基于MSP430F149單片機和ATT7022B芯片實現(xiàn)電源監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

電力操作電源監(jiān)測系統(tǒng)是隨著電力系統(tǒng)自動化運行而產(chǎn)生的，該系統(tǒng)可以對變電站中的交流供電電源、直流控制電源、備用操作電源以及開關(guān)狀態(tài)等進行參數(shù)監(jiān)測、故障報警等操作。從而及時地發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的異常情況，提前做好防范以保證電力系統(tǒng)連續(xù)可靠地運行。同時，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時為繼電器以及斷路器等二次設(shè)備提供備用操作電源，對設(shè)備進行保護。

電池巡檢儀是備用電源的檢測裝置，主要的功能是對單體電池的電壓、溫度、容量等參數(shù)進行檢測，提供充電控制以及故障報警等功能，從而可以合理地控制電池，延長電池使用壽命，提高系統(tǒng)的可靠性。

電源監(jiān)控系統(tǒng)起步于80年代末，當時它只能監(jiān)控一個獨立的直流供電系統(tǒng)或一個局（站），且電源監(jiān)控水平不高，可靠性較低。90年代以后尤其是近幾年來，伴隨著計算機、通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和電源裝備水平的提高，電源監(jiān)控也逐漸成熟起來，發(fā)展到可以監(jiān)控多回路甚至是多個系統(tǒng)。

電力操作電源監(jiān)控系統(tǒng)配合合理的控制器，通過控制高壓斷路器以及其他的繼電器設(shè)備，可以完全實現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全運行和自動調(diào)度，從而滿足現(xiàn)代化電力調(diào)度的需要。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

此電源管理儀器主要用于中小型變電站的操作電源以及備用電源的監(jiān)測和管理，為了更好的節(jié)約備用電池的能源，選擇低功耗的MSP430F149微控制器作為設(shè)備的處理器。

2.1 采樣模塊

交流模塊采用ATT7022B交流三相電能計量器件處理交流部分的有功功率、無功功率、諧波、電壓、電流等參數(shù)。ATT7022B價格比較便宜，而且具有SPI（serial peripheral interface，串行外圍設(shè)備接口）接口，能夠方便地與MSP430F149單片機進行通信。

開關(guān)量監(jiān)控，包括交流斷路器分合閘狀態(tài)（主、備用電源共兩路）、交流控制電源8路、直流斷路器的分合狀態(tài)。

直流量監(jiān)控，包括環(huán)境溫度、電池溫度、單片機溫度、單體電池電壓、直流合閘電源2路、操作電壓和合閘電流。

2.2 人機接口模塊

鍵盤是主要的輸入來源。為了節(jié)約成本，系統(tǒng)采用掃描方式實現(xiàn)矩陣鍵盤，采用中文液晶顯示。

2.3 通信模塊

由于單片機內(nèi)具有UART，因此采用RS-232串行通信方式實現(xiàn)與上位機的通信。為了實現(xiàn)與上位機電平匹配，采用SP3220E作為接口電平轉(zhuǎn)換器。設(shè)備的工藝流程如圖1所示。

根據(jù)圖1，由交流電壓到直流電壓的順序介紹系統(tǒng)的工藝過程。

蓄電池組管理。整流后的電壓一般高于蓄電池組電壓以供電池組充電，當其用于工作電源時，可通過二極管對其進行降壓，K1、K2等開關(guān)用于選擇降壓值，其通斷由處理器控制，處理器對電池組中單個電池狀況進行巡回檢測，實時反應(yīng)電池的使用狀態(tài)，便于及時了解電池狀況。

交流參數(shù)檢測。系統(tǒng)采用專用的電能計量器件ATT7022B對交流電網(wǎng)的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、諧波等參數(shù)進行檢測，并通過該器件自帶的SPI接口與單片機相連。

管理系統(tǒng)與上位機以串行方式通信。上位機可對此系統(tǒng)進行檢測，并能修改控制參數(shù)，從而實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等四種遙控功能。

設(shè)備的硬件原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要功能模塊包括：

（1） 對交流側(cè)母線電壓、電流、諧波等參數(shù)進行監(jiān)測，對交流電路進行采樣，對離散數(shù)據(jù)進行處理（一個周期采樣20～0次），計算出線路的有功功率、無功功率以及線路的功率因素。這些功能可以采用一個ATT7022B來實現(xiàn)。

（2） 對整流后的直流操作電源線路進行監(jiān)測。監(jiān)測其電壓、合閘電流以及操作電源是否發(fā)生故障等。同時，可以采用監(jiān)測得到的電壓作為二極管自動調(diào)壓的依據(jù)，實現(xiàn)操作電源自動分檔調(diào)壓。

