【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電流 采樣電路圖 23 電流采樣電路原理圖原理說明：電流通道 I1 (I1+,I1)，從圖中我們可以看到經(jīng) CT 或者分流器后的差分電壓從接口II1+,II1 輸入，經(jīng) 10uH的電感和 1K 的保護(hù)電阻后接入 FE42X 芯片的 I1+和 I1兩引腳。這就是由通道 ESP 中三個(gè)獨(dú)立的 16 位 AD 差分輸入電流通過I1 的采樣電路。電流通道 I2（I2+,I2）的設(shè)計(jì)完全與電流通道 I1 相同。 電壓 采樣電路圖 24 電壓采樣電路原理圖原理說明：電流通道 V1 (V1+,V1)，從圖中我們可以看到經(jīng) CT 或者分流器后的差分電壓從接口IV1+,IV1 輸入，經(jīng) 10uH的電感和 1K 的保護(hù)電阻后接入 FE42X 芯片的 V1+和 V1兩引腳。這就是由通道 ESP 中三個(gè)獨(dú)立的 16 位 AD 差分輸入電流通過V1 的采樣電路。 采樣后電流電壓的處理接下來我們要計(jì)算幾個(gè)電路常數(shù)，這些常數(shù)是電表參數(shù)（如有功電能、無功電能、電流、電壓、頻率、功率因子等）的修正系數(shù)，與計(jì)量電路有關(guān)。結(jié)合圖 22計(jì)量電路原理圖，電路常數(shù)的計(jì)數(shù)如下：電流通道 I1 電路常數(shù) KI1，我們這里選擇 300181。Ω的錳銅分流器作為電流通道 I1 的采樣方式。電流通道 I2 電路常數(shù) KI2，為了說明 ESP 應(yīng)用方便，這個(gè)通道暫時(shí)不用，短接這個(gè)通道，即這個(gè)通道的采樣為 0，這樣電流通道 I1 總是大于電流通道 I2，故始終以電流通道 I1為準(zhǔn)。若電流通道 I2 選用 CT 2500/1，則可得電流通道 I2 電路常數(shù) KI2.電壓通道 V1 電路常數(shù) KV1.當(dāng)進(jìn)入指定的 ESP 模塊中斷時(shí)，我們就可以讀取狀態(tài)寄存器和各電表參數(shù)（如有功電能、無功電能、電流、電壓、頻率、功率因子等），然后用電路常數(shù) KI1,KI2,KV1 對(duì)相應(yīng)的電表參數(shù)進(jìn)行修正，得到真實(shí)的測(cè)量值。（1） 電流有效值的算法實(shí)際電流有效值= IRMS_HI*KV1 = IRMS_HI*在實(shí)際情況中，由于線路和元器件的精度的影響，這個(gè)值與理論值 KV1 有些小的差異，在本例中我們最終使用的系數(shù)為 。（2） 電壓有效值的算法實(shí)際電壓有效值= V1RMS*KV1 = V1RMS*在實(shí)際情況中，由于線路和元器件的精度的影響，這個(gè)值與理論值 KV1 有些小的差異，在本例中我們最終使用的系數(shù)為 。（3） 有功功率有效值的算法本例的有功功率= total_power1 * KI1*KV1= total_power1 * 在實(shí)際情況中，由于線路和元器件的精度的影響，這個(gè)值與理論值 KI1*KV1 有些小的差異，在本例中我們最終使用的系數(shù)為 。 顯示處理圖 25LCD顯示與真值表圖原理說明：LCD 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)液晶顯示器的段信號(hào)和公共信號(hào)。LCD 控制器具有專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器保持段驅(qū)動(dòng)信息。公共信號(hào)和段信號(hào)按照定義的模式產(chǎn)生。外圍模塊支持靜態(tài)，二偏置、三偏置和四偏置電壓模式。LCD通過改變透射率來實(shí)現(xiàn)顯示的，因其本身不發(fā)光，所以功耗極低。大部分液晶會(huì)采用掃描方式驅(qū)動(dòng)減少驅(qū)動(dòng)所需管腳數(shù)目。根據(jù)掃面方式的不同，又分為靜態(tài)、2MUX、3MUX、4MUX等驅(qū)動(dòng)掃描方式。在目前的標(biāo)準(zhǔn)LCD中，靜態(tài)掃描方式和4MUX驅(qū)動(dòng)方式最常見。LCD中每個(gè)段有兩個(gè)電極，靜態(tài)方式下LCD所有段的其中一極全部連在一起，作為公共端（COM端）。另一極對(duì)外引出，每一個(gè)電極對(duì)應(yīng)一段。在MSP430F42X系列單片機(jī)中，最多有32只引腳用于驅(qū)動(dòng)，因此靜態(tài)方式最多只能驅(qū)動(dòng)4位數(shù)字顯示。而4MUX驅(qū)動(dòng)方式增加對(duì)各段掃描步驟，這樣能減少引腳數(shù)量。4MUX驅(qū)動(dòng)中COM公共端變成4個(gè)，掃描也分成4步，每四段公用一只引腳，每增加1位數(shù)字（8段），只需要增加兩只引腳。在MSP430F42X系列單片機(jī)中，32只LCD段驅(qū)動(dòng)引腳在4MUX方式最多能驅(qū)動(dòng)16位數(shù)字顯示，在這大部分應(yīng)用中已經(jīng)足夠用。圖 26 4Mux LCD Controller圖本電路采集電流電壓顯示位精度大概在8位左右，靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式需要64根引線，而本設(shè)計(jì)中單片機(jī)有32根段驅(qū)動(dòng)引線，為了空出一些引腳節(jié)約資源，因此采用的是4MUX驅(qū)動(dòng)方式的LCD顯示器，24根或少于24引線，其結(jié)構(gòu)如圖27顯示電路原理圖所示，它是7位半液晶顯示器。