摘 要：介紹應(yīng)用UBICOM公司的SX52BD單片機構(gòu)建用于遠程電網(wǎng)監(jiān)測" title="電網(wǎng)監(jiān)測">電網(wǎng)監(jiān)測的嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)的具體方案,，使基于單片機的測控設(shè)備可以方便地連接到以太網(wǎng),，實行電網(wǎng)參數(shù)的遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)監(jiān)測 嵌入式系統(tǒng)
為了保證電網(wǎng)的安全運行,，了解電網(wǎng)運行狀況,，需要對電網(wǎng)的各種運行參數(shù)(如三相電壓、電流,、有功功率,、無功功率等)進行實時監(jiān)測。嵌入式遠程電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)將現(xiàn)代計算機,、通信,、網(wǎng)絡(luò)及自動化技術(shù)融為一體，對配電網(wǎng)進行遠程監(jiān)測,、協(xié)調(diào)和控制,，從而優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)。利用以太網(wǎng)的豐富資源及UBICOM公司高速單片機SX52BD構(gòu)建分布式以太網(wǎng)嵌入測控系統(tǒng)是一種低成本,、高可靠且快捷的技術(shù)方案,。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。監(jiān)控中心工作人員可通過以太網(wǎng)直接訪問分布在各監(jiān)控現(xiàn)場的監(jiān)測儀,，了解各電網(wǎng)的運行狀況，從而采取相應(yīng)措施,。電網(wǎng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件是嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀,，與PC機+網(wǎng)卡+采集卡的以太網(wǎng)測控系統(tǒng)相比成本大為降低，實現(xiàn)了嵌入式系
統(tǒng)的大眾化,、普及化,。
2嵌入式電網(wǎng)監(jiān)測儀的結(jié)構(gòu)功能
電網(wǎng)監(jiān)測儀對電網(wǎng)上的電壓、電流信號進行采樣和數(shù)據(jù)處理,，在一定時間里保存數(shù)據(jù),，具體功能如下：
(1)實時監(jiān)測三相電壓Va、Vb,、Vc和四相電流Ia,、Ib,、Ic和I0；
(2)監(jiān)測A,、B,、C三相功率因素；
(3)通過RJ45接口與以太網(wǎng)通信,；
(4)保存整點時刻的電壓,、電流數(shù)據(jù)、功率因素,，保存月統(tǒng)計數(shù)據(jù),；
(5)用數(shù)碼管顯示，使用戶可以在現(xiàn)場查看和設(shè)置儀表的運行參數(shù)及歷史記錄,。
該電網(wǎng)監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)如圖2所示,。主要由單片機、電壓電流采樣模塊,、功率因素監(jiān)測模塊,，、以太網(wǎng)接口模塊等組成,。完成對電網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)測,，實現(xiàn)信號處理、數(shù)據(jù)顯示及電網(wǎng)運行狀態(tài)顯示等功能,。
2．1單片機
單片機模塊是整個電網(wǎng)監(jiān)測儀的核心,。主要完成兩大功能：(1)數(shù)據(jù)采集和處理；(2)實現(xiàn)以太網(wǎng)的接入,。將經(jīng)過電壓電流監(jiān)測模塊得到的三相實時電壓,、三相實時電流和中線電流進行處理；實時監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過RJ45接口傳給以太網(wǎng),，使監(jiān)控中心及時得到電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù),；同時電網(wǎng)監(jiān)控軟件根據(jù)測試參數(shù)判斷電網(wǎng)運行狀況，電壓是否越限或過低等,。
單片機選用UBICOM公司的8位超高速單片機SX52BD,，每秒運行數(shù)據(jù)能力達1億次。由于UBICOM單片機的速度極高,，能夠?qū)崿F(xiàn)實時多任務(wù)操作,，可以在MCU執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和控制功能的同時把數(shù)據(jù)打包并傳送到互聯(lián)網(wǎng)上。用8位微控制器通過ISP接入互聯(lián)網(wǎng),，外圍器件少,，系統(tǒng)成本低。UBICOM單片機屬RISC結(jié)構(gòu),，芯片上有Flash程序存儲器,，可以在安裝到系統(tǒng)后進行編程和調(diào)試,。由于CPU采用并行流水作業(yè)方式，執(zhí)行一條指令只需要一個時鐘周期,，工作在100MHz時指令執(zhí)行速度可達100MIPS,，所有I／O可以通過編程靈活配置。
