基于STC15单片机和LabVIEW的电参数监测系统设计

李建海，王成刚，杨 帆，刘 迪

（海军航空大学，山东烟台 264001）

电参数的实时监测对保障用电设备的安全和供配电系统的可靠运行具有重要意义[1-4]，同时也为分析用电设备的技术状态提供数据支撑。现代武器系统，如导弹武器系统、军事通信系统等常采用交流电站作为电力供给装备，其供电质量同样直接影响各种武器系统的作战使用，甚至影响作战效能的发挥。传统的采用电压表、电流表、功率表等电力仪表进行的电参数监测，通常需要人工读取数据，监测数据不能存储和传输，信息化水平偏低；也有采用AD模块采样与单片机控制构成的自动检测系统，但都不同程度地存在硬件电路复杂、测量精度低、维护不方便等不足。为适应现代测试技术和大数据分析预测技术的快速发展，研究1 种智能化电参数测量与数据分析系统具有重要的意义。基于此，设计了1 种采用电能测量模块CS5463，基于STC15W4K56S4 单片机（以下简称“STC15单片机”）和LabVIEW相结合的交流电参数监测系统，系统充分发挥了STC15 单片机处理速度快、外部通信端口多的特点，并具有Lab VIEW 虚拟仪器良好的数据分析和图形化用户界面，能够远程实时监测现场设备的数据，测量精度高，人机交互良好。

1 系统组成

监测系统主要包括电参数测量模块、主控模块和上位机等，整体结构组成，如图1所示。电参数测量模块主要完成电参数测量以及通过无线网络与主控模块进行通信，主控模块作为远程电参数测量模块和上位机通信的桥梁，接收上位机的命令和测量模块的电参数信息。电参数测量模块主要由电能测量模块CS5463、STC15 单片机系统、OLED 显示模块、无线收发模块等组成。根据电力监测的要求，可以灵活扩展监测模块的数量；电参数测量模块主要完成电压、电流信号的隔离变换，通过专用模块CS5463 对输入的信号进行采样保持、A/D转换，对测量计算的结果进行数据存储；STC15单片机与CS5463通过SPI接口进行通信，对采集的电参数信息进行处理，通过无线模块nRF24L01将数据传输到主控模块，用OLED显示模块进行数据显示；采用单总线数字温度传感器DS18B20测量温度信息；上位机LabVIEW 监测程序对测量的数据进行处理、显示和存储，在出现超过设定值等异常情况时，进行告警处理。系统可以实时查询电参数的历史数据，为后续数据分析和故障预测提供依据。

图1 系统结构组成Fig.1 Structural composition of the system

2 硬件设计

2.1 STC15单片机系统

STC15 单片机是STC 公司的新一代增强型8051单片机，指令执行速度比普通8051快8～12倍，具有低功耗、2.5～5.5 V 宽电压供电、超强抗干扰等特点。片内集成高精度R/C 时钟和可靠复位电路，免去了外部复位电路和外部振荡电路，上电可自行复位，内部集成晶振电路，可设置振荡频率的大小。内置的定时器有5 个，高速10 位ADC 有8 路，4K SRAM 和高达56K的片内Flash 程序存储器、硬件“看门狗”、CCP/PWM/PCA、4组独立的高速异步串行通信接口和1组高速同步串行通信接口SPI等模块，适用于多串口通信、电机控制及模拟量测量等场合[5-7]。

STC15 系列单片机新增I/O 口配置功能，通过软件可设置为准双向口模式、推挽输出模式、高阻态模式和开漏输出模式。当配置成准双向口模式时，输出为高电平的驱动能力很弱，拉电流为200 μA 左右；当配置成推挽输出时，拉电流可达20 mA，驱动能力更强[7-8]。

电能测量模块CS5463、无线模块nRF24L01 和OLED 显示模块均采用SPI 方式进行通信，STC15 提供1 组硬件SPI 接口，系统设计显示部分采用硬件SPI，电参数测量和无线通信采用单片机端口模拟SPI的方式进行通信。为满足nRF24L01等芯片的供电要求，需要进行5V 到3.3V 电平转换，设计采用AMS1117芯片完成电平的转换。

2.2 电参数测量模块

CS5463 是1 种内部集成2 个D-S 模/数转换器（ADC），具有与微控制器通信的双向串行接口，能够进行电能计量的专用功率测量芯片。它具有电压下降检测、相位补偿和片上系统校准功能，内嵌的温度传感器，有助于调整温度漂移误差，提高测量精度[9-11]。CS5463 模块信号的采集、存储、滤波处理、运算等都由芯片自动完成，微控制器只需通过串口对其进行初始化、数据读取等操作即可。

电参数测量电路由信号调理电路和CS5463芯片内的信号转换处理两大部分完成。信号调理电路将电力线的较大信号转换成芯片要求的小信号，经片内的增益放大器和调制器对信号进行数字化处理，计算出测量线路的电压、电流和有功功率等。通过最近的N个瞬时电压/电流采样值计算得出电压/电流有效值；瞬时功率等于瞬时电压乘以瞬时电流，N个瞬时功率平均值即为有功功率[9-10]。

