基于USB接口电路的远程电压监测系统

摘要：电网输出电压的监测是电业部门的一项重要工作。由于各变电站之间的距离较远，组建专用的计算机监测网络需要较多的资金，设备维护也有一定的困难。针对这种情况，用较低的成本开发出了基于USB接口电路的远程电压监测系统。USB接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔，并具有自动检测的功能。介绍了USB接口电路在远程电压监测系统中的应用。从使用上看，系统运行稳定，维护方便，满足了设计要求。
关键词：数据采集；电压监测；USB

0 引言
    电力是国家的重要能源，如果电网电压不稳定，会对工农业生产、居民生活造成很大影响，为此电业部门要求定量监测电网电压。电业部门的管理形式为市供电公司管理下属各级变电站，由于各变电站之间的距离较远，组建专用的计算机网络需要较多的资金，设备维护也有一定的困难。针对这种情况，我们用较低的成本开发出了基于USB接口电路的远程电压监测系统。从目前使用上看，设备运行稳定，维护方便。

1 系统原理
    目前各级变电站配出的电压有10 kV，4．6 kV，380 V等多种形式。这些不同的电压通过变压在变电站以220 V出现，供变电站来监测配电电压的变化。我们通过这些220 V低电压来监测各种高电压。硬件电路如图1所示。变压器T将220 V交流信号变压，得到30 V交流信号，此信号经过硅桥、电容整形为直流信号，经过可变电阻降为10 V直流电压，通过A／D转换器采集电压值，处理芯片对采集的信号进行处理，并将数据存入U盘中。当数据采集一段时间后，将U盘换下，在供电公司将U盘中的数据读入计算机，完成数据的进一步处理。数据采集由数据采集电路完成，该电路包括A／D转换器，A／D采用AD574A，数据采集在50 Hz工频电压整数倍周期时间内10次采样，计算出平均值，形成一个测量数据，测得5次测量数据，取3个中间值，以去掉干扰，然后采用滑动平均值方式计算出一个有效数据。监测的电压值由处理芯片进行处理，以2个字节补码形式存放在片内内存中，在规定的时间将一批数据存入U盘。为避免U盘多次使用后出现失效位，在向U盘入2个字节的数据时，将下一个字节写入同样的数据作为标志，当两数据相同时，说明是一组有效数据；当两数据不同时，说明内存单元烧坏，应将此两单元丢掉。

2 AN2131QC芯片的应用
    USB接口是一种应用在计算机领域的新型接口技术，其目的是用USB来取代计算机现有的各种外围接口，使外围设备的连接具有单一化、即插即用、热插拔、速率高和易扩展等特点。本设计选择的控制芯片是EZ_USB系列的AN2131QC。此芯片提供了基于RAM的允许无限制设置和升级的解决方案，支持全速USB总线吞吐量的传输。在芯片内核中提供大量的辅助指令，简化了编码，同时也加快了对USB特性的开发。芯片的简化结构如图2所示。AN213lQC内部有一个核：它由串行接口引擎(SIE)和USB接口两部分组成。SIE负责和USB收发器、USB接口进行数据交换，以实现串行数据的编／解码、差错控制、位填充等与USB协议相关的功能。

