【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng) 數(shù)據(jù)存儲器 24C16 一、 24C16說明 在本設(shè)計中，數(shù)字功率表的系統(tǒng)很小，所要存儲的數(shù)據(jù)比較小，所以 我選用了串行 6 E2PPOM 24C16 片外存儲器。原因在于系統(tǒng)掉電后它所存儲的數(shù)據(jù)并不消失，并且與單片機連接的管腳也比較少 ,一定的程度上可以節(jié)約系統(tǒng)的硬件資源。當(dāng)然它也有一定的不足，就是在軟件編程時比較麻煩。 24C16 是一個 16K 位串行 CMOS E2PROM，內(nèi)部含有 2048 個 8 位字節(jié)， CATALYST 公司具有先進的 CMOS 技術(shù) ，其 實質(zhì)上 是 器件的功耗 得到 了減少。 24C16 具 有一個 16 字節(jié)頁 的寫緩沖器， 該緩沖器是 通過 I2C總線 的 接口 來完成 操作 的 ，另外還 具 有一個 特定 功能的寫保護 引腳 。 24C16 引腳圖如圖 3 引腳功能如下表 31 所示： V C C8S D A5S C L6W P7G N D4A 23A 12A 012 4 C 1 6 圖 32 24C16 引腳圖 表 31 24C16引腳功能 管腳名稱 功能 A0、 A A2 器件地址選擇 SDA 串行數(shù)據(jù) /地址 SCL 串行時鐘 WP 寫保護 Vcc + 到 工作電壓 Vss 地 二、 24C16的功能描述 24C16 支持 I2C總線數(shù)據(jù) 的很多 傳送協(xié)議， I2C 總線規(guī)定， 任意一個把 數(shù)據(jù)傳送到 I2C總線的器件 叫做 發(fā)送器。任 意一個 從 I2C 總線接收數(shù)據(jù)的器件 叫做 接收器。數(shù)據(jù) 的 傳送是由產(chǎn)生 的 串行時鐘 信號以及 所有起始 信號、 停止信號的主器件 來 控制的。 任意一個 主器件 或者 從器件都 能稱為 發(fā)送器或 者 接收器，但傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式 是 由主器件 來 控制。 三、 24C16的時序描述 1． 24C16 的起始信號： 時鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線電平從高到低的跳變作為 24C16 的起始信號。 2． 24C16 的停止信號： 7 時鐘線為高電平期間，數(shù)據(jù)線電平從低到高的跳變作為 24C16 的停止信號。 24C16 的起始、停止時序如下圖 33 所示： 圖 33 起始、停止時序圖 四、 24C16的尋址過程描述 主器件發(fā)送一個起始信號來啟動發(fā)送過程，然后再發(fā)送它所需要尋址的控制命令字（從器件的地址），該控制命令字的高 4 位固定為 1010， A A A0作 為器件的地址位，用來定義 哪個器件以及器件的哪一個部分被主器件訪問，而讀寫控制位 是由該 控制字的最低位 來控制的 ?！?1”表示對控制字進行讀 的 操作，“ 0”表示對控制字進行寫 的 操作。接下來主器件 的 發(fā)送 首先 要訪問從器件的地址，在起始信號 被 主器件發(fā)送和地址字節(jié) 被從器件 發(fā)送 后， 當(dāng) 24C16 監(jiān)視總線 的 地址 和 從 器件 發(fā)送的地址 一致 時 ， 24C16 會產(chǎn)生 一個響應(yīng) 的 應(yīng)答 的 信號（通過 SDA 線）。 24C16 再 依 據(jù)讀寫 的 控制位（ R/W）的狀態(tài)進行讀或?qū)懖僮鳌? 24C16 在系統(tǒng)電路中的接法如 34 圖所示。 Y 111.059C 23 0 pR 1 21 0 kE A / V P3 1X 11 9X 21 8R E S E T9R D1 7W R1 6I N T 01 2I N T 11 3T 01 4T 11 5P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 03 9P 0 13 8P 0 23 7P 0 33 6P 0 43 5P 0 53 4P 0 63 3P 0 73 2P 2 02 1P 2 12 2P 2 22 3P 2 32 4P 2 42 5P 2 52 6P 2 62 7P 2 72 8P S E N2 9A L E / P3 0T X D1 1R X D1 0U 18 0 5 1+ 5C 33 0 pC 110U+ 5R S TR DR / WP 3 . 2P 3 . 3R SP 3 . 