基于Modbus-RTU协议的交流电压峰值表设计

 摘 要：交流电压峰值检测是工业用电安全监控中的一项重要指标，介绍一种以MSP430F449，MAX1270 和RS 485总线硬件为基础，基于Modbus-RTU通信协议的智能交流电压峰值表测量系统的设计，且成功应用到交流电压的峰值检测中。该系统具备便携、低功耗等特点，易于与电脑或符合Modbus-RTU协议的控制器连接，可方便地组建远程监控系统。
关键词：Modbus协议；交流电压峰值；MSP430F449；MAX1270

0 前 言
    交流电压峰值是指交流电压的最大值(正峰值)或最小值(负峰值)，是工业生产过程中一个非常重要的参数。为保证用电设备的安全，对供电电压的峰值进行检测具有重要意义。测量峰值的方法主要有示波器法、间接计算法、专用峰值表法。利用示波器虽然可直观地显示电压的波形和峰值，但在成本和便携性上示波器均不能作为现场监视设备；间接计算法只适用于标准正弦波，实用性不大；专用峰值表大都存在体积较大，携带不便，且与电脑或控制设备相连不便的缺点。针对以上缺点，采用MSP430系列单片机、MAX1270模／数转换器，并利用Modbus-RTU 协议，成功地开发出了低成本、便携、智能的峰值表设备。

1 测量原理
    由于供电电网的波动及电网的电压波形是一种非标准正弦波，其峰值不能通过平均值或有效值间接计算。该系统采用对非标准正弦波在一个周期内多次采样，并通过冒泡法比较采样值，得到电压的最大值或最小值作为其正峰值和负峰值。显然只要采样密度适当，完全可以得到真实的电压峰值。我国交流电的频率为50 Hz，设计中采样频率设置为10 kHz，即每个交流波形周期中采样200次，足以正确地反映出电压的变化情况，从而确定电压的峰值。

2 硬件设计
    设计中，以MSP430F449单片机、MAX1270模／数转换器为主要器件。前端A／D输入采用电阻分压方式将交流电进行降压；采用RS 485芯片作为通信接口芯片，硬件框图如图1所示。

2．1 A／D输入调理保护电路设计
    以220 V交流电为例，其理论峰值电压为311 V，但考虑到电网波动、正弦波失真等，电压峰值很可能超过311 V，这时可根据工作经验和实测情况，选定一个电压值作为电压可能达到的最大值，假定为500 V。如果MAX1270的输入范围设置为±5 V，则分压电阻的分压比应设置为100：1。分压后的电压经过运放缓冲后作为A／D芯片的输入，为保护后级A／D转换芯片，设置两个稳压二极管组成限幅电路。输入调理电路如图2所示。

2．2 A／D转换电路
    A／D转换电路采用MAX1270芯片，MAX1270是8通道、多量程双极性输入、串行输出、逐次逼近型12位A／D转换器，最高采样率为110 kS／s。在单+5 V电源供电下，可通过编程实现±5 V，±1O V，5 V，10 V量程。其中，双极性输入十分适合作为交流电压测量。
    MAX1270转换电路如图2所示，由MSP430F449的I／O口线控制MAX1270的串行接口。由于MAX1270在5 V电压供电下，输出4．5 V以上高电平，而MSP430F449的I／O口电平为3．3 V，因此必须附加一个接口芯片，以实现5～3．3 V的电平转换，这里采用MAX3001双向电平转换芯片。A／D转换电路如图3所示。

2．3 RS 485接口电路
    该设计采用RS 485总线，可通过电缆或光纤将信号有效地远传上千米，配合Modbus-RTU协议，可方便地与符合Modbus-RTU协议的控制设备连接。设计中采用MAX3485芯片作为RS 485接口芯片，电路如图4所示。

3 软件设计
    设计中，主要的软件模块包括A／D转换，Modbus-RTU协议和串口编程。对于串口编程不再赘述，主要对MAX1270和Modbus-RTU协议进行说明。
3．1 MAX1270编程
    MAX1270的控制字格式如表1所示，最高START为起始位，保持为“1”；SEL2～SEL0为输入通道选择位；RNG，BIP分别为量程和极性选择位；PD1和PD0为掉电和时钟模式选择位。各位的具体意义请参考MAX1270数据手册。该设计中，MAX1270设置为：量程10 V，双极性输入(即实现土5 V测量)、外部时钟25 CLK／s正常操作模式，使用通道CH0作为输入通道，控制字的格式为10000101。

3．2 Modbus-RTU协议
    Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。Modbus -RTU是Modbus协议的一种传输模式，在该模式下，消息中的每个8 b包含2个4 b的16进制字符。Mod-bus协议的核心程序是CRC校验程序的编写。该系统中采用CRC-16校验法，具体程序实现如下：

3．3 其他重要子程序
    程序中采用定时器中断触发每次采样，保证采集周期的精度，同时每次采集时都以过零点作为采集数据的开始。这两点都有利于提高系统精度。

4 测试结果
    通过施加标准正弦波、非标准正弦波、三角波测试，可使该表的峰值测量精度高于1级，完全满足工业现场设备供电检测的需求。该表与工控组态软件MCGS配合，工作良好。此外，该表除了测量峰值以外，还扩展了电压平均值、有效值的计算，设计成一个具有多功能的智能仪表。

5 结 语
    该设计以MSP430F449单片机、MAX1270为核心，编写了Modbus-RTU协议，同时利用RS 485接口可方便地进行数据远传或与符合Modbus_RTU协议的设备相连，该表的体积小，功耗低，可使用于电池或蓄电池供电，非常适合作为编携式设备，随身携带，也可作为功能模块直接安装在工业现场设备对电网供电电压峰值、有效值等参数进行监测。