基于USB接口電路的遠(yuǎn)程電壓監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：電網(wǎng)輸出電壓的監(jiān)測是電業(yè)部門的一項(xiàng)重要工作。由于各變電站之間的距離較遠(yuǎn)，組建專用的計(jì)算機(jī)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需要較多的資金，設(shè)備維護(hù)也有一定的困難。針對(duì)這種情況，用較低的成本開發(fā)出了基于USB接口電路的遠(yuǎn)程電壓監(jiān)測系統(tǒng)。USB接口可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，支持熱插拔，并具有自動(dòng)檢測的功能。介紹了USB接口電路在遠(yuǎn)程電壓監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。從使用上看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，滿足了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；電壓監(jiān)測；USB

0 引言
    電力是國家的重要能源，如果電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活造成很大影響，為此電業(yè)部門要求定量監(jiān)測電網(wǎng)電壓。電業(yè)部門的管理形式為市供電公司管理下屬各級(jí)變電站，由于各變電站之間的距離較遠(yuǎn)，組建專用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)需要較多的資金，設(shè)備維護(hù)也有一定的困難。針對(duì)這種情況，我們用較低的成本開發(fā)出了基于USB接口電路的遠(yuǎn)程電壓監(jiān)測系統(tǒng)。從目前使用上看，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便。

1 系統(tǒng)原理
    目前各級(jí)變電站配出的電壓有10 kV，4．6 kV，380 V等多種形式。這些不同的電壓通過變壓在變電站以220 V出現(xiàn)，供變電站來監(jiān)測配電電壓的變化。我們通過這些220 V低電壓來監(jiān)測各種高電壓。硬件電路如圖1所示。變壓器T將220 V交流信號(hào)變壓，得到30 V交流信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過硅橋、電容整形為直流信號(hào)，經(jīng)過可變電阻降為10 V直流電壓，通過A／D轉(zhuǎn)換器采集電壓值，處理芯片對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤中。當(dāng)數(shù)據(jù)采集一段時(shí)間后，將U盤換下，在供電公司將U盤中的數(shù)據(jù)讀入計(jì)算機(jī)，完成數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)采集電路完成，該電路包括A／D轉(zhuǎn)換器，A／D采用AD574A，數(shù)據(jù)采集在50 Hz工頻電壓整數(shù)倍周期時(shí)間內(nèi)10次采樣，計(jì)算出平均值，形成一個(gè)測量數(shù)據(jù)，測得5次測量數(shù)據(jù)，取3個(gè)中間值，以去掉干擾，然后采用滑動(dòng)平均值方式計(jì)算出一個(gè)有效數(shù)據(jù)。監(jiān)測的電壓值由處理芯片進(jìn)行處理，以2個(gè)字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在片內(nèi)內(nèi)存中，在規(guī)定的時(shí)間將一批數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤。為避免U盤多次使用后出現(xiàn)失效位，在向U盤入2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，將下一個(gè)字節(jié)寫入同樣的數(shù)據(jù)作為標(biāo)志，當(dāng)兩數(shù)據(jù)相同時(shí)，說明是一組有效數(shù)據(jù)；當(dāng)兩數(shù)據(jù)不同時(shí)，說明內(nèi)存單元燒壞，應(yīng)將此兩單元丟掉。

2 AN2131QC芯片的應(yīng)用
    USB接口是一種應(yīng)用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，其目的是用USB來取代計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的各種外圍接口，使外圍設(shè)備的連接具有單一化、即插即用、熱插拔、速率高和易擴(kuò)展等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選擇的控制芯片是EZ_USB系列的AN2131QC。此芯片提供了基于RAM的允許無限制設(shè)置和升級(jí)的解決方案，支持全速USB總線吞吐量的傳輸。在芯片內(nèi)核中提供大量的輔助指令，簡化了編碼，同時(shí)也加快了對(duì)USB特性的開發(fā)。芯片的簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示。AN213lQC內(nèi)部有一個(gè)核：它由串行接口引擎(SIE)和USB接口兩部分組成。SIE負(fù)責(zé)和USB收發(fā)器、USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的編／解碼、差錯(cuò)控制、位填充等與USB協(xié)議相關(guān)的功能。

