单片机嵌入式系统在远程电网监测系统中的应用

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摘要：介绍应用UBICOM公司的SX52BD单片机构建用于远程电网监测的嵌入式系统的具体方案，使基于单片机的测控设备可以方便地连接到以太网，实行电网参数的远程网络监控。

    关键词：电网监测 嵌入式系统

为了保证电网的安全运行，了解电网运行状况，需要对电网的各种运行参数（如三相电压、电流、有功功率、无功功率等）进行实时监测。嵌入式远程电网监测系统将现代计算机、通信、网络及自动化技术融为一体，对配电网进行远程监测、协调和控制，从而优化配电网络。利用以太网的丰富资源及UBICOM公司高速单片机SX52BD构建分布式以太网嵌入测控系统是一种低成本、高可靠且快捷的技术方案。

1 系统结构

系统结构如图1所示。监控中心工作人员可通过以太网直接访问分布在各监控现场的监测仪，了解各电网的运行状况，从而采取相应措施。电网远程监控系统的核心部件是嵌入式电网监测仪，与PC机+网卡+采集卡的以太网测空系统相比成本大为降低，实现了嵌入式系统的大众化、普及化。

图1 嵌入式电网监控系统结构

2 嵌入式电网监测仪的结构功能

电网监测仪对电网上的电压、电流信号进行采样和数据处理，在一定时间要保存数据，具体功能如下：

（1）实时监测三相电压Va、Vb、Vc和四相电流Ia、Ib、Ic、T0；

（2）监测A、B、C三相功率因素；

（3）通过RJ45接口与以太网通信；

（4）保存整点时刻电压、电流数据、功率因素，保存月统计数据；

（5）用数码管显示，使用户可以在现场查看和设置仪表的运行参数及历史记录。

该电网监测仪结构如图2所示。主要由单片机、电压电流采样模块、功率因素监测模块、以太网接口模块等组成。完成对电网参数的监测，实现信号处理、数据显示及电网运行状态显示等功能。

2.1 单片机

单片机模块是整个电网监测仪的核心。主要完成两大功能：（1）数据采集处理；（2）实现以太网的接入。将经过电压电流监测模块得到的三相实时电压、三相实时电流和中线电流进行处理；实时监测数据可通过RJ45接口传送以太网，使监控中心及时得到电网的相关参数；同时电网监控软件根据测试参数判断电网运行状况，电压是否越限或老家低等。

单片机选用UBICOM公司8位超高速单片机SX52BD，每秒运行数据能力达1亿次。由于UBICOM单片机的速度极高，能够实现实时多任务操作，可以在MCU执行数据采集和控制功能的同时把数据打包并传送到互联网上。用8位微控制器通过ISP接入互联网，外围器件少，系统成本低。UBICOM单片机属RISC结构，芯片上有Flash程序存储器，可以在安装在系统后进行编程和调试。由于CPU采用并行流水作业方式，执行一条指令只需要一个时钟周期，工作在100MHz时指令执行速度可达100MIPS，所有I/O可以通过编程灵活配置。
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    SX52BD单片机可以轻松地实现虚拟外设的功能。CPU通过执行虚拟软件模块直接驱动普通I/O口实现硬件外设功能（如UART、I2C、SPI、Caller ID、FSK等）。即把许多需要硬件实现的功能接口，借助处理器的高速处理能力，通过编写相应的软件模块实现。UBICOM公司用汇编语言实现以太网TCP/IP协议栈。在外妆一个以太网控制芯片（RTL8019AS）的情况下还可以实现互联网（IEEE802.3）协议处理，使该单片机系统可以直接通过RJ45连到以太网上。

2.2 电压电流采样模块

根据采样信号的不同，可分为直流采样与交流采样两大类。直流采样是把交流电压、电流信号转化为0～5V的直流电压，再送到A/D转换器进行转换。即A/D转换器采样的模拟量为直流信号。它的主要特点是：数据刷新速度快，随着元器件技术的发展，稳定度、精确定大为提高。

交流采样是相对直流采样而言，直接对交流电压和电流波形进行采样，然后通过一定的算法计算出电压、电流的有效值、有功功率、无功功率等。

交流采样对环境温度有一定要求，同时对A/D转换器的转换速度和采样保持器要求较高；为了保证测量精度，一个周期内，必须保证足够的采样点数，而且采样计算程序相对复杂，对CPU要求较高，因此该仪器采用直流采样。其工作原理如图3所示。

2.3 功率因素检测模块

功率因素检测模块有两大功能：（1）判别电压是超前还是滞后电流；（2）判别功率因素大小。具体相关电路如图4所示。是当电压超前电流时，U15B输出为“1”；反之输出为“0”。电压、电流的正弦波形分别经过零比较器后（电路忽略）转换为方波，输入2/4译码电路。译码电路只有当A、B信号为“01”或“10”时，X端口才输出Vref，对积分电流充电；当A、B信号为“00”或“11”时，输出端口为零。而A、B信号为“01”或“10”的时间正是电压、电流相位差的时间。时间越长，对电容C23充电的时间也越长。因此，电容上的电压反映了相位差的大小。CPU经过数据处理可确定功率因素的大小。
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    2.4 以太网接口模块

以太网接口模块选用RealTek公司的RTL8019AS全双工以太网控制器，主要功能是处理以太网协议。它自带16KB的SRAM，并通过RJ5接口与以太网通信。数据的流向为：请求信息从以太网来，通过RJ45送到RTL8019AS，处理后的数据包送入SX52BD协议栈，由协议栈对数据包进行解析，得到原始请求信息。请求信息再经过SX52BD的处理，产生回复信息。回复信息到以太网的过程与上述过程正好相比。

2.5 其它模块电路

EEPROM：CPU通过I2C总线访问EEPROM器件24C256。网页就存储在EEPROM中。EEPROM中的网页内容通过主CPU的读写操作可以实现网页的浏览、重新下载和更新。受容量的限制它不可能存储大量页面。

图4 功率因素检测模块电路图

    时钟模块电路：选用了时钟芯片DS12B887。它可以产生秒、分、时、日、星期、月及年等七个时标。可以通过编程读取和修改这些时标，也可以编程产生定时中断。采用硬时钟，可以不占用单片机的定时器资源，减轻软件设计量。

看门狗电路：电网监测仪的工作环境通常具有强烈的电磁干扰，在工作要求极高的情况下为了防止干扰，引入了看门狗电路。采用MAX813L芯片。该芯片具有监控电路，如果程序在1.6s之内还不给MAX813L“喂狗信号”，它就会产生看门狗输出，系统复位。