基于Modbus-RTU协议的交流电压峰值表设计

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。