基于嵌入式芯片的串行通信系统研究

时间：2024-05-18

夏健新　程汉湘　陈公兴　李凯　刘桂桦

摘要：随着社会的进步，中国电网从一开始依赖于国外的技术，到现在创新能力已经位居世界前列。在这个现代化的时代，电网的管理已经离不开数据，采集负载终端的电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数等参数再定时发送到管理中心，实现对所采集的电力系统参数的后台监控，为电网的监控和维护提供数据基础。为了保证传输的稳定性，也需满足电力系统通讯协议和一定传输距离的要求。

关键词：串行通信;嵌入式芯片;电网;电力系统参数

中图分类号：TN91

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.005

1 系统方案设计

本串行通信系统主要有两个主要的功能体系，第一功能体系为数据采集与处理模块，主要为电压电流采集电路和嵌入式芯片数据处理程序，此功能模块作为核心，实现数据采集和逻辑运算功能;第二功能体系为按键系统操作模块，该功能体系由简易按键操作系统和液晶显示屏幕组成，可实现电能质量数据的查阅和系统的操控，能够实时查看各项电能质量数据指标。本项目通过设计串行通信系统实现高效的人机通讯。采用型号为ADuC7026嵌入式芯片为主要控制芯片，同时与STC12C5A60S2单片机搭配液晶显示屏作为数据显示和按键系统控制，双CPU系统结构。具有采集三相电压、三相电流的电路，ADuC7026嵌入式芯片对采集的电压和电流数据进行处理，得出相应的电能质量数据指标。可提供的数据研究电能质量指标数据，通信系统满足了特定的通讯协议要求，集采集、分析、通信等多种功能于一体。

为了能使两芯片进行数据传输，采用串行口通信的方式实现。ADuC7026的RXD、TXD与STC12C5A60S2的TXD、RXD端相连接，ADuC7026发送的信号可被STC单片机接收。串行通信系统如图1所示。

2 系统硬件设计

本系统所包含的硬件结构如图2所示，其中主要包含信号采集、按键操作系统和串行数据传输三大部分。

2.1 信号采集

本项目主要是利用电压传感器（ HPT304A）和电流传感器（ HCT217）来测量电网三相电压和三相电流。把传感器电路测量实时的电压和电流，O - 3.3 V模拟量送到由运算放大器（ LM3241）构成的电路，输出可以由ADuC7026嵌入式芯片ADC识别的数字信号。

2.2 按键操作系统

为了让操作者可迅速地对系统进行操作，设计了由以STC12C5A60S2为控制核心、四个按钮的简易键盘和LED显示器构成的按键操作系统。该操作系统创新之处为可以最小的按键数目对系统进行操作，提高操作效率，四个按键分别为“上”“下”“返回””确认”。

按键操作系统结构如图3所示，系统搭配简易键盘和液晶显示屏使用。其中简易键盘有“上”“下”“返回””确认”四个按键，采用按鍵扫描的形式，当程序检测到低电平即表示按键按下相对应按钮，以跳转按钮程序;通过堆栈记录界面的位置，当系统返回或者进入新的界面可自由切换;使用光标显示函数，上下按钮可移动显示光标，显示直白明了。

3 系统软件设计

3.1 数据采集以及电能指标处理

为了科学、准确地提供第一手电能质量数据，本设计以0.02 s为采用周期（每周期共采集64次）收集ADC采集的电压和电流信号，每采集10个周期后计算平均值。根据采集三相电压和三相电流的数据，计算出各相位角、功率因数、有功功率和无功功率。部分程序如下所示：

//取平均值，包括电压电流与相位角

UanrAverage（sampling_2VA，lO）;

UbnrAverage（sampling_2VB， 10）;

Ucm-Average（sampling2VC， lO）;

IanrAverage（sampling2CA， lO）;

IbnrAverage（sampling2CB，

10）;

Icm-Average（sampling2CC，

lO）;