摘要：介紹了ADE7758的主要特點(diǎn)和工作原理，提出了基于ADUC814和ADE7758的同步發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。通過(guò)測(cè)試，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)適用于現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)測(cè)控要求，具有精度高、實(shí)時(shí)性好，價(jià)格低的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：ADE7758；ADUC814；同步發(fā)電機(jī)；串行通信 [b][align=center]Application of ADE775 8 Chip in Generator Data Acquisition System JIANG Xiao—zhou 。WU Xiao—pei ，CHENG Ruo—fa[/align][/b]（ 1．School of Computer Science＆ Technology，Anhui College，Hefei 230039，China； 2． Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Science，Hefei 230031，China； 3．School of Computer Science＆Technology，Anhui Xinhua University，Hefei 230088，China） Abstract：The characteristics and work principle of ADE7758 are introduced，and the hardware and software design of the data acquisition system based on ADUC814 and ADE7758 is also given．Through debugging，this terminal unit is high characteristics，accurate with real-time and low•price． Key words：ADE7758；ADUC814；synchronous generator；serial communication 目前同步發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)采集大多是以通用AD轉(zhuǎn)換芯片配合單片機(jī)進(jìn)行交流采樣，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的發(fā)電機(jī)運(yùn)行的電參量基本全靠軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)，不僅計(jì)算量大、精度低、實(shí)時(shí)性也受到很大限制。本研究針對(duì)以上缺點(diǎn)提出了以具有DSP內(nèi)核的專(zhuān)用電能計(jì)量芯片ADE7758和具有C52核的8位微處理器ADUC814組成的高精度、高可靠性、快速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同步發(fā)電機(jī)的電壓和電流進(jìn)行快速采樣并實(shí)時(shí)地將最終的處理結(jié)果送去顯示和控制，完成對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行快速測(cè)控。 1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能 該系統(tǒng)可以分為發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)模擬量采集模塊、開(kāi)關(guān)量采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、交直流量計(jì)量與轉(zhuǎn)換模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理與控制模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊6大部分（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示）。 該系統(tǒng)可以快速采集同步發(fā)電機(jī)的各種運(yùn)行參量包括模擬量和開(kāi)關(guān)量，對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓和定子電流是由ADE7758完成測(cè)量和轉(zhuǎn)換的，即發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓U、定子電流I為三相交流電，分別經(jīng)電壓互感器（ ）和電流互感器（CT）轉(zhuǎn)換成三相100 V、5 A的二次信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理后送入計(jì)量芯片ADE7758進(jìn)行轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過(guò)電壓變送器、電流變送器后送入ADUC814進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)ADUC814還對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、完成控制等任務(wù)。當(dāng)ADUC814接收到ADE7758轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷后，通過(guò)高速SPI接口對(duì)ADE7758采樣一次，讀取相應(yīng)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)如：機(jī)端電壓、定子電流、有功、無(wú)功、頻率、等機(jī)組運(yùn)行量，然后根據(jù)互感器、變送器的變換比例計(jì)算出發(fā)電機(jī)運(yùn)行參量的實(shí)際值并將結(jié)果保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)中，與此同時(shí)ADUC814處理器通過(guò)MAX232進(jìn)行RS232標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換，將最新采集的發(fā)電機(jī)運(yùn)行參量通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行通信，利用上位機(jī)軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。 