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隨著電力自動化技術的發展和電力智能配電系統建設的需要，具有數字化、智能化、網絡化、多功能的配電系統日漸成為中低壓配電的最基本要求，采用專用的三相電參量采集芯片和高性價比的16位MSP430處理器構建的智能配電系統，并通過RS 485總線實現電力系統通用的Modbus協議，具有適時遙測數據精度高、遙控可靠、遙信號時、低功耗、擴展性好等優點。 1 三相電力配電系統的硬件設計 1．1 TI MSP430F149處理器 TI MSP430F149是一款超低功耗的高性價比精簡指令集16位單片機，最小指令周期125 ns，32 kB的FLASH和2 kB RAM，具有豐富的片上外設資源和5個雙向8位IO口，并具有JTAG調試接口，非常適合高性價比低功耗系統的設計。 1．2 SA9904B三相電參量采集芯片 SAMES公司的SA9904B是專用的電參量采集測量芯片，此芯片具有實時測量三相有功與無功功率／電能、電壓有效值和線頻率，并可計算功率因數、電流有效值等參數；片內具有精密基準參考電壓，保證各電參量的準確采集；具有SPI總線方便與處理器進行接口；芯片自身功耗低于60 mW，具有ESD保護功能。 1．2．1 SA9904B內部結構及功能 SA9904B是一個高精度專用電能計量芯片，適用于三相三線和三相四線，內部結構如圖1所示。內部集成了六路二階24位∑一△模／數轉換器、參考電壓電路以及有功與無功電能、有效值、主頻率測量的數字信號處理電路，可以測量并計算出各相的有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、電壓有效值、電流有效值、功率因數和頻率等重要的電參量，SA9904B提供了標準的SPI總線接口，方便與外部的處理器進行電參量的傳遞。 1．2．2 SA9904B引腳及功能 SA9904B的引腳如圖2所示。其中GND為模擬地；VDD為電源的正極，當使用分流電阻檢測電流時，接+2．5 V電壓；當使用電流互感器時，接+5 V電壓；VSS為電源負極，當使用分流電阻檢測電流時，接一2．5 V電壓，當使用電流互感器時，接0 V電壓；IVPl，IVP2，IVP3分別是三相模擬電壓采樣輸入端，當測量的電壓為額定電壓時，要保證輸入到內部A／D轉換器的電流有效值為14μA；IIPl，IINl，IIP2，IIN2，IIP3，IIN3分別是三相的模擬電流采樣輸入端，當測量的電流為額定電流時，要保證輸入到芯片上的A／D轉換器的電流有效值為16μA；VREF為參考電源的外接電阻端，通常需要接47 kΩ電阻到地；F50為電壓過零脈沖輸出端，輸出的脈沖頻率為交流電壓的頻率，脈沖寬度為1 ms；CS，DI，DO，SCK分別是SPI接口的片選端、數據輸入端、數據輸出端和時鐘端；OSCl，OSC2為外部晶振的輸入、輸出端。 1．2．3 SA9904B的采樣電路及與MSP430F149的接口設計 SA9904B的采樣電路分為三相電壓和三相電流采樣電路，采樣電路一般有直接電阻分壓網絡采親和互感器采樣兩種形式，電阻分壓網絡采樣成本低電路簡單，但采樣系統直接接入電網，沒有隔離，易受電網的沖激干擾，嚴重時會損壞系統，在工業現場一般不采用這種方式。另一種是電壓互感器和電流互感器采樣電路，能有效隔離電網對系統的干擾，保證了采樣的精度并保護了測控系統。在本次設計中，采樣選用電壓互感器和電流互感器采樣電路，圖3給出了一相電路的電壓和電流采樣，其他兩相的采樣電路與此相同。對于電壓采樣電路，選用的電壓互感器是電流型電壓互感器，典型值是2 mA／2 mA，R1是前端限流電阻，Rsh1是電壓互感器的終端電阻，R2是電壓采樣的限流電阻，且要滿足當測量的電壓為額定電壓時，輸入IVPl的電流有效值為14μA，如果額定電壓為220 V，那么R1=如果R2選用1 MΩ，那么Rsh1=14 kΩ。對于電流采樣電路，采用差分采樣輸入，可有效抑制干擾，選用的電流互感器的典型值是5 A／5 mA，Rsh2是電流互感器的終端電阻，R3和R4是電流采樣的限流電阻，要滿足當測量的電流為額定電流時，輸入電流通道IINl和IIPl的電流有效值為16μA，如果待測線電流的額定電流為5 A，取R3和R4相等，那么 如果選用R3=R4=100 kΩ，那么求得Rsh2=320Ω。 MSP430F149的UARTl采用SPI模式可以和SA9904B的SPI總線直接連接，MSP430F149內部產生標準的SPI時序，采用4線主從通信模式，MSP430F149工作在主機模式，STE為SPI選通控制端，UCLK引腳上的UCLK信號是SPI總線的同步時鐘，在第一個UCLK周期，已寫入UTXBUF的數據以高位在前低位在后的順序移入移位寄存器，并由SIMO引腳移出，同時從SOMI引腳鎖存數據并送入接收移位寄存器，接收移位寄存器滿，則把接入數據放入接收緩存URXBUF中，在接收過程中最先接收到的數據位為高位，此時置位URXIFG位，可用中斷或查詢的方式把接收到的數據讀出，從而完成一次通信過程。SPI總線接口方式如圖3所示。 2．2 Modbus RTU協議通信實現 Modbus RTU模式的編程要處理數據包的開始和結束時間間隔，即兩個數據包之間的至少3．5個字符的時間間隔，才能保證接收數據包的完整性，當接收者接偵測到一個數據包開始時，開始接收數據，并把接收到的第一個數據即地址域和自己的地址相比較，如果相同，則接收完整的數據包并做CRC校驗。如果地址不同，則放棄接收過程，等待下一個數據包的開始。在MSP430中實現時，使用了定時器中斷來偵測數據包之間的數據間隔，實現的程序流程如圖4所示。 3 結 語 設計的基于Modbus通信協議的三相電力智能配電系統，所涉及到的軟硬件均通過了調試，工作正常，性能穩定。該模塊可以單獨作為三相電力配電模塊使用，也可以方便接入Modbus通信網絡，實現了和其他Modbus設備的兼容，可廣泛應用于中低壓電力配電系統。 |