SX52BD單片機可以輕松地實現(xiàn)虛擬外設(shè)的功能,。CPU通過執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動普通I／0口實現(xiàn)硬件外設(shè)功能(如UART,、I2C、SPI,、Caller ID,、FSK等)。即把許多需要硬件實現(xiàn)的功能接口,，借助處理器的高速處理能力,，通過編寫相應(yīng)的軟件模塊實現(xiàn)。UBICOM公司用匯編語言實現(xiàn)了以太網(wǎng)TCP／IP協(xié)議棧,。在外接一個以太網(wǎng)控制芯片(RTL8019AS)的情況下還可以實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)(1EEE802．3)協(xié)議處理,，使該單片機系統(tǒng)可以直接通過RJ45連到以太網(wǎng)上。
2.2電壓電流采樣模塊
根據(jù)采樣信號的不同,，可分為直流采樣與交流采樣兩大類,。直流采樣是把交流電壓、電流信號轉(zhuǎn)化為O～5V的直流電壓,，再送到A／D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換,。即A／D轉(zhuǎn)換器采樣的模擬量為直流信號。它的主要特點是：數(shù)據(jù)刷新速度快,，隨著元器件技術(shù)的發(fā)展,，穩(wěn)定度、精確度大為提高,。
交流采樣是相對直流采樣而言,，直接對交流電壓和電流波形進行采樣，然后通過一定的算法計算出電壓,、電流的有效值,、有功功率、無功功率等,。
交流采樣對環(huán)境溫度有一定要求，同時對A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和采樣保持器要求較高,；為了保證測量精度,，一個周期內(nèi)，必須保證足夠的采樣點數(shù),，而且采樣計算程序相對復(fù)雜,，對CPU要求較高,，因此該儀器采用直流采樣。其工作原理如圖3所示,。
2.3功率因素檢測模塊
功率因素檢測模塊有兩大功能：(1)判別電壓是超前還是滯后電流,；(2)判別功率因素大小。具體相關(guān)電路如圖4所示,。當電壓超前電流時,，U15B輸出為“1”；反之輸出為“0”,。電壓,、電流的正弦波形分別經(jīng)過零比較器后(電路忽略)轉(zhuǎn)換為方波，輸入2／4譯碼電路,。譯碼電路只有當A,、B信號為“01”或“10”時，X端口才輸出Vref,，對積分電路充電,；當A、B信號為“00'’或“11”時,，輸出端口為零,。而A、B信號為“01”或“10'’的時間正是電壓,、電流相位差的時間,。時間越長，對電容C23充電的時間也越長,。因此,，電容上的電壓反映了相位差的大小。CPU經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可確定功率因素的大小,。
2.4以太網(wǎng)接口模塊
以太網(wǎng)接口模塊選用RealTek公司的RTL8019AS全雙工以太網(wǎng)控制器,，主要功能是處理以太網(wǎng)協(xié)議。它自帶16KB的SRAM,，并通過RJ45接口與以太網(wǎng)通信,。數(shù)據(jù)的流向為：請求信息從以太網(wǎng)來，通過RJ45送到RTL8019AS,，處理后的數(shù)據(jù)包送人SX52BD協(xié)議棧,，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)包進行解析，得到原始請求信息,。請求信息再經(jīng)過SX52BD的處理,，產(chǎn)生回復(fù)信息?；貜?fù)信息到以太網(wǎng)的過程與上述過程正好相反,。
2.5其它模塊電路
EEPROM：CPU通過12C總線訪問EEPROM器件24C256,。網(wǎng)頁就存儲在EEPROM中。EEPROM中的網(wǎng)頁內(nèi)容通過主CPU的讀寫操作可以實現(xiàn)網(wǎng)頁的瀏覽,、重新下載和更新,。受容量的限制它不可能存儲大量頁面。
時鐘模塊電路：選用了時鐘芯片DSl2B887,。它可以產(chǎn)生秒,、分、時,、日,、星期、月及年等七個時標,?？梢酝ㄟ^編程讀取和修改這些時標，也可以編程產(chǎn)生定時中斷,。采用硬時鐘,，可以不占用單片機的定時器資源，減輕軟件設(shè)計量,。
看門狗電路：電網(wǎng)監(jiān)測儀的工作環(huán)境通常具有強烈的電磁干擾,，在工作要求極高的情況下為了防止干擾，引入了看門狗電路,。采用MAX813L芯片,。該芯片具有監(jiān)控電路，如果程序在1.6s之內(nèi)還不給MAX813L“喂狗信號”,，它就會產(chǎn)生看門狗輸出,，系統(tǒng)復(fù)位。
參考文獻
1 SX52BDl00 Data Sheet．UBICOM Corporation,2000