基于USB接口電路的遠程電壓監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：電網輸出電壓的監(jiān)測是電業(yè)部門的一項重要工作。由于各變電站之間的距離較遠，組建專用的計算機監(jiān)測網絡需要較多的資金，設備維護也有一定的困難。針對這種情況，用較低的成本開發(fā)出了基于USB接口電路的遠程電壓監(jiān)測系統(tǒng)。USB接口可以連接多個不同的設備，支持熱插拔，并具有自動檢測的功能。介紹了USB接口電路在遠程電壓監(jiān)測系統(tǒng)中的應用。從使用上看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維護方便，滿足了設計要求。
關鍵詞：數據采集；電壓監(jiān)測；USB

0 引言
    電力是國家的重要能源，如果電網電壓不穩(wěn)定，會對工農業(yè)生產、居民生活造成很大影響，為此電業(yè)部門要求定量監(jiān)測電網電壓。電業(yè)部門的管理形式為市供電公司管理下屬各級變電站，由于各變電站之間的距離較遠，組建專用的計算機網絡需要較多的資金，設備維護也有一定的困難。針對這種情況，我們用較低的成本開發(fā)出了基于USB接口電路的遠程電壓監(jiān)測系統(tǒng)。從目前使用上看，設備運行穩(wěn)定，維護方便。

1 系統(tǒng)原理
    目前各級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，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交流信號變壓，得到30 V交流信號，此信號經過硅橋、電容整形為直流信號，經過可變電阻降為10 V直流電壓，通過A／D轉換器采集電壓值，處理芯片對采集的信號進行處理，并將數據存入U盤中。當數據采集一段時間后，將U盤換下，在供電公司將U盤中的數據讀入計算機，完成數據的進一步處理。數據采集由數據采集電路完成，該電路包括A／D轉換器，A／D采用AD574A，數據采集在50 Hz工頻電壓整數倍周期時間內10次采樣，計算出平均值，形成一個測量數據，測得5次測量數據，取3個中間值，以去掉干擾，然后采用滑動平均值方式計算出一個有效數據。監(jiān)測的電壓值由處理芯片進行處理，以2個字節(jié)補碼形式存放在片內內存中，在規(guī)定的時間將一批數據存入U盤。為避免U盤多次使用后出現失效位，在向U盤入2個字節(jié)的數據時，將下一個字節(jié)寫入同樣的數據作為標志，當兩數據相同時，說明是一組有效數據；當兩數據不同時，說明內存單元燒壞，應將此兩單元丟掉。

2 AN2131QC芯片的應用
    USB接口是一種應用在計算機領域的新型接口技術，其目的是用USB來取代計算機現有的各種外圍接口，使外圍設備的連接具有單一化、即插即用、熱插拔、速率高和易擴展等特點。本設計選擇的控制芯片是EZ_USB系列的AN2131QC。此芯片提供了基于RAM的允許無限制設置和升級的解決方案，支持全速USB總線吞吐量的傳輸。在芯片內核中提供大量的輔助指令，簡化了編碼，同時也加快了對USB特性的開發(fā)。芯片的簡化結構如圖2所示。AN213lQC內部有一個核：它由串行接口引擎(SIE)和USB接口兩部分組成。SIE負責和USB收發(fā)器、USB接口進行數據交換，以實現串行數據的編／解碼、差錯控制、位填充等與USB協議相關的功能。