其中COM0~COM3和單片機(jī)的公共端相連；S0~S23與單片機(jī)相應(yīng)的S0~S23相連。由于LCD驅(qū)動(dòng)需要V1~V5的電壓，它由外部分壓電阻通過分壓來提供，具體分壓電路如圖27顯示電路原理圖所示。圖 27顯示電路原理圖4MUX驅(qū)動(dòng)方式的液晶，每4段并聯(lián)在一起共用一根引腳，所以驅(qū)動(dòng)每一位數(shù)字只需要2根段驅(qū)動(dòng)引腳，本設(shè)計(jì)是7位半數(shù)字顯示，因此只需要24根段驅(qū)動(dòng)引腳。雖然LCD控制時(shí)序比較復(fù)雜，但MSP430單片機(jī)內(nèi)部的LCD控制器能通過硬件自動(dòng)地產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)所需的全部時(shí)序。只需要操作LCD控制寄存器即可選擇液晶選擇驅(qū)動(dòng)模式。一旦模式（如本設(shè)計(jì)的4MUX方式）被選定，產(chǎn)生時(shí)序的過程的全自動(dòng)的，無需軟件干預(yù)。對(duì)軟件來說，只需要些顯示緩存區(qū)即可直接控制LCD各段的亮滅。 MODBUS 通信處理圖 28光耦隔離電路圖原理說明：光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。 光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用, 以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。 光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管, 光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無物體的光電開關(guān)。 光電耦合器實(shí)際上是一個(gè)電量隔離轉(zhuǎn)換器, 它具有抗干擾性能和單向信號(hào)傳輸功能, 廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等場(chǎng)合. 485電路處理圖 29 485通信電路圖（1）原理說明：RS485采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，＋2V～＋6V表示“0”， 6V～ 2V表示“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，現(xiàn)在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。在由單片機(jī)構(gòu)成的多機(jī)串行通信系統(tǒng)中，一般采用主從式結(jié)構(gòu)：從機(jī)不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制。并且在一個(gè)多機(jī)通信系統(tǒng)中，只有一臺(tái)單機(jī)作為主機(jī)，各臺(tái)從機(jī)之間不能相互通訊，即使有信息交換也必須通過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。在總線末端接一個(gè)匹配電阻，吸收總線上的反射信號(hào)，保證正常傳輸信號(hào)干凈、無毛刺。匹配電阻的取值應(yīng)該與總線的特性阻抗相當(dāng)。 （2）通信規(guī)則 ：由于RS－485通訊是一種半雙工通訊，發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應(yīng)答的單機(jī)必須在偵聽到總線上呼叫信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完畢，并且沒有其它單機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的情況下，才能應(yīng)答。半雙工通訊對(duì)主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送和接收時(shí)序有嚴(yán)格的要求。如果在時(shí)序上配合不好，就會(huì)發(fā)生總線沖突，使整個(gè)系統(tǒng)的通訊癱瘓，無法正常工作。要做到總線上的設(shè)備在時(shí)序上的嚴(yán)格配合。Modbus 通信協(xié)議一、 協(xié)議簡(jiǎn)介Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(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)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它,不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程,如果回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求,以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí),此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址,識(shí)別按地址發(fā)來的消息,決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng),控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上,包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。