基于Modbus-RTU協(xié)議的交流電壓峰值表設(shè)計(jì)

 摘 要：交流電壓峰值檢測(cè)是工業(yè)用電安全監(jiān)控中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，介紹一種以MSP430F449，MAX1270 和RS 485總線硬件為基礎(chǔ)，基于Modbus-RTU通信協(xié)議的智能交流電壓峰值表測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，且成功應(yīng)用到交流電壓的峰值檢測(cè)中。該系統(tǒng)具備便攜、低功耗等特點(diǎn)，易于與電腦或符合Modbus-RTU協(xié)議的控制器連接，可方便地組建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議；交流電壓峰值；MSP430F449；MAX1270

0 前 言
    交流電壓峰值是指交流電壓的最大值(正峰值)或最小值(負(fù)峰值)，是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)非常重要的參數(shù)。為保證用電設(shè)備的安全，對(duì)供電電壓的峰值進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義。測(cè)量峰值的方法主要有示波器法、間接計(jì)算法、專用峰值表法。利用示波器雖然可直觀地顯示電壓的波形和峰值，但在成本和便攜性上示波器均不能作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視設(shè)備；間接計(jì)算法只適用于標(biāo)準(zhǔn)正弦波，實(shí)用性不大；專用峰值表大都存在體積較大，攜帶不便，且與電腦或控制設(shè)備相連不便的缺點(diǎn)。針對(duì)以上缺點(diǎn)，采用MSP430系列單片機(jī)、MAX1270模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，并利用Modbus-RTU 協(xié)議，成功地開(kāi)發(fā)出了低成本、便攜、智能的峰值表設(shè)備。

1 測(cè)量原理
    由于供電電網(wǎng)的波動(dòng)及電網(wǎng)的電壓波形是一種非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其峰值不能通過(guò)平均值或有效值間接計(jì)算。該系統(tǒng)采用對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)正弦波在一個(gè)周期內(nèi)多次采樣，并通過(guò)冒泡法比較采樣值，得到電壓的最大值或最小值作為其正峰值和負(fù)峰值。顯然只要采樣密度適當(dāng)，完全可以得到真實(shí)的電壓峰值。我國(guó)交流電的頻率為50 Hz，設(shè)計(jì)中采樣頻率設(shè)置為10 kHz，即每個(gè)交流波形周期中采樣200次，足以正確地反映出電壓的變化情況，從而確定電壓的峰值。

2 硬件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)中，以MSP430F449單片機(jī)、MAX1270模／數(shù)轉(zhuǎn)換器為主要器件。前端A／D輸入采用電阻分壓方式將交流電進(jìn)行降壓；采用RS 485芯片作為通信接口芯片，硬件框圖如圖1所示。

2．1 A／D輸入調(diào)理保護(hù)電路設(shè)計(jì)
    以220 V交流電為例，其理論峰值電壓為311 V，但考慮到電網(wǎng)波動(dòng)、正弦波失真等，電壓峰值很可能超過(guò)311 V，這時(shí)可根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)情況，選定一個(gè)電壓值作為電壓可能達(dá)到的最大值，假定為500 V。如果MAX1270的輸入范圍設(shè)置為±5 V，則分壓電阻的分壓比應(yīng)設(shè)置為100：1。分壓后的電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放緩沖后作為A／D芯片的輸入，為保護(hù)后級(jí)A／D轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)置兩個(gè)穩(wěn)壓二極管組成限幅電路。輸入調(diào)理電路如圖2所示。

2．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換電路采用MAX1270芯片，MAX1270是8通道、多量程雙極性輸入、串行輸出、逐次逼近型12位A／D轉(zhuǎn)換器，最高采樣率為110 kS／s。在單+5 V電源供電下，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)±5 V，±1O V，5 V，10 V量程。其中，雙極性輸入十分適合作為交流電壓測(cè)量。
    MAX1270轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，由MSP430F449的I／O口線控制MAX1270的串行接口。由于MAX1270在5 V電壓供電下，輸出4．5 V以上高電平，而MSP430F449的I／O口電平為3．3 V，因此必須附加一個(gè)接口芯片，以實(shí)現(xiàn)5～3．3 V的電平轉(zhuǎn)換，這里采用MAX3001雙向電平轉(zhuǎn)換芯片。A／D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2．3 RS 485接口電路
    該設(shè)計(jì)采用RS 485總線，可通過(guò)電纜或光纖將信號(hào)有效地遠(yuǎn)傳上千米，配合Modbus-RTU協(xié)議，可方便地與符合Modbus-RTU協(xié)議的控制設(shè)備連接。設(shè)計(jì)中采用MAX3485芯片作為RS 485接口芯片，電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)中，主要的軟件模塊包括A／D轉(zhuǎn)換，Modbus-RTU協(xié)議和串口編程。對(duì)于串口編程不再贅述，主要對(duì)MAX1270和Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行說(shuō)明。
3．1 MAX1270編程
    MAX1270的控制字格式如表1所示，最高START為起始位，保持為“1”；SEL2～SEL0為輸入通道選擇位；RNG，BIP分別為量程和極性選擇位；PD1和PD0為掉電和時(shí)鐘模式選擇位。各位的具體意義請(qǐng)參考MAX1270數(shù)據(jù)手冊(cè)。該設(shè)計(jì)中，MAX1270設(shè)置為：量程10 V，雙極性輸入(即實(shí)現(xiàn)土5 V測(cè)量)、外部時(shí)鐘25 CLK／s正常操作模式，使用通道CH0作為輸入通道，控制字的格式為10000101。

3．2 Modbus-RTU協(xié)議
    Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其他設(shè)備之間可以通信。Modbus -RTU是Modbus協(xié)議的一種傳輸模式，在該模式下，消息中的每個(gè)8 b包含2個(gè)4 b的16進(jìn)制字符。Mod-bus協(xié)議的核心程序是CRC校驗(yàn)程序的編寫(xiě)。該系統(tǒng)中采用CRC-16校驗(yàn)法，具體程序?qū)崿F(xiàn)如下：

3．3 其他重要子程序
    程序中采用定時(shí)器中斷觸發(fā)每次采樣，保證采集周期的精度，同時(shí)每次采集時(shí)都以過(guò)零點(diǎn)作為采集數(shù)據(jù)的開(kāi)始。這兩點(diǎn)都有利于提高系統(tǒng)精度。

4 測(cè)試結(jié)果
    通過(guò)施加標(biāo)準(zhǔn)正弦波、非標(biāo)準(zhǔn)正弦波、三角波測(cè)試，可使該表的峰值測(cè)量精度高于1級(jí)，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電檢測(cè)的需求。該表與工控組態(tài)軟件MCGS配合，工作良好。此外，該表除了測(cè)量峰值以外，還擴(kuò)展了電壓平均值、有效值的計(jì)算，設(shè)計(jì)成一個(gè)具有多功能的智能儀表。

5 結(jié) 語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)以MSP430F449單片機(jī)、MAX1270為核心，編寫(xiě)了Modbus-RTU協(xié)議，同時(shí)利用RS 485接口可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳或與符合Modbus_RTU協(xié)議的設(shè)備相連，該表的體積小，功耗低，可使用于電池或蓄電池供電，非常適合作為編攜式設(shè)備，隨身攜帶，也可作為功能模塊直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)供電電壓峰值、有效值等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。