【正文】 機所需的一切數(shù)據(jù)，也可以只傳送單片機系統(tǒng) 診斷的結(jié)果。 現(xiàn)代在線監(jiān)視系統(tǒng)（）包括以下基本單元：傳感器、單片機系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、上位監(jiān)控機系統(tǒng)。各部分的功能如下：傳感器：將各種各樣的物理量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電氣量。單片機系統(tǒng)：除濾波環(huán)節(jié)和信號放大環(huán)節(jié)外、諸如A/D環(huán)節(jié)、MCU、SPI接口、UART接口都屬于單片機的功能模塊，給設(shè)計帶來了極大的便利，同時也提供了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。通訊系統(tǒng)：現(xiàn)場總線是聯(lián)接單片機系統(tǒng)和上位監(jiān)控機的數(shù)據(jù)傳輸線路，目前工業(yè)現(xiàn)場較為常用的通信總線有CAN和RS422/485，在該設(shè)計中我們選用了RS485接口。上位監(jiān)控機系統(tǒng)：對下位單片機通過通訊接口傳送來的實時數(shù)據(jù)，通過高級軟件進(jìn)行分析；對下位單片機通過通訊接口傳送來的診斷結(jié)果進(jìn)行顯示或者報警；通過通訊接口對下位單片機傳送諸如命令、時鐘、定值數(shù)據(jù)等。 新一代單片機MSP430簡介 在本設(shè)計中，我們選用了TI 公司新近推出的新一代功能強大的MSP430系列單片機，該系列單片機具有如下特點[10] ： （1）超低功耗，典型功耗是：，活動模式為250μA，且具有5種節(jié)能工作方式。 （2）高效16位RISCCPU，27條指令，8MHz 時鐘頻率時指令周期時間125ns，絕大多數(shù)指令一個時鐘周期完成，32kHz時鐘頻率時16位MSP430單片機的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機20MHz時鐘頻率時的執(zhí)行速度。 （3）低電壓供電、寬工作電壓范圍：～。 （4）12位8路A/D、內(nèi)部基準(zhǔn)源、采樣保持和自動掃描。 （5）兩個16位定時器，帶捕獲功能。 （6）片內(nèi)2kRAM、60kflashROM。 （7）靈活的時鐘系統(tǒng)（兩個外部時鐘和一個內(nèi)部時鐘）。 （8）低時鐘頻率可實現(xiàn)高速通信。 （9）串行在線編程能力，無需外加編程電壓，帶有密碼鎖。 （10）強大的中斷功能。 （11）喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需6μs。 （12）ESD保護(hù)，抗干擾力強。 基于以上特點，MSP430系列單片機在便攜式儀表、智能傳感器、實用檢測儀器、電機控制、家庭自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用較為便捷。MSP430產(chǎn)品系列可以提供多種存儲器容量組合的選擇，從14位ADC到LCD驅(qū)動電路的混合信號外設(shè)，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，簡化了各類應(yīng)用的電路設(shè)計。且集成時鐘、集成LCD驅(qū)動電路、集成A/D使硬件簡化，所需外部元件極少。所以，與傳統(tǒng)單片機相比較MSP430單片機具有較高的性能價格比。用Flash或OTP型可快速制作樣機、用Flash型可作現(xiàn)場更新，且容易學(xué)習(xí)和設(shè)計程序，從而加快產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短開發(fā)周期。 在本論文中涉及的器件中，我們選擇了MSP430 系列單片機中MSP430F149一款。該芯片具有：2k字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器，一般的設(shè)計不需要擴展內(nèi)存，且該2KB 的RAM在芯片內(nèi)部，故易于實現(xiàn)高速存取。60k字節(jié)FlashROM程序存儲器，存一般的程序都非常寬余。存儲器空間采用馮紐曼(vonNeumann)結(jié)構(gòu)。