基于Modbus-RTU协议的交流电压峰值表设计

2009-07-14 09:49:59来源: 现代电子技术

  0 前 言

  交流电压峰值是指交流电压的最大值(正峰值)或最小值(负峰值),是工业生产过程中一个非常重要的参数。为保证用电设备的安全,对供电电压的峰值进行检测具有重要意义。测量峰值的方法主要有示波器法、间接计算法、专用峰值表法。利用示波器虽然可直观地显示电压的波形和峰值,但在成本和便携性上示波器均不能作为现场监视设备;间接计算法只适用于标准正弦波,实用性不大;专用峰值表大都存在体积较大,携带不便,且与电脑或控制设备相连不便的缺点。针对以上缺点,采用MSP430系列单片机MAX1270模/数转换器,并利用Modbus-RTU 协议,成功地开发出了低成本、便携、智能的峰值表设备。

  1 测量原理

  由于供电电网的波动及电网的电压波形是一种非标准正弦波,其峰值不能通过平均值或有效值间接计算。该系统采用对非标准正弦波在一个周期内多次采样,并通过冒泡法比较采样值,得到电压的最大值或最小值作为其正峰值和负峰值。显然只要采样密度适当,完全可以得到真实的电压峰值。我国交流电的频率为50 Hz,设计中采样频率设置为10 kHz,即每个交流波形周期中采样200次,足以正确地反映出电压的变化情况,从而确定电压的峰值。

  2 硬件设计

  设计中,以MSP430F449单片机、MAX1270模/数转换器为主要器件。前端A/D输入采用电阻分压方式将交流电进行降压;采用RS 485芯片作为通信接口芯片,硬件框图如图1所示。

硬件框图

  2.1 A/D输入调理保护电路设计

  以220 V交流电为例,其理论峰值电压为311 V,但考虑到电网波动、正弦波失真等,电压峰值很可能超过311 V,这时可根据工作经验和实测情况,选定一个电压值作为电压可能达到的最大值,假定为500 V。如果MAX1270的输入范围设置为±5 V,则分压电阻的分压比应设置为100:1。分压后的电压经过运放缓冲后作为A/D芯片的输入,为保护后级A/D转换芯片,设置两个稳压二极管组成限幅电路。输入调理电路如图2所示。

输入调理电路

  2.2 A/D转换电路

  A/D转换电路采用MAX1270芯片,MAX1270是8通道、多量程双极性输入、串行输出、逐次逼近型12位A/D转换器,最高采样率为110 kS/s。在单+5 V电源供电下,可通过编程实现±5 V,±1O V,5 V,10 V量程。其中,双极性输入十分适合作为交流电压测量。

  MAX1270转换电路如图2所示,由MSP430F449的I/O口线控制MAX1270的串行接口。由于MAX1270在5 V电压供电下,输出4.5 V以上高电平,而MSP430F449的I/O口电平为3.3 V,因此必须附加一个接口芯片,以实现5~3.3 V的电平转换,这里采用MAX3001双向电平转换芯片。A/D转换电路如图3所示。

A

  2.3 RS 485接口电路

  该设计采用RS 485总线,可通过电缆或光纤将信号有效地远传上千米,配合Modbus-RTU协议,可方便地与符合Modbus-RTU协议的控制设备连接。设计中采用MAX3485芯片作为RS 485接口芯片,电路如图4所示。

  3 软件设计

  设计中,主要的软件模块包括A/D转换,Modbus-RTU协议和串口编程。对于串口编程不再赘述,主要对MAX1270和Modbus-RTU协议进行说明。

  3.1 MAX1270编程

  MAX1270的控制字格式如表1所示,最高START为起始位,保持为“1”;SEL2~SEL0为输入通道选择位;RNG,BIP分别为量程和极性选择位;PD1和PD0为掉电和时钟模式选择位。各位的具体意义请参考MAX1270数据手册。该设计中,MAX1270设置为:量程10 V,双极性输入(即实现土5 V测量)、外部时钟25 CLK/s正常操作模式,使用通道CH0作为输入通道,控制字的格式为10000101。

MAX1270的控制字格式

程序

程序

  3.2 Modbus-RTU协议

  Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。Modbus -RTU是Modbus协议的一种传输模式,在该模式下,消息中的每个8 b包含2个4 b的16进制字符。Mod-bus协议的核心程序是CRC校验程序的编写。该系统中采用CRC-16校验法,具体程序实现如下:

程序

程序

  3.3 其他重要子程序

  程序中采用定时器中断触发每次采样,保证采集周期的精度,同时每次采集时都以过零点作为采集数据的开始。这两点都有利于提高系统精度。

程序

  4 测试结果

  通过施加标准正弦波、非标准正弦波、三角波测试,可使该表的峰值测量精度高于1级,完全满足工业现场设备供电检测的需求。该表与工控组态软件MCGS配合,工作良好。此外,该表除了测量峰值以外,还扩展了电压平均值、有效值的计算,设计成一个具有多功能的智能仪表。

  5 结 语

  该设计以MSP430F449单片机、MAX1270为核心,编写了Modbus-RTU协议,同时利用RS 485接口可方便地进行数据远传或与符合Modbus_RTU协议的设备相连,该表的体积小,功耗低,可使用于电池或蓄电池供电,非常适合作为编携式设备,随身携带,也可作为功能模块直接安装在工业现场设备对电网供电电压峰值、有效值等参数进行监测。

关键字:Modbus协议  交流电压峰值  MSP430F449  MAX1270

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2009/0714/article_1609.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
Modbus协议
交流电压峰值
MSP430F449
MAX1270

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved