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0 引言 電力是國家的重要能源，如果電網電壓不穩定，會對工農業生產、居民生活造成很大影響，為此電業部門要求定量監測電網電壓。電業部門的管理形式為市供電公司管理下屬各級變電站，由于各變電站之間的距離較遠，組建專用的計算機網絡需要較多的資金，設備維護也有一定的困難。針對這種情況，我們用較低的成本開發出了基于USB接口電路的遠程電壓監測系統。從目前使用上看，設備運行穩定，維護方便。 1 系統原理 目前各級變電站配出的電壓有10 kV，4．6 kV，380 V等多種形式。這些不同的電壓通過變壓在變電站以220 V出現，供變電站來監測配電電壓的變化。我們通過這些220 V低電壓來監測各種高電壓。硬件電路如圖1所示。變壓器T將220 V交流信號變壓，得到30 V交流信號，此信號經過硅橋、電容整形為直流信號，經過可變電阻降為10 V直流電壓，通過A／D轉換器采集電壓值，處理芯片對采集的信號進行處理，并將數據存入U盤中。當數據采集一段時間后，將U盤換下，在供電公司將U盤中的數據讀入計算機，完成數據的進一步處理。數據采集由數據采集電路完成，該電路包括A／D轉換器，A／D采用AD574A，數據采集在50 Hz工頻電壓整數倍周期時間內10次采樣，計算出平均值，形成一個測量數據，測得5次測量數據，取3個中間值，以去掉干擾，然后采用滑動平均值方式計算出一個有效數據。監測的電壓值由處理芯片進行處理，以2個字節補碼形式存放在片內內存中，在規定的時間將一批數據存入U盤。為避免U盤多次使用后出現失效位，在向U盤入2個字節的數據時，將下一個字節寫入同樣的數據作為標志，當兩數據相同時，說明是一組有效數據；當兩數據不同時，說明內存單元燒壞，應將此兩單元丟掉。 
2 AN2131QC芯片的應用 USB接口是一種應用在計算機領域的新型接口技術，其目的是用USB來取代計算機現有的各種外圍接口，使外圍設備的連接具有單一化、即插即用、熱插拔、速率高和易擴展等特點。本設計選擇的控制芯片是EZ_USB系列的AN2131QC。此芯片提供了基于RAM的允許無限制設置和升級的解決方案，支持全速 USB總線吞吐量的傳輸。在芯片內核中提供大量的輔助指令，簡化了編碼，同時也加快了對USB特性的開發。芯片的簡化結構如圖2所示。AN213lQC內部有一個核：它由串行接口引擎(SIE)和USB接口兩部分組成。SIE負責和USB收發器、USB接口進行數據交換，以實現串行數據的編／解碼、差錯控制、位填充等與USB協議相關的功能。
2．1 AN2131QC的功能 AN2131QC是基于USBl．1的外設通信控制芯片，主要特點：(1)4時鐘周期的8051內核；(2)2個快速存儲器到存儲器的數據傳送指針； (3)擴展的中斷，包含有多個USFB數據傳輸中斷；(4)8 K內部RAM，用于存放程序和數據，支持外部存儲器；(5)靈活的固件程序升級；(6)32個輸入輸出管道，其中同步傳輸支持1 024 B長度數據傳輸；(7)多種固件程序引導方式，方便的固件程序升級辦法。 2．2 AN2131QC的USB傳輸 AN213lQC的USB傳輸分為塊傳輸、控制傳輸和中斷傳輸。USB規范允許塊傳輸的最大數據包尺寸為8、16、32、64字節，中斷數據1～64字節。AN2131QC提供了8個IN端點和8個OUT端點，每一個端點具有最大64字節的緩沖區空間。其中第2、4、6個IN和OUT端點可以和它緊接著的端點提供雙緩沖區，允許8051在處理一個數據包的同時另外一個數據包在USB總線上傳輸，即6個端點對(USBPAIR寄存器)控制雙緩沖。8051 在初始化時設置14個端點有效位，并且通知AN213lQC哪一個端點有效。塊數據出現在RAM中，每一個塊端點保留了64字節的RAM空間，1位計數寄存器，2位控制和狀態寄存器。8051能讀取狀態寄存器中的一位來決定端點是否為“忙”。在端點的忙位被設置時，8051不能讀寫端點緩沖區和字節計數寄存器。當一個端點為805l操作準備好時，AN2131QC設置一個中斷清求位。AN2131QC向量中斷系統根據端點自動傳輸控制，從中斷服務子程序分離出中斷請求來響應端點請求服務。 端點O是AN2131QC芯片中唯一的控制端點。AN2131QC提供了2個64字節的緩沖區INOBUF和OUTOBUF。另外有一個附加的8字節緩沖區，對端點O來說是唯一的，這個緩沖區保存著在控制傳輸過程中的SETUP階段到達時的數據。中斷傳輸是一種特殊的塊傳輸。AN2131QC控制端點O接收特殊的SETUP令牌，它是一種主機用來處理設備控制信號的傳輸。主機通過端點。發送一系列標準設備請求表。 2．3 AN2131QC的程序引導 AN2131QC內部沒有ROM，因此程序只能在上電復位時從外部導入，主要為以下幾個途徑： (1)通過驅動程序，CYPRESS公司提供了工具將編譯的固件HEX文件嵌入到驅動程序內，USB外圍設備接入到總線后，主機自動將固件程序寫入到：EZ-USB內RAM，完成枚舉和重枚舉。 (2)通過外部12CE2PROM。將固件HEX文件通過“HEX2BIX-I-B2(TARGET)．IIC(SOURCE)．HEX”命令轉換成 IIC文件，用編程器或者“控制面板程序”寫入到I2C器件。I2C器件選用24LC64A或者24AA64，將其A0管腳上拉到高電平，A1，A2接地。 (3)采用外部FLASHIROM和RAM。固件程序如果大于4 K，那么就要考慮用這種方式，注意EA上拉到高電平。 2．4 AN2131QC的電路配置 主機向外圍USB設備提供的最大電流是500 mA，因此當USB外圍設備電流消耗超過500 mA時，需外接電源。AN2131QC的工作電壓是3．3 V，可以通過LDO芯片將5 V轉換成3．3 V。 幾點要說明： (1)芯片的5、6、13、14、72腳通過一個1 kΩ電阻接地，主要用于上電測試。 (2)無論I2C總線是否外接有器件，SCL和SDA管腳都應通過2．2 kΩ的電阻上拉。 (3)不能讓WAKEUP管腳懸空。 (4)將USB+和USB-通過2個24 Ω電阻接到D+和D-端，可以抑制虛噪聲信號和限制環流。 2．5 AN213lQC的固件程序開發 從CYPRESS公司網站，可以下載到“控制面板程序”和驅動程序，也可以得到開發例程。通過開發例程，可以總結出開發自己固件程序的框架，從而可以完成 USB外圍設備的開發。在建立固件程序框架后，根據地址分配，在KEILC51編譯器內設置編譯連接地址，如果選用內部RAM，CODE地址設置為 Oxl00，XDATA地址設置為Oxl200。 3 輔助電路 看門狗電路用來防止系統因干擾造成的死機，電路見圖3。當系統正常工作時，由軟件控制，在短于單穩態T1的定時周期內，通過805l的P3．1腳向其發觸發脈沖，使其工作在暫穩態，1Q保持低電平。一旦系統工作不正常，當單穩態定時時間一到，在2Q輸出端輸出一個負脈沖，使系統復位。
鍵盤、顯示電路，該電路完成電路各種狀態的設定及顯示。按鍵共有UBS傳輸停止、時間設定、狀態設定、+、-等鍵。通過74LS237與處理芯片相連。單片機使用查尋方式檢測按鍵狀態。顯示電路由4片數碼組成。 4 數據的處理 數據采集電路在現場工作一段時間、約為lO天后，將U盤取下，通過供電公司的計算機將U盤中的數據讀入，并將U盤的內容清除以備重復使用。數據處理有如下內容，各變電站的日、月電壓合格率統計報表，包括每日、月的上超率、下超率、最大值、出現時間、延續時間、最小值、出現時間、延續時間。變電站的日、月電壓運行曲線，供電局季度、年供電統計表等幾部分。在完成變電站的日、月電壓運行曲線時，根據測得的電壓值在顯示器上以二階方程形式平滑顯示，通過向顯示器上置點的方式作出，使得電壓變化曲線直觀、準確。將顯示器上做出的曲線以圖像形式讀入內存，通過變換打出曲線。軟件用Visual basic完成，使用下拉式菜單結構，具有良好的用戶介面。 5 結束語 由于使用了基于AN2131QC的USB接口電路進行數據傳輸，簡化了控制電路，節約了資金，從使用上看，系統運行穩定，維護方便，滿足設計要求。 參考文獻 1. 王榮博,侯朝煥,陳棟,等.基于EZ-USB FX2LP的高速數據傳輸接口設計[J].電子測量技術,2009,32(4):167-170. 2. 侯大志,李麗,何書專.USB2.0 IP核功能驗證的研究和應用[J].電子測量技術,2009,32(4):75-81. 3. 譚林.基于單片機的溫度監控系統設計[J].國外電子測量技術,2009,28(4):16-19. 4. 閆軍虎.AN2131QC芯片USB總線通信的開發[J].現代電子技術2004,13:28-31. 5. 林培杰.基于FPGA和USB數據傳輸電路的設計[J].國外電子測量技術,2008,27(3):16-17. 6. 李爽,張鳴瑞.一種帶USB接口的便攜式語音采集卡的設計[J].計算機應用研究,2001,18(5):146-148. 7. 劉少峰,韋克平.USB軟件系統的開發[J].計算機應用研究,2002,19(3):102-104. 8. 徐慶元,張天序,鐘勝.基于USB總線的高速視頻采集系統設計[J].微計算機信息,2006,22(10-1):247-249. 作者：郭輝 許衛 孫國春 （空軍航空大學飛行基礎訓練基地,長春,130022 ） 來源：國外電子測量技術 2009 28(11) |