4S 1V C C8S D A5S C L6W P7G N D4A 23A 12A 012 4 C 1 6R 61 0 kR 2 81 0 kR 2 91 0 k+ 5+ 5 圖 34 24C16在系統(tǒng)電路中接法 8 系統(tǒng)的前向通道 每個系統(tǒng)都有自己的輸入信號，不然整個系統(tǒng)都是失敗的，所以在本次設(shè)計的單片機控制系統(tǒng)中，必須有被測電信號的輸入通道，即前向通道，以此來采集必要的輸入信息。下面是講述本次系統(tǒng)前向通道的構(gòu)成及接口。 電壓、電流采樣的前置電路 由于本系統(tǒng)測量電壓的有效值范圍是 0V 到 300V，電流有效值的范圍是 0A到 5A，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣電壓僅僅為 0 到 5V 的直流電壓，所以在硬件上需要設(shè)計電壓和電流的前置通道完成強電到弱電的轉(zhuǎn)換。即 外部電壓或電流先經(jīng)過互感電路變換、整流電路整流、分壓電路分壓最后才可以被模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣。 一、電壓采樣 將 0300V 的交流電壓轉(zhuǎn)換成較小的電壓，此時采用 TVA142101 型電壓互感器來實現(xiàn)。該器件的原理是電流型電壓互感器，即二次測輸出的電流與輸入的電壓成正比，所以二次測不能開路，使用時在二次測接入采樣電阻，采樣電阻取 500 歐姆時，由于輸出電流等于輸入電流，所以采樣電阻兩端的電壓即為 01V。電壓采樣電路如圖 35 所示。 R 1 150 kUS 1US 2電壓采集R 35000 300 vGNDUDT 1TVA 1421 011 V2 mA 2 mA 圖 35 電壓采樣電路圖 二、電流采樣 由于流過用電設(shè)備的交流電流通常比較大，所以應(yīng)該把它按比列的衰減成一個安全的同特性、不失真的交流小信號。采樣電流為 5A 的交流電，所以選擇 TVA142101 型電流互感器來實現(xiàn)。 TVA142101 型電流互感器中間有一個通孔，應(yīng)用時可將待測電線穿過此孔，它輸出的小信號電流也是與輸入的電流成線性比例的，使用時在二次端串接電阻，即可采樣到電壓。 TVA142102 型作為電流互感器時，額定電壓為 9A 時，輸出額定電流為 6mA,故額定輸入電流 5A 時，則額定輸出電流為 ，此時采樣電阻選用 300 歐姆，二次測輸出電壓為 01V。下面為電流采樣電路圖 36。 9 T 2T V A 1 4 2 1 0 2I P 2I P 1電 流 采 集R 53 0 0G N DI D0 5 A3 . 3 3 m A1 V 圖 36 電流采樣電路 三、信號處理分析 該模塊主要是將電壓電流采樣模塊采樣到的交流電壓信號進行整流和平波處理，使其能被 A/D轉(zhuǎn)換模塊可接收的 05V直流電壓信號。下面是電壓采集信號處理電路（圖 37）和電流采集信號處理電路（圖 38）。 567U 2 BLM 35832184U 2 ALM 358R 283 KR2310KR 2210 KR 2110 KR 2010 KD5C 9204C84.7uFW 520 K+ 5UD IN 1R 210 K電壓信號處理電路 圖 37 電壓采集信號處理電路 由電壓采樣可知，互感器變換后電壓 UD 為 01V，經(jīng)運算放大器放大 5倍，在經(jīng)過整流、濾波、分壓后，可得到 05V的交流電壓。 10 567I 2 BLM 35832184I 2 ALM 358R 283 KR2310KR 2210 KR 21 10 KR 20 10 KD5C 9204C84.7uFW 520 K+ 5ID IN 2R 910 K電流信號處理電路 圖 38 電流信號處理電路 由電流采樣電路可知，經(jīng)互感器變換后電流為 ，電壓 1V，調(diào)節(jié)反饋電阻 W5將電壓放大 5 倍，在經(jīng)過整流、濾波、分壓后，可得到 05V 的交流電壓。 由于交流電壓或交流電流信號經(jīng)互感器變換后電壓值比較小，所以應(yīng)先將電壓電流值放大再經(jīng)過二極管整 流電路進行整流，得到 010V 范圍內(nèi)的直流電壓，因為模數(shù)轉(zhuǎn)換器只接收 05V的直流電壓，所以要通過電阻進行分壓。在處理信號時，要保護測量設(shè)備，所以在信號送入 TLC1543 之前并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管以對直流電壓信號進行穩(wěn)壓，確保輸出電壓在 05V以內(nèi)的范圍，經(jīng)過上面一系列的處理得出的電壓值才能與電路的真實值相等。