)時，單片機按Modbus協(xié)議規(guī)范向后臺系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 整流降壓

經(jīng)測量，傳感器對地輸出電壓約為交流25V；無電時，電壓約為0V。為便于數(shù)據(jù)采集，將輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流5V標準電壓。為簡化設(shè)計方案，采用半波整流電容濾波電阻分壓電路，如圖3所示。

圖3 整流與降壓電路

（1）電阻選擇。該系統(tǒng)選用STC15F2K60S2單片機（以下簡稱為STC單片機）完成ADC轉(zhuǎn)換功能。該單片機ADC輸入口等效阻抗約幾十千歐，取分壓電阻R2為10kΩ。整流濾波后的輸入電壓為R2的電壓U2應(yīng)不大于5V，根據(jù)歐姆定律可得公式（1）。

式中：U=35V，U2=5V，R2=10kΩ，通過計算可得R1=60kΩ。根據(jù)常用電阻規(guī)格表，R1選擇參數(shù)為阻值62kΩ、功率1/8W的電阻，R2選擇參數(shù)為阻值10kΩ、功率1/8W的電阻。

（2）濾波電容選擇。半波整流濾波電容計算公式如下：

式中：Vp為輸入電壓的峰值，V；VD為二極管的正向?qū)妷海琕；Vr為紋波電壓，V；f為交流電頻率，Hz；R為負載電阻，kΩ。其中，Vp=35V，VD=0.7V，Vr＜ 1V，f=50Hz，R≈R1+R2=72kΩ。 經(jīng) 計 算，C＞9uF。根據(jù)常用電容規(guī)格表，選擇參數(shù)為容量22uF、耐壓50V的電解電容。

因有a、b、c三路獨立傳感器，故系統(tǒng)有三路相同、獨立的整流、降壓電路，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件原理圖

2.2 ADC轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集

為了把設(shè)備帶電狀態(tài)發(fā)送給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，需要把直流電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。STC單片機集成有8路10位精度ADC轉(zhuǎn)換器，位于P1口。高壓帶電顯示器傳感器輸出為3路電壓量，系統(tǒng)使用STC單片機P1.0～P1.2作為ADC輸入口。整流降壓電路與STC單片機接線方式如圖4所示。ADC轉(zhuǎn)換在單片機內(nèi)部完成，并將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)直接存入單片機內(nèi)部寄存器。

2.3 串口傳輸與485接口轉(zhuǎn)換

串口數(shù)據(jù)傳輸通過STC單片機集成功能實現(xiàn)，該單片機內(nèi)部集成3個串口，系統(tǒng)使用串口1。為便于長距離傳輸、減少數(shù)據(jù)差錯率，將單片機TTL電平串口轉(zhuǎn)換為RS-485接口。

系統(tǒng)使用MAX485芯片實現(xiàn)TTL與RS-485轉(zhuǎn)換。MAX485工作在半雙工狀態(tài)，使用STC單片機P3.2控制MAX485芯片和DE兩個引腳，控制發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。MAX485芯片RO和DI端分別與STC單片機的P3.0/RXD和P3.1/TXD相連。R7為A和B端之間匹配電阻，電阻參數(shù)為阻值100Ω、功率1/8W。MAX485與單片機接線方式如圖4所示。

2.4 輔助電路

（1）電源。該系統(tǒng)工作電壓為標準5V直流電源，一般電力系統(tǒng)操作電源為220V直流或交流電源，電源模塊將220V直流或交流轉(zhuǎn)換為5V直流。電源模塊正極與系統(tǒng)VCC相連，負極與GND相連。

（2）地址選擇開關(guān)。Modbus協(xié)議中設(shè)備具有唯一地址，為使不同設(shè)備具有不同地址，使用1個4位DIP開關(guān)設(shè)置設(shè)備地址，DIP開關(guān)與單片機P2.4～P2.7口相連。DIP開關(guān)與單片機接線方式如圖4所示。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件使用C51語言編寫，主要包括ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采樣、Modbus協(xié)議的串行通信等。CPU系 統(tǒng)時鐘頻率為11.0592MHz。

3.1 總體設(shè)計與中斷分配

系統(tǒng)ADC數(shù)據(jù)采集、串行通信、定時器均采用中斷方式，ADC采樣周期為1s。其中，定時器0作為ADC采樣計時器，定時器1作為判斷幀結(jié)構(gòu)計時器，定時器2作為串口波特率發(fā)生器。串口中斷優(yōu)先級設(shè)為高，其他中斷優(yōu)先級設(shè)為低。

3.2 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采樣

STC單片機ADC輸入通道使用P1口，通過P1ASF寄存器可將P1口中的任何一路設(shè)置為ADC輸入通道，該系統(tǒng)使用P1.0～P1.2共3個輸入通道。STC單片機ADC模塊的參考電壓為輸入工作電壓，該系統(tǒng)中為5V。ADC控制寄存器ADC_CONTR用于選擇轉(zhuǎn)換輸入通道、設(shè)置轉(zhuǎn)換速度及ADC啟動等。設(shè)置SPEED0=0，SPEED1=0，ADRJ=0。