CS5463 和单片机的接线如图2 所示，CS5463 的SDO、SDI、SCLK、CS、RESET 引脚分别接单片机的P4.1—P4.5 引脚，INT 接单片机的P3.2 用于接收中断信号。模拟电源输入端接+5V，数字电源信号输入端3.3V要与单片机的电平相匹配，电压和电流信号输入接口分别接信号调理电路相应信号端。

图2 CS5463与单片机的接线Fig.2 Wiring diagram of CS5463 and MCU

2.3 信号调理电路设计

信号调理电路，如图3 所示。它主要由高精度电压、电流互感器和限流电阻、滤波电容等组成。互感器具有电气隔离作用，能够保证人身安全。电压互感器PT 采用精密电流型电压互感器，电流的输入与输出之比为1 ∶1，输入端通过限流电阻R0调整输入信号，经电压信号处理电路处理后输入到CS5463 的电压信号输入端VIN。电流信号经精密电流互感器CT变换后，经电流信号处理电路将电流信号转换为电压信号，输入到CS5463的电流信号输入端IIN[9-12]。

图3 信号调理电路Fig.3 Schematic diagram of signal conditioning

2.4 OLED显示模块

显示模块采用分辨率为128×64 的1.3 寸OLED，该模块的特点有：1）3～5 V宽电压支持；2）功耗低，全屏点亮时功率为0.08 W，远低于TFT、LCD屏；3）采用SPI通信方式；4）可视角度高达160°，无须背光；5）可通过字模软件提取字符、汉字和图形的点阵数据，显示方便。STC15W4K56S4 单片机有1 个高速串行通信SPI 接口，可以配置成主、从2 种模式，通过配置外围设备切换寄存器AUXR1 有3 组不同引脚可供选择为SPI 接口，可以在P1、P2、P4 之间来回切换，使用灵活方便。监测系统OLED 显示模块与单片机通信的SPI 接口配置成P2.1—P2.4 这组引脚，其中片选信号CS、数据/命令信号DC、复位信号RES、数据信号MOSI、时钟信号CLK 分别接单片机的P2.4、P2.5、P2.0、P2.3和P2.1，接线如图4所示。

图4 OLED接线图Fig.4 Wiring diagram of OLED

2.5 nRF24L01模块

nRF24L01 是一款工作在2.4 GHz 频段集成接收器和发射器的无线通信模块，内置功率放大器、调制器和解调处理器等，具有自动应答、自动重发和硬件循环冗余校验功能，利用SPI接口可以设置输出功率、选择频道等，可以实现点对点或1 对6 的无线通信[13-15]。

系统中，nRF24L01通过P1口和P3口与单片机进行通信，如图5 所示。STC15W4K56S4 的P1.2—P1.5口分别与nRF24L01 的CS、MOSI、MISO 及SCK 引脚相连接，模式控制引脚CE 接P3.4，中断信号引脚IRQ接P3.3，CS为片选引脚，低电平时芯片工作。在CS为低的情况下，CE协同片内的CONFIG寄存器共同决定芯片的状态。

图5 nRF24L01接线图Fig.5 Wiring diagram of nRF24L01

3 系统软件设计

系统程序包括电参数测量程序、数据无线传输程序和上位机LabVIEW 监测程序等。电参数测量程序主要是完成CS5463 模块初始化、OLED 初始化、采集电参数等；数据无线传输程序主要完成无线模块的初始化、无线网络的组建、数据信息的传输等；上位机监测程序的功能是实现与主控模块通信，完成电参数信息的处理、显示和存储，设置参数，启动告警等。电参数测量模块的控制程序流程，如图6所示。首先，进行单片机系统、电参数测量模块、无线模块和显示模块等的初始化；然后，根据上位机的指令，采集电参数信息、保存并进行显示，超过设定值时启动告警处理，实时监测主控模块的传送命令，实时将电参数信息通过无线模块传送到上位机。

图6 控制程序流程图Fig.6 Flow chart of control program

4 上位机程序设计

上位机监测程序设计采用LabVIEW 进行开发，特点是图形化编程，核心是用软件实现真实仪器的功能，内嵌丰富的库函数和接口，便于实现现场数据的处理[16-18]，可为后续故障预测和数据分析提供支持。系统采用模块化和层次化设计，程序可读性强，便于功能的拓展。根据电参数监测系统设计要求，上位机LabVIEW监测程序的主要功能是系统参数设置、电参数信息显示与存储、告警保护处理等，即完成对电压、电流、功率、功率因数以及温度的监测，实时显示电压和温度变化的曲线图，设置电压和温度告警门限，当参数实际值超出设定值范围时，启动告警处理并进行告警显示，电参数监测系统的界面，如图7所示。

图7 电参数监测系统界面Fig.7 Electrical parameter monitoring system interface

5 结束语

本文针对智能化电参数测量技术和大数据分析预测的快速发展，采用专用电能测量模块CS5463，设计了1 种基于STC15 单片机和LabVIEW 相结合的交流电参数无线监测系统。该系统充分发挥了专用模块CS5463 参数测量高度集中，STC15 单片机处理速度快、外部通信端口多，LabVIEW 具有良好数据分析和图形化用户界面等众多优势，具有测量精度高、电路设计简单、监测灵活方便、易于扩展、人机界面友好、便于功能拓展等特点，能够为用电设备的正常运行和电参数状态分析提供数据支持，具有一定的实用价值。