P1～P6：6個八位雙向多功能口，引腳復(fù)用，即每個口都可以設(shè)置口方式或者模塊方式，其中，PP2的全部引腳具有外中斷功能，可響應(yīng)16個中斷源。兩個UART接口不需要擴展可以同時和兩個計算機同時通信。兩個SPI接口，可用來擴展串行接口芯片和單元。15種中斷源；12個工作寄存器；兩個具有捕獲功能的AB7 定時器；一個看門狗定時器；一個模擬信號比較器。一個硬件乘法器能完成88，816，168，1616 四種運算，使乘法指令的執(zhí)行時間大大縮短。包含了一個具有八個外部通道的12 位高性能A/D 轉(zhuǎn)換器（A/D 轉(zhuǎn)換器的速度可高達(dá)200KHz），一般的設(shè)計其精度、速度、路數(shù)都已經(jīng)夠用，不需要外部擴展。利用芯片內(nèi)置的自動掃描功能，A/D 轉(zhuǎn)換器可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨立工作，并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)自動存入緩沖區(qū)。這樣，中央處理器的工作負(fù)擔(dān)就大為減輕。除此之外，內(nèi)置的參考電壓源（、）、時鐘、溫度傳感器以及電池低壓時的檢測電路可以減少外部器件數(shù)目，并且降低系統(tǒng)的整體成本。 各功能模塊設(shè)計 該監(jiān)測系統(tǒng)電路模塊包括：模擬量輸入環(huán)節(jié)，開關(guān)量輸入環(huán)節(jié)，位移量輸入環(huán)節(jié)，開關(guān)量輸出環(huán)節(jié)，通信接口環(huán)節(jié)，溫度測量環(huán)節(jié)，歷史數(shù)據(jù)保存環(huán)節(jié)，液晶顯示環(huán)節(jié)，電源環(huán)節(jié)等。 1 模擬量輸入環(huán)節(jié) 模擬量輸入環(huán)節(jié)即模擬量輸入通道，在該通道完成信號的濾波、放大倍數(shù)匹配等功能。事實上多路開關(guān)，采樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換也屬于該環(huán)節(jié)的功能，由于我們選用的MSP430F149 本身自帶8路12位A/D，故此我們的設(shè)計極其簡捷，只需要考慮模擬信號的濾波和放大倍數(shù)匹配即可。我們需要采樣的模擬量有：斷路器開斷電流、斷路器線圈電流。溫度雖然屬于模擬量，我們選用的單片式1線數(shù)字溫度傳感器，它可以直接將溫度轉(zhuǎn)換成溫度代碼，且具有無須附加變送器和數(shù)字信號傳輸（不易受到干擾）等優(yōu)點，詳述見溫度測量環(huán)節(jié)。 、低通濾波器后的放大匹配電路，其設(shè)計簡述如下：本放大電路選用的運算放大器是超低失調(diào)電壓通用運放OP07，其供電電壓范圍是＋3V～＋18V，單片機的A/。工作原理如下：小CT過來的交流電流信號變換成交流電壓信號，經(jīng)跟隨器后送低通濾波器濾波變成信號VIN， 所示的模擬量放大環(huán)節(jié)后變?yōu)?～。由于MSP430F149 的12位A/D是單極性的。 斷路器分、合閘線圈的直流模擬信號采集處理和上述交流模擬信號的處理方式不同。斷路器的分、合閘線圈直流電流，（霍爾傳感器）變換成0～100mA電流信號，經(jīng)過40～200Ω測量電阻R 將電流信號轉(zhuǎn)換成輸出電壓， 經(jīng)低通濾波器濾波，濾波后的信號放大匹配電路基本和上述電路相同（只是不需要偏置電路）這里不作祥述。2 開關(guān)量輸入環(huán)節(jié) 開關(guān)量輸入環(huán)節(jié)包括：狀態(tài)量輸入環(huán)節(jié)和鍵盤輸入環(huán)節(jié)兩部分。狀態(tài)量輸入環(huán)節(jié)用以監(jiān)視斷路器的狀態(tài)，故必須和單片機環(huán)節(jié)隔離，鍵盤輸入量則可以不經(jīng)過隔離直接入和單片機接口。無論是狀態(tài)量輸入環(huán)節(jié)還是鍵盤輸入環(huán)節(jié)，要求有單片機立即響應(yīng)，須采用中斷方式，故此必須將狀態(tài)量輸入和鍵盤輸入環(huán)節(jié)接于帶有中斷功能的PP2 口。，用光電耦合器TLP5214實現(xiàn)隔離。 開入量與單片機接口電路圖3 位移量輸入環(huán)節(jié) 該環(huán)節(jié)的功能是將斷路器的觸頭位移量轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，然后通過電路處理進(jìn)行四倍頻和正反向運動的識別。