（3） 對備用操作電源設(shè)備（蓄電池）進行巡回檢測（對單體電池檢測），了解電池電量以及相關(guān)參數(shù)并及時更換電池，控制電池充放電狀態(tài)．使電池保持最佳狀態(tài)，有效地延長電池的使用壽命。

（4） 由于設(shè)備的功能鍵盤需求不多，可以采用單片機通用I／O口擴展的矩陣鍵盤，顯示部分采用中文液晶顯示模塊。

（5） 采用串行通信協(xié)議實現(xiàn)與上位機通信，可以遠程控制與監(jiān)測。

根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程可以知道，系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有三大模塊：交流數(shù)據(jù)采樣模塊、蓄電池組管理模塊以及直流操作電源信號分析模塊，另外還有其他小模塊如：顯示、鍵盤、通信模塊等，前三大模塊并列運行，按巡回方式采樣。由定時器設(shè)定采樣時間。系統(tǒng)運行過程如圖3所示。

MSP430系列單片機具有三種低功耗模式，為了減少能耗，可采用中斷方式。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

3 模塊子系統(tǒng)詳細設(shè)計方案

3.1 直流采樣硬件設(shè)計

直流采樣部分主要包括電池充放電控制、監(jiān)測以及整流后對操作電壓、電流的監(jiān)測。對電池的管理還包括其溫度、電壓、容量等。此外，故障報警電路也屬于直流模塊。直流采樣電路可分為電池巡檢電路、整流直流電源監(jiān)測、開關(guān)量輸入及控制量輸出等硬件設(shè)計部分。

電池巡檢電路包括電池單體電壓監(jiān)測、溫度檢測、電池充放電以及報警電路。電池單體電壓監(jiān)測包括采樣電路設(shè)計和巡檢邏輯電路。溫度檢測電路主要分為三路，分別為環(huán)境溫度、電池組溫度、單片機內(nèi)部溫度，共采用三路A／D轉(zhuǎn)換器。電池充電回路采用高頻開關(guān)整流電源對其充電，部分采用高頻開關(guān)充電器作為充電電源，采用繼電器控制電池組充電。當正常供電時，高頻開關(guān)電源直接給二次電路繼電器供電，一旦主電源出現(xiàn)故障，立即采用備用電源以防止事故的發(fā)生，電池組處于常備用狀態(tài)。報警電路主要驅(qū)動一個蜂鳴器和一個報警發(fā)光二極管，從而實現(xiàn)聲光報警功能。

整流直流電源監(jiān)測包括電壓電流監(jiān)測和操作電源自動調(diào)壓控制。直流電壓監(jiān)測可以采用與單體電池電壓采樣相同的電阻分壓方式，可以與單體電池電壓進行共地。操作電源包括所有二次測的動作電壓，由高頻開關(guān)電源提供。

開關(guān)量輸入及控制量輸出主要由信號調(diào)節(jié)電路、控制邏輯電路、驅(qū)動電路、地址譯碼電路、隔離電路等組成，控制量的輸出電路構(gòu)造與之基本相同。

3.2 交流采樣硬件設(shè)計

交流部分主要用于對交流供電電路的電壓、電流、功率、諧波等參數(shù)進行實時監(jiān)測，以保證供電電路的安全運行，并實時地了解三相交流電源的狀況，消耗的電能以及無功、功率因素等參數(shù)，一旦電源出現(xiàn)故障，可以及時采取故障處理措施。在本設(shè)計中，交流模塊的采樣和計算均由多功能三相電能計量器件ATT7022B實現(xiàn)。為了保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行，本設(shè)計采用外部電源結(jié)合電池組同時供電的方式。

3.3 通信及人機接口電路硬件設(shè)計

該電路設(shè)計主要包括人機接口電路設(shè)計和串行通信接口電路設(shè)計兩部分。人機接口電路設(shè)計主要包括鍵盤矩陣電路和液晶顯示電路。鍵盤矩陣電路主要用于輸入數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)人機交互，該系統(tǒng)的鍵盤設(shè)計是采用掃描方式實現(xiàn)矩陣鍵盤。液晶顯示電路作為重要的人機接口元件在智能設(shè)備中是非常重要的，本設(shè)計采用LCM 12864ZK中文液晶顯示屏。通信接口電路設(shè)計屬于系統(tǒng)與主機以及與操作者之間的信息交流部分。本系統(tǒng)與上位機的通信采用UART異步通信方式。