定時器0中斷程序流程如圖5所示。定時器0的計時時長為10ms，當時間到產(chǎn)生中斷后，先清除計時中斷標志TF0，判斷計數(shù)器是否計滿100（1s）。若沒計滿，則將計數(shù)器加1并重新啟動計時器；若已計滿，則從通道0開始進行ADC轉(zhuǎn)換，并將計數(shù)器清零重新開始計時。

圖5 定時器0中斷程序流程圖

ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷程序流程如圖6所示。當一路ADC轉(zhuǎn)換完成后，將產(chǎn)生ADC中斷。進入ADC中斷程序后首先清除ADC_FLAG寄存器，為下次采樣做準備。讀取ADC_RES寄存器的值，并根據(jù)端口號存入40H-42H寄存器，為數(shù)據(jù)發(fā)送做準備。判斷端口號是否等于2，是則說明3個通道都已采樣完畢，等待下一個采樣周期；否則，將端口號和通道號都加1，并重新啟動ADC轉(zhuǎn)換，采集下一通道數(shù)據(jù)。

圖6 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換中斷程序流程圖

3.3 Modbus協(xié)議通信

系統(tǒng)使用P3.0和P3.1作為串行通信的發(fā)送和接收口，P3.2作為控制MAX485芯片的發(fā)送、接收控制口。串口工作方式為1，通信波特率設(shè)為9600bps。

系統(tǒng)使用Modbus協(xié)議，主從模式。后臺監(jiān)控系統(tǒng)作為上位機向系統(tǒng)請求數(shù)據(jù)，系統(tǒng)作為下位機，響應(yīng)上位機請求。通信傳輸方式為RTU模式。

RTU數(shù)據(jù)幀從頭開始依次為起始位、設(shè)備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)、CRC校驗、結(jié)束位。因只傳輸設(shè)備帶電的狀態(tài)，系統(tǒng)僅支持功能碼03，即讀取保持寄存器。

系統(tǒng)的設(shè)備地址由DIP開關(guān)進行選擇，默認地址范圍為80H～8FH。若該地址與其他設(shè)備沖突，可在軟件中改為其他地址段。

Modbus協(xié)議傳輸幀的方式是間隔3.5個字符以上再發(fā)送下一幀，按1字符包括1起始位、8位數(shù)據(jù)位、1校驗位、1停止位總計包括11位，照此計算，3.5字符就是3.5×11=38.5位，取40位。幀間隔時間t=(1÷9600)×40=4.2ms。

串行通信中斷程序流程如圖7所示。系統(tǒng)初始處于監(jiān)聽狀態(tài)，即串口設(shè)置為接收狀態(tài)。上位機需要獲取某一設(shè)備狀態(tài)時，會發(fā)送有該設(shè)備地址的數(shù)據(jù)請求幀。若串口中斷為接收數(shù)據(jù)觸發(fā)，將收到的數(shù)據(jù)存入接收緩沖區(qū)，重置并啟動定時器1，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。若串口中斷為發(fā)送數(shù)據(jù)觸發(fā)，則判斷發(fā)送區(qū)數(shù)據(jù)是否已發(fā)送完畢，若未發(fā)送完畢則繼續(xù)發(fā)送下一數(shù)據(jù)，若已發(fā)送完畢則轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)。

定時器1作為判斷幀結(jié)構(gòu)計時器，計時時長為4.2ms。定時器1中斷程序流程如圖8所示。進入該中斷說明一幀信息已接收完畢，中斷程序首先關(guān)閉定時器1，并進行幀信息處理。先進行CRC校驗，然后檢驗幀地址是否為本機，若CRC校驗和地址檢查都通過，根據(jù)上位機請求，生成反饋數(shù)據(jù)幀寫入發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)，延時4.2ms（幀間間隔）后逐字節(jié)發(fā)送。若發(fā)現(xiàn)CRC校驗失敗或幀地址不是本機，則直接丟棄該幀，清空接收緩沖，重新接收下一幀數(shù)據(jù)。高壓帶電顯示器的狀態(tài)數(shù)據(jù)最終到達后臺監(jiān)控系統(tǒng)，并通過監(jiān)控界面顯示。

圖7 串行通信中斷程序流程圖

圖8 定時器1中斷程序流程圖a

4 結(jié)論

該系統(tǒng)的設(shè)計目標是基于Modbus通信協(xié)議的高壓帶電顯示器后臺數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)采用STC單片機作為核心控制芯片，使用C51語言編寫了Modbus通信協(xié)議，采用RS485接口作為數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)了高壓帶電顯示器與后臺監(jiān)控系統(tǒng)的相互通信。整個系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高的優(yōu)勢，較好地滿足了廣播電視供配電系統(tǒng)對于設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測要求，并可在類似場景推廣，應(yīng)用前景十分廣闊。