基于单片机通信技术的多参数分布式显示系统的设计

王鹏宇，陈东阳，杨建飞

（石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043）

基于单片机通信技术的多参数分布式显示系统的设计

王鹏宇，陈东阳，杨建飞

（石家庄铁道大学，河北 石家庄 050043）

设计了一款三相变压器电参数监测系统,以MSP430F149作为主控芯片,ATT7022B为电参数采集计量芯片,RS485智能数码管作为电参数的显示装置。介绍了信号调理电路和RS485接口电路的设计，阐述了MSP430与ATT7022B之间的SPI通信流程以及MSP430与智能数码管之间通过Modbus-RTU协议通信的链路控制方案，关注了实际应用中所要注意的问题，实现了对三相变压器电压电流有效值、电流夹角、功率因数等参数的分布式显示，具有应用灵活、成本低廉、开发周期短等特点。

MSP430；ATT7022B；Modbus；分布式显示

0 引言

电力牵引仿真教学牵引变压器二次侧的电压、电流、功率因数等多个电参数需要进行实时监测，以方便学生对各个参数在牵引供电系统不同运行状态下的变化进行直观对比分析，达到仿真教学的目的。数据采集系统广泛应用于生产生活和科研工作，如今，各种专用采集芯片层出不穷，它硬件结构简单、运算速度快，使用三相电能计量芯片ATT7022B可高效地完成对牵引变压器二次侧的电参数采集，提高采集系统的实时性和可靠性。对于多参数的显示，主控芯片与上位机之间多采用键盘选择人机交互的方式，这种做法一般在一个时间点只能显示一个参数，不能满足对动态变化的多个参数进行对比分析的要求。本文提出一种基于Modbus-RTU总线协议的数据传输系统，主控芯片通过RS485总线与多个智能表头进行组网，实现多参数的分布显示。

1 系统工作原理

如图1，系统主要由数据的采集和数据的显示两部分组成。数据的采集计算，先将观测点的电信号转换成计量芯片可以识别的小信号，牵引变压器二次侧A、B、C三相的电压和电流经过调理电路送入三相计量芯片ATT7022B中进行处理，主控芯片选择应用广泛的低功耗混合信号处理器MSP430F149，使用其中一组USART端口与ATT7022B进行SPI通信，完成对数据采集的控制和计算结果的读取，另一组USART端口承担对读取结果的显示控制，以主控芯片为主机，带RS485接口的智能数码管作为从机的RS485总线结构，在Modbus-RTU传输协议下可完成多参数的分布显示。

图1 系统原理图

2 系统的主要硬件设计

2.1 信号调理电路设计

当计量芯片ATT7022B采样通道电压有效值在0.5V左右时，可使误差控制在0.5%以内，对应电流通道ADC输入应在0.1V，因此各监测点的电信号经过调理电路转换成电压有效值为0.1V的小信号后输送给计量芯片ATT7022B进行处理，信号调理电路包括电流调理电路（如图2）和电压调理电路（如图3），以变压器A相的调理电路为例进行介绍，B、C相调理电路与A相相同。

图2 电流调理电路

图3 电压调理电路

所测变压器二次侧电压为27.5V，电压互感器DL-PT202H1的额定输入输出电流为2mA/2mA，在输入回路中串联阻值为15k电阻RV，将电压信号转换成额定电流信号送入互感器，电阻RV选择大功率低温漂电阻，经测试证实该电阻温漂特性影响了实验结果的线性度。后端电路采用差分设计将信号送入计量芯片R22、R23、C11、C12组成抗混叠滤波电路，减弱频谱混叠。REFO为2.4V的直流偏置电压，由计量芯片的REFOUT管脚提供。

在电流信号的调理电路设计中，应尽量减小电流经过互感器的相位差，使所测电流夹角和功率因数等数据更为准确。常见的电流互感器根据结构原理的不同可分为电容式电流互感器、电阻式互电流感器和霍尔式电流互感器，其中电容式电流互感器相移较大，霍尔式电流互感器相移较小，但体积偏大、价格偏高，不适用于此电路的设计。所选用的电流互感器为TA17-04，输入电流0~20A，输出电流0~10mA，相位差小于20’。电流调理电路后级同样采用差分抗混叠设计。

2.2 RS-485通信电路设计

所监测数据的分布显示，需要主控芯片和智能表头拥有联网通信接口，RS485总线标准具有多机通信的功能。为减弱共模信号干扰，RS485采用平衡发送和差分接受的方式，RS485的差分信号负逻辑与单片机输出的TTL电平需要进行转换，Max3485可完成TTL电平与RS485电平的半双工转换。

如图4，Max3485采用3.3V供电，RO和TI引脚分别连接主控芯片串口的RXD和TXT作为数据的接受和发送端，芯片2、3引脚短接作为数据发送和接收控制端，当p3.0处于高电平时，数据发送，反之，数据接收。

利用RS485组建的通信网络采用主从通信方式，如图5，连接通信链路需要使用两路双绞线将线路上各个接口的“A”、“B”端串联起来，应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续的点信号会发生发射，采用图中所示连接方法，线路的节点取在从机的接口端点处，最大限度缩短了总线到每个节点的引出线长度，使引出线中的反射信号对总线信号的影响降到最低。另外，总线的开始和末端并接相当于电缆特性阻抗的120欧的终端电阻。