4 軟件設(shè)計

4.1 直流模塊軟件設(shè)計

由于系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，所以各個模塊可以獨立編程。直流模塊的軟件設(shè)計主要包括對單體電池電壓、溫度以及系統(tǒng)的開關(guān)量輸入輸出控制等參數(shù)進行采樣．涉及到采樣的巡回時間間隔、溫度巡檢時間間隔、數(shù)據(jù)處理方式等內(nèi)容。

（1） 電池巡檢回路的監(jiān)測主要包括對電池的單體電壓、電池溫度、環(huán)境溫度以及電池的充放電狀態(tài)等參數(shù)的測量。溫度檢測共包括三個子程序，采用中斷方式進入溫度采集子模塊，實現(xiàn)溫度采集。

（2） 整流直流母線電源的監(jiān)控包括電壓電流監(jiān)測和操作電源自動調(diào)壓裝置。該軟件模塊實現(xiàn)的功能主要包括電壓檢測、合閘電流檢測以及操作電源自動調(diào)壓裝置三部分。

4.2 交流采樣軟件設(shè)計

交流采樣部分用于對交流供電電路的電壓、電流進行實時采樣，并對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，以獲得電網(wǎng)的有功功率、無功功率、諧波等參數(shù)。這些功能都可以用一個專用電能計量器件ATT7022B實現(xiàn)。

4.3 通信及人機接口軟件設(shè)計

人機接口是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。人機接口是智能設(shè)備中不可缺少的部分．它是了解與控制智能設(shè)備的關(guān)鍵，本設(shè)計中主要包括鍵盤設(shè)計、液晶中文顯示兩個部分。

鍵盤輸入部分由矩陣掃描鍵盤、鍵盤總共設(shè)置10個功能鍵，包括：系統(tǒng)復(fù)位、電池參數(shù)顯示、交流參數(shù)顯示、直流參數(shù)顯示、開關(guān)狀態(tài)顯示、溫度顯示、上翻、下翻、報警狀態(tài)復(fù)位。另外，還留有一個供擴展的鍵盤。

結(jié)合鍵盤電路的設(shè)計，液晶顯示的模式采用默認和中斷處理兩種方法，在沒有任何鍵輸入的情況下，液晶模塊顯示交流采樣數(shù)據(jù)：一旦有鍵輸入，如電池巡檢參數(shù)顯示，顯示模塊則立即進入電池參數(shù)顯示狀態(tài)。

串口通信實現(xiàn)單片機與上位機的通信，從而將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機進行處理和控制。

4.4 主程序處理模塊

主程序處理模塊作為系統(tǒng)的框架，主要負責(zé)對各個模塊之間的協(xié)調(diào)處理和數(shù)據(jù)交互。主程序處理模塊首先初始化，主要包括對單片機各個引腳功能的定義以及相應(yīng)寄存器的賦值，這其中還包括對各個功能模塊控制寄存器的賦值和參數(shù)的設(shè)定。然后進入主程序的處理過程，這中間包括SPI通信和液晶顯示兩個模塊。主程序處理流程如圖5所示。整個程序基本采用中斷服務(wù)結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)中斷程序與主程序之間的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)可以適當?shù)亩x一些全局變量和全局緩存區(qū)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

主程序經(jīng)過參數(shù)設(shè)定后立即進入SPI通信，將交流數(shù)據(jù)的值存入單片機寄存器中，保存并進行參數(shù)整定，然后立即進行開關(guān)量狀態(tài)的掃描（掃描I／O狀態(tài)）。

由圖5可以看出，主程序處理只有兩個簡單的功能模塊，然后是負責(zé)標志判斷和標志設(shè)置。另外就是從指定的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)暫存到指定的緩沖區(qū)。其他所有的功能模塊都由中斷處理來完成，主程序只對這些模塊進行數(shù)據(jù)交互。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)是基于MSP430F149單片機的一個多任務(wù)處理系統(tǒng)，主要面向中小型變電站的自動化運行綜合管理，具有專用性強、可靠性高以及造價低等特點。該系統(tǒng)包括蓄電池組單體電壓測量、電池以及環(huán)境溫度檢測、操作電源電壓及電流檢測、交流電壓（電流、功率因數(shù)）的檢測（SPI通信部分）、開關(guān)量狀態(tài)檢測、操作電源自動調(diào)壓控制、電池低壓自 動充電控制、鍵盤及顯示、通信等共9個主體模塊，同時還保留有一定的擴展空間，基本上能夠滿足中小型變電站的檢測與控制需要。另外。由于該系統(tǒng)的處理器具有運行可靠和多種低功耗運行模式，所以特別適用于變電站這種能量控制單位的使用。

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