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C8051F020 的貨源和報(bào)價(jià) C8051F020 的相關(guān)技術(shù)信息

其他型號(hào)

基于C8051F020的配電變壓器監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

引言
配電變壓器是將電能直接分配給低壓用戶的電力設(shè)備，其運(yùn)行數(shù)據(jù)是整個(gè)配電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要組成部分。本文設(shè)計(jì)了一種集多功能電表、無(wú)功投切控制器、采集器等功能于一體的新型配電變壓器監(jiān)測(cè)終端。

硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)配電變壓器終端產(chǎn)品所需實(shí)現(xiàn)的功能要求，以單片機(jī)C8051F020為核心的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
C8051F020簡(jiǎn)介
由于配電變壓器監(jiān)測(cè)終端需實(shí)現(xiàn)的功能較多，經(jīng)反復(fù)比較，CPU選用C8051F020芯片。該芯片內(nèi)置有64k Flash、4k RAM、1個(gè)SMBus/I2C、1個(gè)SPI、2個(gè)UART、5個(gè)定時(shí)器、64個(gè)通用I/O口、12位的ADC通道、電壓基準(zhǔn)（內(nèi)部、外部）、溫度傳感器等。并具有以下特點(diǎn)：高速的50MIPS與8051 全兼容的微控制器內(nèi)核。Flash 存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)在線編程和用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（E2PROM 的作用），工作電壓典型值為3V（ 2.7V~3.3V），全部I/O、RST、JTAG 引腳均允許5V電壓輸入，工業(yè)級(jí)溫度范圍（-45 ~ +85）。片內(nèi)JTAG 仿真電路提供全速非插入式（不使用在片資源）的電路內(nèi)仿真支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步觀察點(diǎn)、運(yùn)行和停止等調(diào)試命令，支持存儲(chǔ)器和寄存器校驗(yàn)和修改。
監(jiān)控電路
選用MAX706作為微處理器監(jiān)控器，主要實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位、監(jiān)控程序運(yùn)行和掉電檢測(cè)功能。電路如圖2所示。
MAX706可獨(dú)立監(jiān)視跟蹤定時(shí)器輸出。在1.6s內(nèi)，如果CPU的P2.3腳電平不翻轉(zhuǎn)，則/WDO腳輸出低電平，通過(guò)/MR手動(dòng)復(fù)位輸入端使/RST腳產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，以防止由于干擾使CPU死機(jī)。設(shè)跳線器的目的是為了避免在下載程序和調(diào)試時(shí)MAX706產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。
VPP為電源的掉電檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)電平降至5.5V以下時(shí)，/PFO輸出低電平，使CPU進(jìn)入中斷程序進(jìn)行掉電處理。CPU的P1.5腳被配置成外部中斷輸入，低電平觸發(fā)。
日歷時(shí)鐘和存儲(chǔ)電路
日歷時(shí)鐘芯片采用RTC4553，該芯片采用內(nèi)置晶振和獨(dú)特的數(shù)據(jù)方法，大大提高了時(shí)鐘精度和可靠性。RTC4553配有串行外設(shè)通信接口，另有30×4bit SRAM，有2000~2099的百年日歷，電池耗電2mA，時(shí)鐘誤差<3 min/年且無(wú)需調(diào)整，電路如圖3所示。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片選用24LC256，32k字節(jié)，CPU通過(guò)I2C總線對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作。主要存儲(chǔ)終端運(yùn)行參數(shù)、電量數(shù)據(jù)、每日電能參數(shù)的最大和最小值、各事件發(fā)生的時(shí)間及當(dāng)時(shí)的電參數(shù)，電壓合格率和可靠率數(shù)據(jù)。
負(fù)荷曲線的數(shù)據(jù)量較大，選用4M字節(jié)容量的Flash芯片AT45DB321B。
在圖3中，RTC4553和AT45DB321B都通過(guò)串行外設(shè)通信接口(SPI)和CPU交換數(shù)據(jù)，電量采集模塊和USB接口模塊也是采用這種方式。由于C8051F020提供的串行外設(shè)接口可工作在主或從模式，并允許將多個(gè)器件連接到一個(gè)主器件，所以這些器件和CPU之間采用SPI總線相連，CPU工作在主模式，其它器件工作在從模式。
C8051F020的SPI操作很簡(jiǎn)單，只要向SPI數(shù)據(jù)寄存器(SPI0DAT)寫(xiě)入待發(fā)送字節(jié)，就啟動(dòng)了一次數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)在時(shí)鐘線上按設(shè)定頻率提供時(shí)鐘信號(hào)，在數(shù)據(jù)線上移出數(shù)據(jù)。
按鍵和顯示電路
采用OMJ中文模塊點(diǎn)陣式液晶顯示器(帶背光，80×160)，整屏可顯示5×10個(gè)漢字，可以實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形和變化曲線同屏顯示。模塊的初始化工作在上電時(shí)完成，同時(shí)保留了一根復(fù)位線供用戶使用。硬件接口采用REQ/BUSY握手協(xié)議，簡(jiǎn)單可靠。顯示菜單與普通微機(jī)上的菜單結(jié)構(gòu)保持一致，以適應(yīng)操作人員的習(xí)慣。通常每屏液晶顯示表示一個(gè)菜單。
設(shè)六個(gè)操作按鍵：上、右、下、左、取消和確認(rèn)。通過(guò)按鍵和液晶顯示器配合可實(shí)現(xiàn)裝置自檢、數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置等功能。
電量采集模塊
該模塊主要由四塊CS5460芯片和日立單片機(jī)構(gòu)成，通過(guò)SPI接口每秒鐘向主CPU提供電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
通信部分
C8051F020有兩個(gè)全雙工串口：UART0和UART1，通過(guò)和RS-485總線收發(fā)器MAX3085E相配合構(gòu)成兩個(gè)485通信口。
485收發(fā)器MAX3085E芯片具有出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)退出的特點(diǎn)。
在本設(shè)計(jì)中，由于CPU是3.3V供電，而一些外設(shè)，如顯示模塊、E2PROM芯片等是5V供電的，所以CPU的輸出腳應(yīng)加上拉電阻，并配置成開(kāi)漏輸出。因?yàn)镃PU的I/O腳是耐5V的，所以5V輸入信號(hào)可以直接和CPU的輸入腳相連。

