基于Modbus-RTU協(xié)議的交流電壓峰值表設(shè)計

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)過程中一個非常重要的參數(shù)。為保證用電設(shè)備的安全，對供電電壓的峰值進(jìn)行檢測具有重要意義。測量峰值的方法主要有示波器法、間接計算法、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)場監(jiān)視設(shè)備；間接計算法只適用于標(biāo)準(zhǔn)正弦波，實用性不大；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。針對以上缺點，采用MSP430系列單片機、MAX1270模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，并利用Modbus-RTU 協(xié)議，成功地開發(fā)出了低成本、便攜、智能的峰值表設(shè)備。

1 測量原理

由于供電電網(wǎng)的波動及電網(wǎng)的電壓波形是一種非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其峰值不能通過平均值或有效值間接計算。該系統(tǒng)采用對非標(biāo)準(zhǔn)正弦波在一個周期內(nèi)多次采樣，并通過冒泡法比較采樣值，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)，完全可以得到真實的電壓峰值。我國交流電的頻率為50 Hz，設(shè)計中采樣頻率設(shè)置為10 kHz，即每個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

設(shè)計中，以MSP430F449單片機、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

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、正弦波失真等，電壓峰值很可能超過311 V，這時可根據(jù)工作經(jīng)驗和實測情況，選定一個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)過運放緩沖后作為A／D芯片的輸入，為保護(hù)后級A／D轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)置兩個穩(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，可通過編程實現(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，因此必須附加一個接口芯片，以實現(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)計采用RS 485總線，可通過電纜或光纖將信號有效地遠(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

設(shè)計中，主要的軟件模塊包括A／D轉(zhuǎn)換，Modbus-RTU協(xié)議和串口編程。對于串口編程不再贅述，主要對MAX1270和Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行說明。

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為掉電和時鐘模式選擇位。各位的具體意義請參考MAX1270數(shù)據(jù)手冊。該設(shè)計中，MAX1270設(shè)置為：量程10 V，雙極性輸入(即實現(xiàn)土5 V測量)、外部時鐘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。