在本系統(tǒng)中ADUC814與芯片計(jì)量芯片ADE7758采用高速SPI總線(xiàn)；ADUC814與上位計(jì)算機(jī)之間通過(guò)普通雙絞線(xiàn)連接以串行方式進(jìn)行通信。 2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選擇ADUC814單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，以電能計(jì)量專(zhuān)用芯片ADE7758作為A／D芯片。 2．1 ADE7758簡(jiǎn)介 ADE7758是一款高集成度的三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片，集成了6路2階Sigma—Delta ADC采樣通道，帶有一個(gè)SPI兼容的串行通信接口，兩路脈沖輸出。采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SPI的三線(xiàn)串行通信接口完成對(duì)芯片的設(shè)置、電量數(shù)據(jù)的傳輸和校準(zhǔn)。 ADE7758內(nèi)部集成有溫度傳感器，單5V供電，低功耗，適用于三相三線(xiàn)和三相四線(xiàn)電力系統(tǒng)中。ADE7758的電流通道和電壓通道各有一個(gè)可編程增益放大器，放大增益為1，2或4，除了PGA功能外，還用于A／D轉(zhuǎn)換時(shí)滿(mǎn)刻度量程的選擇。增益的大小由用戶(hù)編程來(lái)決定。 ADE7758具有一個(gè)波形取樣寄存器，其值來(lái)自于ADC的輸出。波形采樣部分集成有一個(gè)用于短時(shí)持續(xù)低電平或高電平的檢測(cè)電路，門(mén)檻電平和持續(xù)時(shí)間是由用戶(hù)編程來(lái)決定的。三相中任一相過(guò)零檢測(cè)是同步進(jìn)行的，過(guò)零檢測(cè)的結(jié)果可用于測(cè)量三路電壓輸人中任一路的周期。ADE7758的所有功能都是通過(guò)讀、寫(xiě)片上寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即ADE7758的各種設(shè)定和操作主要是對(duì)寄存器的讀和寫(xiě)。每個(gè)寄存器在讀、寫(xiě)時(shí)，首先要執(zhí)行一個(gè)寫(xiě)通信寄存器的操作，然后開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)終端的測(cè)控命令和測(cè)量信息可以多種方式與MCU通信。數(shù)據(jù)接口部分采用中斷IRQ、片選cs和3線(xiàn)的SPI接口方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；整個(gè)過(guò)程可描述為ADE7758數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后中斷申請(qǐng)IRQ（低電平）輸出給MCU，MCU通過(guò)低電平片選ADE7758的cs，然后通過(guò)SPI總線(xiàn)的MOSI、SCLK、MISO和ADE7758的DIN、SCK、DOUT相連，完成數(shù)據(jù)操作。ADE7758內(nèi)部集成多種數(shù)據(jù)寄存器，這些寄存器分成讀和寫(xiě)兩種，通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)這些寄存器可以完成對(duì)ADE7758的配置和數(shù)據(jù)采集。 2、2 ADUC814簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)中，核心部分采用AD公司的ADuC814。該芯片集成有6通道A／D（12位精度）、2個(gè)D／A（12位精度，15 s建立時(shí)間）和8052 MCU內(nèi)核（8 KB Flash程序存儲(chǔ)器，640 B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，256 B靜態(tài)存儲(chǔ)器，最高時(shí)鐘頻率16 MHz）3大模塊，28腳TSSOP封裝，面積僅43 mm 。尤其重要的是它在系統(tǒng)編程（ISP）的特性，這很大程度上避免了以往實(shí)驗(yàn)中因頻繁插拔而對(duì)CPU造成的物理?yè)p壞。同時(shí)，該系統(tǒng)的軟件采用高級(jí)C語(yǔ)言編寫(xiě)，以串口通信方式實(shí)現(xiàn)了基于Pc的用戶(hù)界面，以提供方便的交互操作。在單片機(jī)端，可采用C51編程控制；在PC端，提供基于超級(jí)終端（HyperTermina1）程序的方式和基于VC環(huán)境的ANSI C或C++編程設(shè)計(jì)方式?？朔诉^(guò)去控制界面和操作方法不明晰，使用者常有誤操作的問(wèn)題。 2．3 系統(tǒng)硬件連接 基于ADUC814和ADE7758的同步發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件連接如圖2所示。 ADE7758的電壓和電流采集通道，其交流信號(hào)幅值最大為500 mV。三相電壓、電流的模擬量經(jīng)過(guò)cT、變換之后，輸人到ADE7758芯片中，通過(guò)6路A／D采樣通道完成同步采樣。ADE7758的微處理器對(duì)數(shù)字化的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行各種判斷、處理和運(yùn)算，并將結(jié)果儲(chǔ)存在18個(gè)只讀寄存器中。ADUC814通過(guò)SPI接口對(duì)ADE7758進(jìn)行讀寫(xiě)操作，ADE7758內(nèi)部有一個(gè)中斷屏蔽寄存器MASK，可以選擇中斷源。當(dāng)相關(guān)的中斷產(chǎn)生時(shí)，IRQ腳被置低，等待ADUC814跳人中斷服務(wù)子程序讀取同步發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行參量。 同步發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子電流，根據(jù)所實(shí)現(xiàn)的基本功能和要求，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括：模擬量采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、交直流電量計(jì)量與轉(zhuǎn)換模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理與控制模塊、顯示模塊。