2．1 AN2131QC的功能
    AN2131QC是基于USBl．1的外設通信控制芯片，主要特點：(1)4時鐘周期的8051內核；(2)2個快速存儲器到存儲器的數據傳送指針；(3)擴展的中斷，包含有多個USFB數據傳輸中斷；(4)8 K內部RAM，用于存放程序和數據，支持外部存儲器；(5)靈活的固件程序升級；(6)32個輸入輸出管道，其中同步傳輸支持1 024 B長度數據傳輸；(7)多種固件程序引導方式，方便的固件程序升級辦法。
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)范允許塊傳輸的最大數據包尺寸為8、16、32、64字節(jié)，中斷數據1～64字節(jié)。AN2131QC提供了8個IN端點和8個OUT端點，每一個端點具有最大64字節(jié)的緩沖區(qū)空間。其中第2、4、6個IN和OUT端點可以和它緊接著的端點提供雙緩沖區(qū)，允許8051在處理一個數據包的同時另外一個數據包在USB總線上傳輸，即6個端點對(USBPAIR寄存器)控制雙緩沖。8051在初始化時設置14個端點有效位，并且通知AN213lQC哪一個端點有效。塊數據出現在RAM中，每一個塊端點保留了64字節(jié)的RAM空間，1位計數寄存器，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是否為“忙”。在端點的忙位被設置時，8051不能讀寫端點緩沖區(qū)和字節(jié)計數寄存器。當一個端點為805l操作準備好時，AN2131QC設置一個中斷清求位。AN2131QC向量中斷系統(tǒng)根據端點自動傳輸控制，從中斷服務子程序分離出中斷請求來響應端點請求服務。
    端點O是AN2131QC芯片中唯一的控制端點。AN2131QC提供了2個64字節(jié)的緩沖區(qū)INOBUF和OUTOBUF。另外有一個附加的8字節(jié)緩沖區(qū)，對端點O來說是唯一的，這個緩沖區(qū)保存著在控制傳輸過程中的SETUP階段到達時的數據。中斷傳輸是一種特殊的塊傳輸。AN2131QC控制端點O接收特殊的SETUP令牌，它是一種主機用來處理設備控制信號的傳輸。主機通過端點。發(fā)送一系列標準設備請求表。
2．3 AN2131QC的程序引導
    AN2131QC內部沒有ROM，因此程序只能在上電復位時從外部導入，主要為以下幾個途徑：
    (1)通過驅動程序，CYPRESS公司提供了工具將編譯的固件HEX文件嵌入到驅動程序內，USB外圍設備接入到總線后，主機自動將固件程序寫入到：EZ-USB內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
    主機向外圍USB設備提供的最大電流是500 mA，因此當USB外圍設備電流消耗超過500 mA時，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轉換成3．3 V。
    幾點要說明：
    (1)芯片的5、6、13、14、72腳通過一個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管腳都應通過2．2 kΩ的電阻上拉。
    (3)不能讓WAKEUP管腳懸空。
    (4)將USB+和USB-通過2個24 Ω電阻接到D+和D-端，可以抑制虛噪聲信號和限制環(huán)流。
2．5 AN213lQC的固件程序開發(fā)
    從CYPRESS公司網站，可以下載到“控制面板程序”和驅動程序，也可以得到開發(fā)例程。通過開發(fā)例程，可以總結出開發(fā)自己固件程序的框架，從而可以完成USB外圍設備的開發(fā)。在建立固件程序框架后，根據地址分配，在KEILC51編譯器內設置編譯連接地址，如果選用內部RAM，CODE地址設置為Oxl00，XDATA地址設置為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，電路見圖3。當系統(tǒng)正常工作時，由軟件控制，在短于單穩(wěn)態(tài)T1的定時周期內，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，當單穩(wěn)態(tài)定時時間一到，在2Q輸出端輸出一個負脈沖，使系統(tǒng)復位。

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

4 數據的處理
    數據采集電路在現場工作一段時間、約為lO天后，將U盤取下，通過供電公司的計算機將U盤中的數據讀入，并將U盤的內容清除以備重復使用。數據處理有如下內容，各變電站的日、月電壓合格率統(tǒng)計報表，包括每日、月的上超率、下超率、最大值、出現時間、延續(xù)時間、最小值、出現時間、延續(xù)時間。變電站的日、月電壓運行曲線，供電局季度、年供電統(tǒng)計表等幾部分。在完成變電站的日、月電壓運行曲線時，根據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的方式作出，使得電壓變化曲線直觀、準確。將顯示器上做出的曲線以圖像形式讀入內存，通過變換打出曲線。軟件用Visual basic完成，使用下拉式菜單結構，具有良好的用戶介面。

5 結束語
    由于使用了基于AN2131QC的USB接口電路進行數據傳輸，簡化了控制電路，節(jié)約了資金，從使用上看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維護方便，滿足設計要求。