2．1 AN2131QC的功能
    AN2131QC是基于USBl．1的外設(shè)通信控制芯片，主要特點(diǎn)：(1)4時(shí)鐘周期的8051內(nèi)核；(2)2個(gè)快速存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送指針；(3)擴(kuò)展的中斷，包含有多個(gè)USFB數(shù)據(jù)傳輸中斷；(4)8 K內(nèi)部RAM，用于存放程序和數(shù)據(jù)，支持外部存儲(chǔ)器；(5)靈活的固件程序升級(jí)；(6)32個(gè)輸入輸出管道，其中同步傳輸支持1 024 B長度數(shù)據(jù)傳輸；(7)多種固件程序引導(dǎo)方式，方便的固件程序升級(jí)辦法。
2．2 AN2131QC的USB傳輸
    AN213lQC的USB傳輸分為塊傳輸、控制傳輸和中斷傳輸。USB規(guī)范允許塊傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包尺寸為8、16、32、64字節(jié)，中斷數(shù)據(jù)1～64字節(jié)。AN2131QC提供了8個(gè)IN端點(diǎn)和8個(gè)OUT端點(diǎn)，每一個(gè)端點(diǎn)具有最大64字節(jié)的緩沖區(qū)空間。其中第2、4、6個(gè)IN和OUT端點(diǎn)可以和它緊接著的端點(diǎn)提供雙緩沖區(qū)，允許8051在處理一個(gè)數(shù)據(jù)包的同時(shí)另外一個(gè)數(shù)據(jù)包在USB總線上傳輸，即6個(gè)端點(diǎn)對(duì)(USBPAIR寄存器)控制雙緩沖。8051在初始化時(shí)設(shè)置14個(gè)端點(diǎn)有效位，并且通知AN213lQC哪一個(gè)端點(diǎn)有效。塊數(shù)據(jù)出現(xiàn)在RAM中，每一個(gè)塊端點(diǎn)保留了64字節(jié)的RAM空間，1位計(jì)數(shù)寄存器，2位控制和狀態(tài)寄存器。8051能讀取狀態(tài)寄存器中的一位來決定端點(diǎn)是否為“忙”。在端點(diǎn)的忙位被設(shè)置時(shí)，8051不能讀寫端點(diǎn)緩沖區(qū)和字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器。當(dāng)一個(gè)端點(diǎn)為805l操作準(zhǔn)備好時(shí)，AN2131QC設(shè)置一個(gè)中斷清求位。AN2131QC向量中斷系統(tǒng)根據(jù)端點(diǎn)自動(dòng)傳輸控制，從中斷服務(wù)子程序分離出中斷請求來響應(yīng)端點(diǎn)請求服務(wù)。
    端點(diǎn)O是AN2131QC芯片中唯一的控制端點(diǎn)。AN2131QC提供了2個(gè)64字節(jié)的緩沖區(qū)INOBUF和OUTOBUF。另外有一個(gè)附加的8字節(jié)緩沖區(qū)，對(duì)端點(diǎn)O來說是唯一的，這個(gè)緩沖區(qū)保存著在控制傳輸過程中的SETUP階段到達(dá)時(shí)的數(shù)據(jù)。中斷傳輸是一種特殊的塊傳輸。AN2131QC控制端點(diǎn)O接收特殊的SETUP令牌，它是一種主機(jī)用來處理設(shè)備控制信號(hào)的傳輸。主機(jī)通過端點(diǎn)。發(fā)送一系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求表。
2．3 AN2131QC的程序引導(dǎo)
    AN2131QC內(nèi)部沒有ROM，因此程序只能在上電復(fù)位時(shí)從外部導(dǎo)入，主要為以下幾個(gè)途徑：
    (1)通過驅(qū)動(dòng)程序，CYPRESS公司提供了工具將編譯的固件HEX文件嵌入到驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)，USB外圍設(shè)備接入到總線后，主機(jī)自動(dòng)將固件程序?qū)懭氲剑篍Z-USB內(nèi)RAM，完成枚舉和重枚舉。
    (2)通過外部12CE2PROM。將固件HEX文件通過“HEX2BIX-I-B2(TARGET)．IIC(SOURCE)．HEX”命令轉(zhuǎn)換成IIC文件，用編程器或者“控制面板程序”寫入到I2C器件。I2C器件選用24LC64A或者24AA64，將其A0管腳上拉到高電平，A1，A2接地。
    (3)采用外部FLASHIROM和RAM。固件程序如果大于4 K，那么就要考慮用這種方式，注意EA上拉到高電平。
2．4 AN2131QC的電路配置
    主機(jī)向外圍USB設(shè)備提供的最大電流是500 mA，因此當(dāng)USB外圍設(shè)備電流消耗超過500 mA時(shí)，需外接電源。AN2131QC的工作電壓是3．3 V，可以通過LDO芯片將5 V轉(zhuǎn)換成3．3 V。
    幾點(diǎn)要說明：
    (1)芯片的5、6、13、14、72腳通過一個(gè)1 kΩ電阻接地，主要用于上電測試。
    (2)無論I2C總線是否外接有器件，SCL和SDA管腳都應(yīng)通過2．2 kΩ的電阻上拉。
    (3)不能讓W(xué)AKEUP管腳懸空。
    (4)將USB+和USB-通過2個(gè)24 Ω電阻接到D+和D-端，可以抑制虛噪聲信號(hào)和限制環(huán)流。
2．5 AN213lQC的固件程序開發(fā)
    從CYPRESS公司網(wǎng)站，可以下載到“控制面板程序”和驅(qū)動(dòng)程序，也可以得到開發(fā)例程。通過開發(fā)例程，可以總結(jié)出開發(fā)自己固件程序的框架，從而可以完成USB外圍設(shè)備的開發(fā)。在建立固件程序框架后，根據(jù)地址分配，在KEILC51編譯器內(nèi)設(shè)置編譯連接地址，如果選用內(nèi)部RAM，CODE地址設(shè)置為Oxl00，XDATA地址設(shè)置為Oxl200。