模擬量采集模塊由電流互感器CT和電壓互感器 組成。通過(guò)CT和采集同步發(fā)電機(jī)端的電壓和電流信號(hào)，將高電壓、大電流轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流的信號(hào)，并起高低壓隔離作用。信號(hào)調(diào)理電路完成信號(hào)進(jìn)入電能計(jì)量芯片前的調(diào)整和濾波，濾除信號(hào)中的高頻部分。根據(jù)電能計(jì)量芯片ADE7758的要求，電流信號(hào)需轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)輸入。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理與控制模塊從速度和容量的要求考慮選擇ADUC814，該芯片內(nèi)置有8 KB Flash，640 BRAM，256 B SRAM，有9個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，3個(gè)16位定時(shí)數(shù)器，32個(gè)可編程IO口；可實(shí)現(xiàn)串行在系統(tǒng)編程（ISP），在沒(méi)有并行編程器的情況下，片內(nèi)ROM中固化的默認(rèn)加載程序允許ISP通過(guò)UART將程序代碼裝入Flash存儲(chǔ)器，而Flash代碼中則不需要加載程序。 3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序和Pc機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)兩部分。 3．1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) 以ADUC814單片機(jī)為核心的程序框圖如圖3所示。 對(duì)于中斷的判斷和處理是該程序的核心部分。根據(jù)具體的功能需要，中斷包括外部中斷INTO、定時(shí)中斷和串行中斷3種。 3．1，1 外部中斷INTO ADE7758的IRQ腳連接ADUC814單片機(jī)P3．2的INT0腳，IRQ腳置低即表示ADE7758有中斷產(chǎn)生，單片機(jī)通過(guò)SPI口將線(xiàn)電壓、頻率值、電壓和電流值取出。ADE7758為用戶(hù)提供中斷屏蔽寄存器MASK，通過(guò)設(shè)置MASK可以根據(jù)自己的需要放開(kāi)相應(yīng)的中斷，實(shí)現(xiàn)多種功能，如三相電壓、電流越限報(bào)警、相序錯(cuò)報(bào)警和三相失壓報(bào)警等。 3、1．2 定時(shí)中斷 ADUC814單片機(jī)內(nèi)部有3個(gè)定時(shí)器，分別為定時(shí)器0，1，2。定時(shí)器2又有3種操作模式，即捕獲、自動(dòng)重新裝載、計(jì)數(shù)和波特率發(fā)生器。此處采用定時(shí)器2的捕獲模式做一個(gè)1 ms的定時(shí)器中斷，在中斷產(chǎn)生時(shí)，單片機(jī)通過(guò)SPI El讀取有功功率、無(wú)功功率和視在功率。 3．1．3 串行中斷 ADUC814內(nèi)部有一個(gè)8位的串行口控制字SCON，通過(guò)設(shè)置該寄存器的相應(yīng)位可方便改變單片機(jī)的串口通信模式，本系統(tǒng)采用9位UART，波特率為9 600 b／s。ADE7758的標(biāo)定及三相電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功電能量、無(wú)功電能量、視在電能量、功率因數(shù)等測(cè)量數(shù)據(jù)，按照一定的通信規(guī)約，將所測(cè)量的數(shù)據(jù)打包成串口通信報(bào)文的工作均在該中斷里完成。 3、1．4 上位機(jī)的通信程序 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)是以Visual Basic 6．0為平臺(tái)，利用MSComm控件，以事件驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與ADUC814之間串行通信，完成數(shù)據(jù)的交換。上位機(jī)程序包括用戶(hù)界面設(shè)計(jì)、通信和數(shù)據(jù)處理程序、顯示程序等。 3．2 上位機(jī)用戶(hù)界面設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)窗體（Form1）。主要顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和有關(guān)狀態(tài)量。在Form 1中設(shè)計(jì)了一個(gè)MSComm控件、一個(gè)定時(shí)器控件（Timer）、兩個(gè)按鈕控件（Commandl，Command2）Commandl是“刷新數(shù)據(jù)”按鈕，即按下時(shí)開(kāi)始和ADUC814通信接收實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如正確就在相應(yīng)的位置顯示，此時(shí)按鈕變成“停止刷新”；如再按該按鈕則停止界面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新，按鈕又為“刷新數(shù)據(jù)”。Command2是“退出”按鈕，按下它則退出該應(yīng)用程序。 設(shè)置Timer的Interval屬性都等于100，Timer定時(shí)提取從串口接收來(lái)的數(shù)據(jù)并刷新主界面實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。串口在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到數(shù)據(jù)提示通信錯(cuò)誤信息。Timer在裝載主界面時(shí)Enable=True。MSComm的InputMode屬性為0即文本方式。在正常接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)RThreshold屬性設(shè)為100。 PC機(jī)通過(guò)定時(shí)器TIMER每1 ms向下位機(jī)ADUC814下發(fā)傳送命令，該命令只包含2 B開(kāi)始符