CN101699298A - 一种单相数字式电流/电压测量仪表及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单相数字式电流/电压测量仪表及其测量方法，包括与各电路相连接的电源，其特征在于，输入电路，用于向微处理器采集输入电流/电压的数值；按键信号采集电路，用于通过拨码开关设置通信波特率和通信地址；通讯接口电路，采用基于Modbus协议的RS-485通信方式，从上位机接收指令数据，将采集输入电流/电压的数据通过微处理器上传给上位机，并和上位机保持实时通信。 由于采用上述结构和方法，对电气线路中的电流、电压进行实时测量与显示，并通过RS485接口对被测电量数据进行远传。用户可根据需要对仪表的功能模块随意进行组合。解决了以往只能查看仪表才能知晓信息的弊端，提高了测量数值的精度，产品性能稳定可靠，更容易生产。
Description
技术领域
本发明涉及电力测量仪表，具体地说涉及一种单相数字式电流/电压测量仪表及其测量方法。
背景技术
随着对电器设备控制自动化和智能化程度要求越来越高，工业过程的运行管理也进入网络时代，越来越多的信息量需要通过上位机来执行、管理，以往的单相电流/电压测量仪表产品的功能采用硬件设计来完成，采用内部可调电位器来校准仪表，通过查看仪表才能知晓信息，存在不能与上位机通讯，测量参数误差大，性能不稳定等问题。怎样能够及时有效、方便地查看测量参数，降低测量误差，提高产品工作性能，成为现有技术首要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单相数字式电流/电压测量仪表及其测量方法，以达到对电气线路中的电流、电压进行实时测量与显示，并通过RS485接口对被测电量数据进行远传的目的。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是一种单相数字式电流/电压测量仪表，包括与各电路相连接的电源，其特征在于；
输入电路，用于向微处理器采集输入电流/电压的数值；
按键信号采集电路，用于通过拨码开关设置通信波特率和通信地址；
通讯接口电路，采用基于Modbus协议的RS-485通信方式，从上位机接收指令数据，将采集输入电流/电压的数据通过微处理器上传给上位机，并和上位机保持实时通信；
显示电路，用于将微处理器输出的串行数据转换为平行信号输出，驱动数码管显示；
所述的微处理器，用于初始化模块、响应定时器中断、存储拨码开关设置的数据。
一种单相数字式电流/电压测量仪表，所述输入电路由依次串接的电压互感器T1、分压电阻器、电流互感器T2、分流电阻器，测量芯片U2所组成，所述的测量芯片U2对从电阻器上采样的电压信号或电流信号进行滤波、并通过测量芯片U2内的Δ-∑调制器对采样模拟量进行处理。
一种单相数字式电流/电压测量仪表，所述的测量芯片U2的型号为CS5463。
一种单相数字式电流/电压测量仪表，，其特征在于，所述的微处理器为单片机CPU处理芯片型号为AT89C52，通讯接口电路处理芯片型号为RSM485CT。
一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法，包括以下步骤；
a)初始化步骤，将单片机初始化到一个已知状态，并且使串口处于接收状态，为进入工作循环做好准备；
b)定时处理步骤，设定串口通讯超时检测子程序，对每次的数据接收均采用中断方式，判断数据接收是否完成；
c)串口中断步骤；测量仪表的串口通讯采用中断方式接收上位机发送和接收的数据。单片机串口首先处于接收数据状态，当串口接收到6位地址数据便会产生中断，在中断程序中判断是不是本从机地址，如果是则设置接收后面的数据，否则就放弃数据，然后，单片机以中断方式接收后面的数据；
d)数值显示步骤；单片机将读出的数值通过显示电路显示出来。
一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法，所述的初始化步骤，包括以下步骤；
定义微处理器的输入输出管脚，对EEPROM AT24C01中断进行初始化设置及定义，设置定时器的时间常数，对串口通讯进行设置，同时定义通讯波特率，从EEPROM中读取计量芯片的校验值，电度的存储值及参数设置值等，设置中断的优先级开中断，
一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法，所述的定时处理步骤中，单片机实时读取被测电量数据的值，并将结果数据存储到单片机内部RAM指定单元，在收到上位机传送的命令时将最近的开关量的状态数据发送给上位机。
一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法，所述的串口中断步骤中，单片机将串口接收到的上位机数据存储到内部RAM的指定单元中，通讯超时后会对接收到的最新数据进行处理。对数据的处理主要包括：对命令字的识别与校验，以及对命令字进行应答。