現(xiàn)僅將其功能簡介如下： 安裝于斷路器操動機構(gòu)主軸上的旋轉(zhuǎn)光柵片在主軸的帶動下運動， 電路，將位移信號轉(zhuǎn)換為相位差為 的兩路方波脈沖A、B，其中：A超前B 為正向運動，為合閘；B超前A 為反向運動，為分閘。A、 電路：主板上光電耦合器6N137 的隔離側(cè)，然后轉(zhuǎn)換到非隔離側(cè)進(jìn)行處理。處理后的信號A、B 經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)電路74HC4538挑出上跳沿、下跳沿，四個跳沿信號結(jié)合原信號A、B 送GAL 芯片16V8 [29] ，通過該芯片實現(xiàn)四倍頻和正反向辨向功能。 四倍頻辨向環(huán)節(jié)電路圖4 開關(guān)量輸出環(huán)節(jié) ，開關(guān)量輸出環(huán)節(jié)輸出的信號包括聲光報警、跳閘命令等。在本設(shè)計的開關(guān)量輸出環(huán)節(jié)我們需要考慮的問題有：、單片機的口線驅(qū)動能力較差、光電隔離、單片機上電時端口不定狀態(tài)的閉鎖保護(hù)。針對以上問題本設(shè)計采取的措施是：采用低供電電壓的總線驅(qū)動器74HC244，供電電壓2～6V；采用高傳送比（典型值為10）的達(dá)林頓輸出光電耦合器TLP627，其驅(qū)動能力可達(dá)150mA；該輸出環(huán)節(jié)的閉鎖方法是：U6 的光電二極管由U7 的光電三極管供電、UU7 的動作電平相反。（因為該監(jiān)測裝置兼有跳合閘線圈保護(hù)功能，故必要時可以跳開跳合閘回路，以保護(hù)線圈。） 開出量與單片機接口電路圖 5 通信接口環(huán)節(jié) 通信接口的選型、設(shè)計和操作相對其他環(huán)節(jié)來講較為復(fù)雜，且存在通信模塊與單片機的電平不匹配需要解決，為了敘述的連貫性，本文另立一章對其進(jìn)行了專門闡述。詳見第五章。6 溫度測量環(huán)節(jié) 1）DS1820[30] 簡介 DS1820單線數(shù)字溫度傳感器是美國DALLAS 公司剛剛推出的新產(chǎn)品。DS1820 （一線式）數(shù)字溫度傳感器將55～125℃間的溫度信號轉(zhuǎn)換成9位二進(jìn)制：一位符號位，8 位數(shù)據(jù)位。轉(zhuǎn)換后的溫度值（9 位二進(jìn)制）通過DS1820 的數(shù)據(jù)線直接輸入到單片機，無需通過A/D轉(zhuǎn)換。讀寫指令以及溫度轉(zhuǎn)換指令通過數(shù)據(jù)總線傳入DS1820。DS1820有兩種供電方式：由電源引腳直接供電；由數(shù)據(jù)線寄生供電。另外，每一個DS1820在出廠時已經(jīng)給定了唯一的編碼，正因為每個DS1820都包含有一個唯一的64位ROM編碼，所以可以實現(xiàn)在一根總線上掛接多個DS1820 數(shù)字溫度傳感器。DS1820數(shù)字溫度傳感器與AD590、LM35等溫度傳感器相比除具有相當(dāng)?shù)臏y溫范圍和精度外，還具有溫度測量精確和不受外界干擾等優(yōu)點。 2）DS1820溫度采集系統(tǒng)設(shè)計 、。；。測溫系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的因素有：器件件工作電壓不同：單片機MSP430 ；光耦6N137[31，32]工作電壓5V；數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)工作電壓24V；DS1820工作電壓5V； 數(shù)據(jù)傳送的可靠性，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_設(shè)計問題； 單片機與數(shù)字溫度傳感器的隔離問題； 數(shù)字溫度傳感器對光電耦合器頻率的要求。 、工作原理略。 7 歷史數(shù)據(jù)保存環(huán)節(jié) 該環(huán)節(jié)通過非易失存儲器實現(xiàn)對斷路器開斷次數(shù)以及開斷電流的記錄[33]。X25043 為美國xicor 公司的“非易失性”芯片族中的最新成員，它把看門狗定時器、電源監(jiān)控和EEPROM三種功能集成在單個封裝內(nèi)，提高了自身可靠性，降低了系統(tǒng)成本，并減少了對電路板空間的要求。 