3 輔助電路
    看門狗電路用來防止系統(tǒng)因干擾造成的死機(jī)，電路見圖3。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，由軟件控制，在短于單穩(wěn)態(tài)T1的定時(shí)周期內(nèi)，通過805l的P3．1腳向其發(fā)觸發(fā)脈沖，使其工作在暫穩(wěn)態(tài)，1Q保持低電平。一旦系統(tǒng)工作不正常，當(dāng)單穩(wěn)態(tài)定時(shí)時(shí)間一到，在2Q輸出端輸出一個(gè)負(fù)脈沖，使系統(tǒng)復(fù)位。

    鍵盤、顯示電路，該電路完成電路各種狀態(tài)的設(shè)定及顯示。按鍵共有UBS傳輸停止、時(shí)間設(shè)定、狀態(tài)設(shè)定、+、-等鍵。通過74LS237與處理芯片相連。單片機(jī)使用查尋方式檢測按鍵狀態(tài)。顯示電路由4片數(shù)碼組成。

4 數(shù)據(jù)的處理
    數(shù)據(jù)采集電路在現(xiàn)場工作一段時(shí)間、約為lO天后，將U盤取下，通過供電公司的計(jì)算機(jī)將U盤中的數(shù)據(jù)讀入，并將U盤的內(nèi)容清除以備重復(fù)使用。數(shù)據(jù)處理有如下內(nèi)容，各變電站的日、月電壓合格率統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括每日、月的上超率、下超率、最大值、出現(xiàn)時(shí)間、延續(xù)時(shí)間、最小值、出現(xiàn)時(shí)間、延續(xù)時(shí)間。變電站的日、月電壓運(yùn)行曲線，供電局季度、年供電統(tǒng)計(jì)表等幾部分。在完成變電站的日、月電壓運(yùn)行曲線時(shí)，根據(jù)測得的電壓值在顯示器上以二階方程形式平滑顯示，通過向顯示器上置點(diǎn)的方式作出，使得電壓變化曲線直觀、準(zhǔn)確。將顯示器上做出的曲線以圖像形式讀入內(nèi)存，通過變換打出曲線。軟件用Visual basic完成，使用下拉式菜單結(jié)構(gòu)，具有良好的用戶介面。

5 結(jié)束語
    由于使用了基于AN2131QC的USB接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，簡化了控制電路，節(jié)約了資金，從使用上看，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，滿足設(shè)計(jì)要求。