一种单相数字式电流/电压测量仪表及其测量方法，由于采用上述结构和方法，改变了以往的硬件设计，采用了集成电路、高性能微处理器，应用数字信号处理技术及以模块化方式进行设计，适用各种电气线路，可任意选择电流或电压测量参数。该仪表内部取消了可调电位器，采用了软件调试方式来校准，大幅降低了仪表的生产成本，使本产品具有极高的性价比，选择了稳定可靠、可反复擦写的单片机芯片AT89C52、高精度的测量芯片CS5463、模块化设计的隔离收发器RSM485CT、EEPROM芯片AT24C01等电子器件，对电气线路中的电流、电压进行实时测量与显示，并通过RS485接口对被测电量数据进行远传。用户可根据需要对仪表的功能模块随意进行组合。解决了以往只能查看仪表才能知晓信息的弊端，提高了测量数值的精度，简化了电路设计，产品性能稳定可靠，更容易生产。使之适用性强、适用范围更广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；
图1为本发明一种单相数字式电流/电压测量仪表电路结构方框图；
图2为图1所示的输入电路原理示意图；
图3为图1所示的按键信号采集电路原理示意图；
图4为图1所示的通讯接口电路原理示意图；
图5为图1所示的微处理器电路原理示意图；
图6为本发明一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法主程序流程图；
图7为初始化子程序流程图；
图8为定时处理子程序流程图；
图9为串口中断子程序流程图；
在图1～图5中，1、微处理器；2、通讯接口电路；3、按键信号采集电路；4、输入电路；5、显示电路；6、上位机。
具体实施方式
如图1～图5所示，一种单相数字式电流/电压测量仪表由输入电路4、交直流变换、电能测量电路，微处理器1、RS485通讯接口电路2，显示电路5等组成，微处理器1的核心部分采用AT89C52单片机芯片、RSM485CT隔离收发器模块、测量芯片CS5463等元件，首先通过电流互感器或电压互感器采集输入信号，在线路上串、并联适当阻值的分压和分流电阻器，测量芯片CS5463对从电阻器上采样的电压信号或电流信号进行滤波，Δ-∑调制器对模拟量采样处理，通过串行接口对外输出，连接EEPROM芯片AT24C01，用单片机的P1口读取由八位硬件拨码开关S1设置通讯参数。显示电路5中的74HC595将单片机AT89C52发送过来的8位串行数据转换成8位平行信号输出，用以驱动数码管显示，串行通迅RS-485接口将上位机6发送过来的数据通过隔离收发器模块RSM485CT传送给单片机AT89C52，单片机AT89C52再通过它反馈信号给上位机6，实现信息之间的转换。
参见图2、图5，通过电流互感器T2或电压互感器T1采集输入信号，在线路上串、并联适当阻值的分压和分流电阻器，测量芯片U2对从电阻器上采样的电压信号或电流信号进行滤波，Δ-∑调制器对模拟量采样处理，通过单片机SPI串行接口将数据传送给单片机。单片机AT89C52管脚X1、X2外接12M晶振及2个20PF的电容构成并联振荡电路，通过软件编程实现各个功能的电路。
参见图3、图5，拨码开关S1由8个开关和电阻组合而成，当开关闭合时，输出的是高电平信号，当开关断开，则输出低电平信号，用于设置通讯参数。单片机AT89C52的P2脚来读取开关的信号，其中P2.2-2.6为通讯地址的控制端，P2.0-2.1为通讯波特率的控制端。单片机AT89C52管脚X1、X2外接12M晶振及2个20PF的电容构成并联振荡电路，通过软件编程实现各个功能的电路。
参见图4、图5，串行通讯RS-485接口将上位机发送过来的数据通过隔离收发器模块RSM485CT传送给单片机AT89C52，单片机AT89C52再通过它反馈信号给上位机，实现信息之间的转换。隔离收发器模块RSM485CT与单片机AT89C52的P3.0和P3.1连接，执行上位计算机的指令，接收端RXD接收数据，发送端TXD发送数据，实现被测电量数据的远传。
如图6所示，图6为一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法主程序流程图；步骤10为开始动作，步骤11为初始化子程序，将单片机初始化到一个已知状态，并且使串口处于接收状态，为进入工作循环做好准备。在步骤12中定时处理，单片机实时读取被测电量数据的值，并将结果数据存储到单片机内部RAM指定单元，在收到上位机传送的命令时将最近采集到的电量数据发送给上位机。执行完步骤12后，进入步骤13检测串口数据类型并处理，测量仪表的串口通讯采用中断方式接收上位机发送和接收的数据。单片机串口首先处于接收数据状态，当串口接收到6位地址数据便会产生中断，在中断程序中判断是不是本从机地址，如果是则设置接收后面的数据，否则就放弃数据，然后，单片机以中断方式接收后面的数据。在步骤14中，读计量芯片值及对读出的值进行数据处理，从而得到正确的电压、电流值，在步骤15中将读出的数值显示出来，在步骤16中判断是否按了参数设置键，若否，则返回步骤12循环执行此系统程序。
系统采用基于Modbus协议的RS-485通信方式。采用“主-从”技术，即有一个设备(主设备)能初始化传输(查询)。其他设备(从设备)根据主设备提供的数据做出反应。此电流/电压测量仪表作为从机(从设备)进行通讯，数据传输采用RTU模式。在进行通讯时，主机首先发送一个根据Modbus协议帧格式组织的请求，从机则不断检测总线上的信息。从机收到来主机传送的请求后对其进行处理。主机发送完请求后就处于等待状态，不断检测总线中的消息，收到消息后，对其处理完成主从通讯。