電壓（或者電流）量程的自動轉(zhuǎn)換則通過軟件來實現(xiàn)，關(guān)于量程轉(zhuǎn)換將在第四章軟件設(shè)計中具體介紹，在此就不再敘述。 相位角測量的前置電路 利用過零點來測量電壓、電流的相位差。對于某一正弦信號，都會出現(xiàn) 周期性的出現(xiàn)過零點，我們只要測出過零點的時間就可以得出電壓、電流的相位差。 該電路主要由限幅電路、過零檢測器和光電耦合器組成。在前面一節(jié)中，對于電壓與電流的采集，我們是通過互感器來獲得的，在本節(jié)中我還是采用互感器來獲得電壓電流的真實值。當(dāng)電路電壓或電流通過互感器變換后的采樣電壓或電流值大于 0 時，則 1點（ 7 點）的電位小于零，發(fā)光二極管導(dǎo)通，使光電耦合器作用導(dǎo)致 輸出低電平。當(dāng)電壓（電流）的負半軸經(jīng)過零點時， 1 點（ 7 點）的電位大于零且近似為 5V，這個時候發(fā)光二極管不導(dǎo)通，使得光電耦合器不作用 輸出為 高電平。由于已知本系統(tǒng)所測量的電路頻率主要為 50HZ 的交流電，在系統(tǒng)中電壓接入 INT0（單片機的 管腳），電流接入 INT1（單片機的 管腳），這樣根據(jù)電壓和電流過零的時間差，再通過軟件編程我們可以計算出電壓和電流之間相差的相位角，從而滿足了設(shè)計要求。由此可看出在這個電路中光電耦合器有兩種作用：電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換。 11 R 1 81 0 kR 1 91 0 kU 5D 1 21 0 VD 1 01 0 VR 2 15 . 1 kR 2 03 0 0+ 5 + 5P 3 . 2G N DU DG N DR 2 41 0 kR 2 51 0 kU 6D 1 61 0 VD 1 51 0 VR 2 75 . 1 kR 2 63 0 0+ 5 + 5P 3 . 3G N DI DG N D電 壓 相 位 角 測 量電 流 相 位 角 測 量32184U 2 AL M 3 5 8+ 5567U 2 BL M 3 5 8+ 5 圖 39 相位角測量電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 信號處理后出來的是模擬量，而單片機接收的信號 只是數(shù)字量，所以 A/D 轉(zhuǎn)換電路是功率測量中必不可少的一部分。本次設(shè)計選用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片作為處理器，在此選擇有 11 路模擬量輸入的 TLC1543 轉(zhuǎn)換器，因為 TLC1543 不僅轉(zhuǎn)換時間很快、采樣的精度高而且使用單片機 I/O 接口少，完全可以滿足系統(tǒng)的測量要求。為了 TLC1543 轉(zhuǎn)換器能可靠的運行，需要對其各個控制端進行學(xué)習(xí)。 一、 TLC1543 簡介 （ 1） TLC1543 是 20腳封裝的 CMOS 芯片 ，也是 10 位開關(guān)電容 按 逐次逼近 的方法進行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 的轉(zhuǎn)換 器。 TLC1543 引腳圖如圖 310 所示。 （ 2）輸入端有三個和 三態(tài)輸出端 有 一個：片選（ CS）、輸入 /輸出時鐘（ I/O CLOCK）、地址輸入端（ ADDRESS）以及數(shù)據(jù)輸出端（ DATA OUT）。 具有一個 四線接口 ， 可以直接與主處理器或其他 的 外圍串行口進行高速數(shù)據(jù)傳輸。 （ 3）片內(nèi) 部 含有 一個 14路 多路 的 選擇器， 可供選擇的有：在 11 個輸入中的 可以選擇 1個 ，在 內(nèi)部 含有 3 個 帶有 自測試 的 電壓 可以選擇一個 。 （ 4）片內(nèi) 還 設(shè)有自動采樣 的 保持電路。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時， EOC 輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。 （ 5）系統(tǒng) 的 時鐘 應(yīng)在 片內(nèi)產(chǎn)生 并 且 與 I/O CLOCK 同步。 （ 6）片內(nèi) 設(shè)有 轉(zhuǎn)換器 ， 使該器 件具有 以下特點： 高速（單次轉(zhuǎn)換 的 時間 10us）、高精度（ 10 位 的 分辨率、最大 +LSB 線性 的 誤差）和低噪聲。 12 A 01A 12A 23A 34A 45A 56A 67A 78A 89