軟件設(shè)計(jì)
配電變壓器監(jiān)測(cè)終端的整套系統(tǒng)軟件采用C51編寫(xiě)，編譯器采用Keil C51，調(diào)試器采用Cygnal 公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。
配電變壓器監(jiān)測(cè)終端軟件系統(tǒng)的主程序如圖4所示。程序采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，除主程序框圖中所列出的程序模塊外，還有定時(shí)器0中斷子程序模塊、外部中斷0子程序模塊（掉電處理）、I2C中斷子程序模塊，串口0和1中斷子程序模塊以及PCA中斷子程序模塊。
主程序框圖中的主循環(huán)體大體采用了輸入→處理→輸出的結(jié)構(gòu)，這有點(diǎn)類(lèi)似于PLC的工作過(guò)程。
定時(shí)器0的中斷程序主要為軟件計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)提供時(shí)鐘信號(hào)，設(shè)定為10ms中斷一次。由于主循環(huán)體中各模塊程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)性要求，即主循環(huán)時(shí)間不能太長(zhǎng)，故各模塊程序中的延時(shí)部分一般用軟件計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器0中斷一次，相應(yīng)軟件計(jì)數(shù)器加1，計(jì)數(shù)器計(jì)到一定的數(shù)后，則相應(yīng)的條件標(biāo)志置位，在主循環(huán)中通過(guò)查詢(xún)這些標(biāo)志位來(lái)決定相應(yīng)的程序模塊是否執(zhí)行。
按DL/T 645規(guī)定，紅外線通信的載波頻率為38kHz±1kHz，由于紅外線發(fā)射時(shí)功率較大，故載波信號(hào)的占空比定為1:3。
C8051F020的PCA包含一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器和五個(gè)捕捉/比較模塊，每個(gè)模塊有自己的控制和捕捉/比較寄存器，每一模塊可獨(dú)立配置為以下四種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出或脈寬調(diào)制器。本應(yīng)用中將PCA模塊2設(shè)置為高速輸出方式，當(dāng)PCA定時(shí)器的計(jì)數(shù)器與模塊2的16位捕捉/比較寄存器（PCA0CPH2和PCA0CPL2）匹配時(shí)，模塊2的CEX2引腳上的邏輯電平就發(fā)生變化。
PCA的時(shí)基信號(hào)配置為SYSCLK/4，SYSCLK為20MHz，則載波信號(hào)每周期的PCA時(shí)鐘數(shù)為5000/38=132，保持使輸出波形為高電平的PCA時(shí)鐘數(shù)(PWM_HIGH)為33, 保持使輸出波形為低電平的PCA時(shí)鐘數(shù)(PWM_LOW)為66。
程序如下：
void PCA_ISR(void) interrupt 9
{
……
else if(CCF2)
{
CCF2=0;
temp=(PCA0CPH2<<8)PCA0CPL2;
if(PWM_OUT)
{
temp+=PWM_HIGH;
PCA0CPL2=temp;
PCA0CPH2=temp>>8;
}
else
{
temp+=PWM_LOW;
PCA0CPL2=temp;
PCA0CPH2=temp>>8;
}
}
……
}
由于配電變壓器終端須實(shí)現(xiàn)的功能較多，程序較復(fù)雜，需要定義的函數(shù)達(dá)180多個(gè)，故除主函數(shù)外，所有其它函數(shù)的聲明均放在一個(gè)頭文件中，每個(gè)C源程序文件均在開(kāi)始部分將其包含進(jìn)來(lái)。另外，全局變量達(dá)300多個(gè)，故將所有全局變量的定義放在一個(gè)頭文件中，在定義主函數(shù)的C源程序的文件開(kāi)始部分將其包含進(jìn)來(lái)，全局變量的聲明放在另一個(gè)頭文件中，在其它C文件中將其包含進(jìn)去。這樣，修改函數(shù)或全局變量時(shí)可以避免出錯(cuò)。

結(jié)語(yǔ)
以單片機(jī)C8051F020為核心的配電變壓器監(jiān)測(cè)終端已通過(guò)功能測(cè)試及電磁兼容性實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)正在小批量試制�！�

參考文獻(xiàn)
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