2．1 AN2131QC的功能
    AN2131QC是基于USBl．1的外设通信控制芯片，主要特点：(1)4时钟周期的8051内核；(2)2个快速存储器到存储器的数据传送指针；(3)扩展的中断，包含有多个USFB数据传输中断；(4)8 K内部RAM，用于存放程序和数据，支持外部存储器；(5)灵活的固件程序升级；(6)32个输入输出管道，其中同步传输支持1 024 B长度数据传输；(7)多种固件程序引导方式，方便的固件程序升级办法。
2．2 AN2131QC的USB传输
    AN213lQC的USB传输分为块传输、控制传输和中断传输。USB规范允许块传输的最大数据包尺寸为8、16、32、64字节，中断数据1～64字节。AN2131QC提供了8个IN端点和8个OUT端点，每一个端点具有最大64字节的缓冲区空间。其中第2、4、6个IN和OUT端点可以和它紧接着的端点提供双缓冲区，允许8051在处理一个数据包的同时另外一个数据包在USB总线上传输，即6个端点对(USBPAIR寄存器)控制双缓冲。8051在初始化时设置14个端点有效位，并且通知AN213lQC哪一个端点有效。块数据出现在RAM中，每一个块端点保留了64字节的RAM空间，1位计数寄存器，2位控制和状态寄存器。8051能读取状态寄存器中的一位来决定端点是否为“忙”。在端点的忙位被设置时，8051不能读写端点缓冲区和字节计数寄存器。当一个端点为805l操作准备好时，AN2131QC设置一个中断清求位。AN2131QC向量中断系统根据端点自动传输控制，从中断服务子程序分离出中断请求来响应端点请求服务。
    端点O是AN2131QC芯片中唯一的控制端点。AN2131QC提供了2个64字节的缓冲区INOBUF和OUTOBUF。另外有一个附加的8字节缓冲区，对端点O来说是唯一的，这个缓冲区保存着在控制传输过程中的SETUP阶段到达时的数据。中断传输是一种特殊的块传输。AN2131QC控制端点O接收特殊的SETUP令牌，它是一种主机用来处理设备控制信号的传输。主机通过端点。发送一系列标准设备请求表。
2．3 AN2131QC的程序引导
    AN2131QC内部没有ROM，因此程序只能在上电复位时从外部导入，主要为以下几个途径：
    (1)通过驱动程序，CYPRESS公司提供了工具将编译的固件HEX文件嵌入到驱动程序内，USB外围设备接入到总线后，主机自动将固件程序写入到：EZ-USB内RAM，完成枚举和重枚举。
    (2)通过外部12CE2PROM。将固件HEX文件通过“HEX2BIX-I-B2(TARGET)．IIC(SOURCE)．HEX”命令转换成IIC文件，用编程器或者“控制面板程序”写入到I2C器件。I2C器件选用24LC64A或者24AA64，将其A0管脚上拉到高电平，A1，A2接地。
    (3)采用外部FLASHIROM和RAM。固件程序如果大于4 K，那么就要考虑用这种方式，注意EA上拉到高电平。
2．4 AN2131QC的电路配置
    主机向外围USB设备提供的最大电流是500 mA，因此当USB外围设备电流消耗超过500 mA时，需外接电源。AN2131QC的工作电压是3．3 V，可以通过LDO芯片将5 V转换成3．3 V。
    几点要说明：
    (1)芯片的5、6、13、14、72脚通过一个1 kΩ电阻接地，主要用于上电测试。
    (2)无论I2C总线是否外接有器件，SCL和SDA管脚都应通过2．2 kΩ的电阻上拉。
    (3)不能让WAKEUP管脚悬空。
    (4)将USB+和USB-通过2个24 Ω电阻接到D+和D-端，可以抑制虚噪声信号和限制环流。
2．5 AN213lQC的固件程序开发
    从CYPRESS公司网站，可以下载到“控制面板程序”和驱动程序，也可以得到开发例程。通过开发例程，可以总结出开发自己固件程序的框架，从而可以完成USB外围设备的开发。在建立固件程序框架后，根据地址分配，在KEILC51编译器内设置编译连接地址，如果选用内部RAM，CODE地址设置为Oxl00，XDATA地址设置为Oxl200。

3 辅助电路
    看门狗电路用来防止系统因干扰造成的死机，电路见图3。当系统正常工作时，由软件控制，在短于单稳态T1的定时周期内，通过805l的P3．1脚向其发触发脉冲，使其工作在暂稳态，1Q保持低电平。一旦系统工作不正常，当单稳态定时时间一到，在2Q输出端输出一个负脉冲，使系统复位。

    键盘、显示电路，该电路完成电路各种状态的设定及显示。按键共有UBS传输停止、时间设定、状态设定、+、-等键。通过74LS237与处理芯片相连。单片机使用查寻方式检测按键状态。显示电路由4片数码组成。

4 数据的处理
    数据采集电路在现场工作一段时间、约为lO天后，将U盘取下，通过供电公司的计算机将U盘中的数据读入，并将U盘的内容清除以备重复使用。数据处理有如下内容，各变电站的日、月电压合格率统计报表，包括每日、月的上超率、下超率、最大值、出现时间、延续时间、最小值、出现时间、延续时间。变电站的日、月电压运行曲线，供电局季度、年供电统计表等几部分。在完成变电站的日、月电压运行曲线时，根据测得的电压值在显示器上以二阶方程形式平滑显示，通过向显示器上置点的方式作出，使得电压变化曲线直观、准确。将显示器上做出的曲线以图像形式读入内存，通过变换打出曲线。软件用Visual basic完成，使用下拉式菜单结构，具有良好的用户介面。

5 结束语
    由于使用了基于AN2131QC的USB接口电路进行数据传输，简化了控制电路，节约了资金，从使用上看，系统运行稳定，维护方便，满足设计要求。