X24043 的存貯器部分是CMOS 的4K位串行EEPROM，結(jié)構(gòu)為5128 四字節(jié)頁方式，串口協(xié)議為SPI，簡單易行，每字節(jié)可寫入 次，數(shù)據(jù)可保存100年。它內(nèi)部的EEPROM提供在掉電情況下保護(hù)那些需要保存的數(shù)據(jù)。此外，X25043還具有片內(nèi)偶然性寫保護(hù)，1MHz時鐘速率。低功耗CMOS 的等待電流為10μA，工作電流3mA。 8 液晶顯示環(huán)節(jié) 該裝置的顯示單元采用的是：三線串行接口、低功耗、低工作電壓（）、帶背光、帶看門狗、6位8段通用型液晶顯示器LCM061A。選擇該顯示器的原因是：MSP430F149有兩個SPI接口；2；MSP430F149也是低功耗器件。 該器件的使用較為簡單，引腳圖及其接線參考北京青云液晶顯示模塊技術(shù)說明書，這里不再祥述。 第4 章 軟件設(shè)計 硬件級驅(qū)動軟件設(shè)計 WTD定時器中斷服務(wù)程序流程 由于歷史數(shù)據(jù)保存環(huán)節(jié)的非易失存儲器芯片X25043 帶有看門狗定時器，所以單片機WTD （看門狗定時器）工作于普通16位定時器方式。該定時器是一個時基，設(shè)定在5/30ms。這個時基也是A/D 的采樣周期。每10個采樣點加起來計為一個采樣點，即每周12點。采用這種方式的原因有三：分、合閘記錄期間需要高采樣速度來保證分、合閘記錄的實時性；求主回路電流有效值的最大斜率算法受A/D采樣干擾的影響嚴(yán)重，10點求和相當(dāng)于平均，有濾波功能；單片機自帶A/D 為12位，10次相加結(jié)果仍然在2字節(jié)范圍內(nèi)，加的結(jié)果可以直接用，不需要再求平均，故此相當(dāng)于提高采樣精度。 該中斷服務(wù)程序用到了兩個計數(shù)單元：計數(shù)單元（1）、計數(shù)單元（2）。計數(shù)單元（1）被用作0～9計數(shù)器（為一字節(jié)），逢十進(jìn)一到計數(shù)單元（2），計數(shù)單元（2）為兩字節(jié)計數(shù)器。這樣計數(shù)單元（1）事實上是采樣數(shù)據(jù)保存間隔定時器周期為5/3ms；計數(shù)單元（2）被用作系統(tǒng)的絕對時鐘，無論是分、合閘操作的時間序列還是溫度轉(zhuǎn)換的定時時間都可以由計數(shù)單元（2）來相對確定。 A/D 中斷服務(wù)程序流程 A/D 中斷服務(wù)程序的功能是將A/D采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果不到10個點，只是將當(dāng)前采樣數(shù)值加到暫存單元，如果夠10次，這將暫存單元的內(nèi)容保存，同時求出A、B、C相電流的斜率，如果它們中間有采樣最大值點折算出此時的電流幅值。A/D 所示。 A/D 中斷服務(wù)程序流程圖 狀態(tài)量輸入中斷服務(wù)程序流程 該程序完成的功能是將變化的狀態(tài)量記錄下來并做出相應(yīng)的處理，由于遵循中斷服務(wù)程序盡可能短的原則，該程序主要是設(shè)標(biāo)志，真正的處理是在主程序中完成的。程序簡述如下：如果有合、分閘令輸入，設(shè)置合、分閘標(biāo)志，主程序見到合、分閘標(biāo)后將進(jìn)入合、分閘時序記錄子程序；當(dāng)狀態(tài)輸入量是輔助接點換位時，則記錄輔助接點的時序位置和行程的位移位置，并且設(shè)標(biāo)志表示已經(jīng)進(jìn)入合閘或者分閘狀態(tài)。在分閘操作中，分閘換位點還需要記錄此時的電流有效值以備計算觸頭電磨損之用。 TA、TB計數(shù)器捕獲中斷服務(wù)程序流程 MSP430F149 單片機有兩個定時/計數(shù)器(TA、TB)，它們都具有捕獲功能。在本設(shè)計中它們工作于計數(shù)狀態(tài)，分別用于記錄正向和反向運動的位移量，合閘行程＝TA－TB；分閘行程＝TB－TA。合、分閘過程中的任一點的位置都可以由TA、TB 的數(shù)值唯一確定，再結(jié)合時間序列，就可以算出速度參量。由于斷路器的行程長度是大概已知的（例如 斷路器的行程為145mm－152mm），這樣我們就可以讓TA、TB捕獲行程的10％、90％和100％位置由他們計算分、合閘平均速度。TA、TB 。、TB 計數(shù)器捕獲中斷服務(wù)程序流程圖 DS1820數(shù)據(jù)采集子程序 對DS1820 的ROM 操作有5 條操作命令，對DS1820 存儲器