图4 接口电平转换电路

图5 主从节点连线

3 系统的软件设计

软件的设计与调试在IAR Embedded Workbench for MSP430编译环境下进行，这款编译软件支持多种语言混合编程，可进行软、硬件仿真，使既有程序的移植变得更为简单。为方便程序进行调试，采用模块化的程序设计方法，下面对主程序、计量芯片的读写程序以及Modbus通信程序进行介绍。

3.1 主程序设计

MCU的主程序需要完成对计量芯片的控制和对智能表头的控制两个主要任务。对计量芯片的控制即对ATT7022B的读写操作，读取计量芯片所采集计算的数据；对智能表头的控制即利用Modbus协议将得到的数据分布显示在相应地址的数码管上。

如图6所示为主程序的流程图，MCU通过USART1与ATT7022B进行SPI通信，所得数据存入缓存，经进制转换送入USART0发送缓冲寄存器，与智能表头进行RS485通信。

图6 主程序流程图

3.2 ATT7022B读写程序设计

MCU采用SPI方式与ATT7022B进行数据交换，通信格式为8bit地址，24bit数据，ATT7022B在时钟下降沿读取DIN线上的数据，在时钟的上升沿向DOUT线发送数据，MCU发送8bit地址后，需要至少等待3μs才可在DOUT线上读取数据。

ATT7022B的通信流程如图7，首先完成对计量芯片的复位，将校表数据写入ATT7022B中，寄存器Chksum存放计量芯片内部所有校表数据的校验和，电能参数输出寄存器中存放着前一次SPI读出和写入的数据，将写入的校表数据与读取的电能数据和这几个寄存器的值作对比，判断是否需要重新进行数据的写入和读取，这种方法有效降低了数据通信错误率。

图7 ATT7022B读写程序流程图

3.3 Modbus通信程序设计

Modbus-RTU为十六进制通信协议，为实现对带小数点及正负号的四段数码管，报文格式设计为1字节地址、1字节功能码、4字节数据和2字节CRC校验。如图8，程序开始之前，确保帧间隔监测定时器在主程序初始化时已配置完好，启用帧监测定时器来监测数据帧的帧头和帧尾。终端设备在接收到帧头后对地址帧与本机地址相同的报文进行接收，对数据帧进行CRC校验，若校验无差错，则继续进行功能码解析，完成数据显示，CRC出错时，主机根据接收的错误报告将对报文进行重新发送。为减轻MCU进行CRC处理时的运算负担，可运用查表法进行CRC程序设计。系统在掉电等特殊情况可能引起发送中断程序进入“死循环”，可在主程序中设定看门狗定时程序，使程序具有定时自动跳出的功能。

图8 Modbus通信程序流程图

4 结论

使用本文所设计系统对仿真教学牵引变压器进行监测，可以准确地测量并显示动态变化的电压电流有效值、电流夹角和功率因数等待测数据，同时具有开发周期短、成本低廉和应用灵活等优点。在不改变硬件电路的主体结构的情况下，只需对软件进行少量修改即可完成对其他三相电参数的分布式显示，可广泛应用于多点、多参数的电能采集场合。

［1］崔艳敏，郭旭，宋伟，等.基于Modbus的加力总管流量分布检测系统设计［J］.测控技术，2017，（3）:41-43.

［2］欧国峰.基于Modbus协议的智能脱缆钩监控系统［J］.仪表技术与传感器，2016，(10):79-81，86.

［3］权洁，熊书敏，孙晓东，等.基于MSP430的便携式多参数气体检测仪［J］.化工自动化及仪表，2015，（4）:388-390，421.

［4］黄鹤松，刘奎，齐俊清，等.基于ATT7022B的多功能电能表系统的设计［J］.电测与仪表，2011，（8）:63-67.

［5］刘银，曾立文，廖端，等.基于MSP430的多参数数据采集系统的设计［J］.煤矿机械，2011，（6）:171-173.

［6］杨帆.基于MSP430F149的矿用多参数传感器的设计［J］.工矿自动化，2010，（7）:15-18.

［7］朱琳.AT T7022B在电力参数测量中的应用［J］.测控技术，2007，（1）:9-11，23.

［8］高潮，曹世超，郭永彩.分布式无线监测系统设计［J］.重庆大学学报，2009，（12）:1486-1490.

Design of Multi Parameter Distributed Display System Based on MCU Communication Technology

WANG Peng-yu，CHEN Dong-yang，YANG Jian-fei
（Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

An electrical parameter monitoring system for three-phase transformer is designed，MSP430F149 is used as the MCU，ATT7022B is used as the electric parameter sample and measure unit，and intelligent digital tube which has RS485 interface is used as the displayunit.The design ofsignal conditioningcircuit and RS485 interface circuit is introduced，the SPI communication between MSP430 and ATT7022B is expounded,the link control program between MSP430 and intelligent digital tube through Modbus-RTU is illustrated，and several issues that should be focus on in practical application are noticed.The distributed displayofvoltage，current and power factor ofthree-phase transformer is realized.The designed systemhas the advantages offlexible application，lowcost and short development cycle，etc.

MSP430；ATT7022B；Modbus；distributed display

TP274

A

1674-3229（2017）03-0053-04

2017-04-18

王鹏宇（1991-），男，石家庄铁道大学电气与电子工程学院在读硕士生，研究方向：计算机测控。