儀表使用的是ModBUSRTU通訊協(xié)議，ModBUS協(xié)議詳細(xì)定義了校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)序列等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。ModBUS協(xié)議在一根通訊線上使用主從應(yīng)答式連接（半雙工），這意味著在一根單獨(dú)的通訊線上信號(hào)沿著相反的兩個(gè)方向傳輸。首先，主計(jì)算機(jī)的信號(hào)尋址到一臺(tái)唯一的終端設(shè)備（從機(jī)），然后，終端設(shè)備發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)以相反的方向傳輸給主機(jī)。ModBUS協(xié)議只允許在主機(jī)（PC PLC，等）和終端設(shè)備之間通訊，而不允許獨(dú)立的終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這樣各終端設(shè)備不會(huì)在它們初始化時(shí)占據(jù)通訊線路，而僅限于響應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢信號(hào)。圖210主— 從 查 詢—回 應(yīng)周 期 表（1）查詢 57 查詢消息中的功能代碼告知被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼03是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告知從設(shè)備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯(cuò)誤檢測(cè)域?yàn)閺脑O(shè)備提供了一種驗(yàn)證消息內(nèi)容是否正確的方法。（2）回應(yīng)如果從設(shè)備產(chǎn)生一正常的回應(yīng)，在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)：如寄存器值或狀態(tài)。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯(cuò)誤的，同時(shí)數(shù)據(jù)段包含了描述此錯(cuò)誤信息的代碼。錯(cuò)誤檢測(cè)域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。二、傳輸方式傳輸方式是指一個(gè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)一系列獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及用于傳輸數(shù)據(jù)的有限規(guī)則，下面定義了與ModBUS 協(xié)議 RTU方式相兼容的傳輸方式。每個(gè)字節(jié)的位 1個(gè)起始位 8個(gè)數(shù)據(jù)位，最小的有效位先發(fā)送 無奇偶校驗(yàn)位 1個(gè)停止位錯(cuò)誤檢測(cè)(Error checking)CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）協(xié)議：當(dāng)數(shù)據(jù)幀到達(dá)終端設(shè)備時(shí)，它通過一個(gè)簡(jiǎn)單的“端口”進(jìn)入被尋址到的設(shè)備，該設(shè)備去掉數(shù)據(jù)幀的“信封”（數(shù)據(jù)頭），讀取數(shù)據(jù)，如果沒有錯(cuò)誤，就執(zhí)行數(shù)據(jù)所請(qǐng)求的任務(wù)，然后，它將自己生成的數(shù)據(jù)加入到取得的“信封”中，把數(shù)據(jù)幀返回給發(fā)送者。返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)中包含了以下內(nèi)容：終端從機(jī)地址(Address)、被執(zhí)行了的命令(Function)、執(zhí)行命令生成的被請(qǐng)求數(shù)據(jù)(Data)和一個(gè)校驗(yàn)碼(Check)。發(fā)生任何錯(cuò)誤都不會(huì)有成功的響應(yīng)?；蛘叻祷匾粋€(gè)錯(cuò)誤指示幀。地址（Address）域地址域在幀的開始部分，由一個(gè)字節(jié)（8位二 進(jìn)制碼 ）組成，十進(jìn)制為 0～255，在我們的系統(tǒng)中只使用1~247，其它地址保留。這些位標(biāo)明了用戶指定的終端設(shè)備的地址，該設(shè)備將接收來自與之相連的主機(jī)數(shù)據(jù)。每個(gè)終端設(shè)備的地址必須是唯一的，僅僅被尋址到的終端會(huì)響應(yīng)包含了該地址的查詢。當(dāng)在同一條總線上終