如图7所示，图7为初始化子程序流程图，步骤20为开始动作，在步骤21中首先定义微处理器的输入输出管脚，在步骤22中，定时器0中断值初始化赋值定义，首先对EEPROMAT24C01中断进行初始化设置及定义，然后设置定时器0的时间常数，在步骤23中串口通讯初始化，对串口通讯进行设置，同时定义通讯波特率。在步骤中24从EEPROM中读取计量芯片的校验值，电度的存储值及参数设置值等。在步骤25中设置中断的优先级开中断，在执行完步骤25后，进入步骤26返回主程序。
如图8所示，图8为定时处理子程序流程图，步骤30为定时处理子程序开始，在步骤31中判断通讯是否超时，如果是，则进入步骤32，串口设置为接收状态，接收字节状态为零。执行完步骤32后，进入步骤34，采集各输入的电量参数的值，并赋值于内部的RAM。如果判断是否定的，则执行步骤33，判断时间10ms是否已到，如果是，则进入步骤34。如果判断是否定的，则执行步骤35定时处理子程序结束。
如图9所示，图9为串口中断子程序流程图；该流程主要是检测串口数据类型并应答。步骤400为开始动作，步骤为401中为保护现场，后进入步骤402中判断是否接收完毕？如果判断是否定的，则等待，如果是，则进入步骤403中接收数据进行CRC校验，然后进入步骤404中判断计算码与接收码是否相等？如果判断是否定的，则进入步骤411恢复现场，如果是，则进入步骤405判断功能码为03吗？如果是，流程进入步骤406读数据寄存器，上送到上位机。若步骤405判断是否定的，则进入步骤407判断功能码是否为05吗？若是，则进行步骤408执行遥控操作，如果判断是否定的，则进入步骤409判断功能码是否为06吗？若是，则进入步骤410写数据寄存器值，如果判断是否定的，进入步骤411恢复现场，步骤412返回。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种单相数字式电流/电压测量仪表，包括与各电路相连接的电源，其特征在于；
输入电路(4)，用于向微处理器(1)采集输入电流/电压的数值；
按键信号采集电路(3)；用于通过拨码开关设置通信波特率和通信地址；
通讯接口电路(2)；采用基于Modbus协议的RS-485通信方式，从上位机(6)接收指令数据，将采集输入电流/电压的数据通过微处理器上传给上位机(6)，并和上位机(6)保持实时通信；
显示电路(5)，用于将微处理器(1)输出的串行数据转换为平行信号输出，驱动数码管显示；
所述的微处理器(1)，用于初始化模块、响应定时器中断、存储拨码开关设置的数据。
2.根据权利要求1所述的一种单相数字式电流/电压测量仪表，其特征在于，所述输入电路(4)由依次串接的电压互感器T1、分压电阻器、电流互感器T2、分流电阻器，测量芯片U2所组成，所述的测量芯片U2对从电阻器上采样的电压信号或电流信号进行滤波、并通过测量芯片U2内的Δ-∑调制器对采样模拟量进行处理。
3.根据权利要求2所述的一种单相数字式电流/电压测量仪表，其特征在于，所述的测量芯片U2的型号为CS5463。
4.根据权利要求1所述的所述的一种单相数字式电流/电压测量仪表，，其特征在于，所述的微处理器(1)为单片机CPU处理芯片型号为AT89C52，通讯接口电路处理芯片型号为RSM485CT。
5.一种根据权利要求1～4所述的一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法，包括以下步骤；
a)初始化步骤，将单片机初始化到一个已知状态，并且使串口处于接收状态，为进入工作循环做好准备；
b)定时处理步骤，设定串口通讯超时检测子程序，对每次的数据接收均采用中断方式，判断数据接收是否完成；
c)串口中断步骤；测量仪表的串口通讯采用中断方式接收上位机发送和接收的数据。单片机串口首先处于接收数据状态，当串口接收到6位地址数据便会产生中断，在中断程序中判断是不是本从机地址，如果是则设置接收后面的数据，否则就放弃数据，然后，单片机以中断方式接收后面的数据；
d)数值显示步骤；单片机将读出的数值通过显示电路显示出来。
6.根据权利要求5所述的一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法，其特征在于，所述的初始化步骤，包括以下步骤；
定义微处理器的输入输出管脚，对EEPROM AT24C01中断进行初始化设置及定义，
设置定时器的时间常数，对串口通讯进行设置，同时定义通讯波特率，
从EEPROM中读取计量芯片的校验值，电度的存储值及参数设置值等，
设置中断的优先级开中断。
7.根据权利要求5所述的一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法，其特征在于，所述的定时处理步骤中，单片机实时读取采集到的电量数据，并将结果数据存储到单片机内部RAM指定单元，在收到上位机传送的命令时将最近采集到的电量数据发送给上位机。
8.根据权利要求5所述的一种单相数字式电流/电压测量仪表的测量方法，其特征在于，所述的串口中断步骤中，单片机将串口接收到的上位机数据存储到内部RAM的指定单元中，通讯超时后会对接收到的最新数据进行处理。对数据的处理主要包括：对命令字的识别与校验，以及对命令字进行应答。
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