??
????? 在本系統(tǒng)中ADUC814與芯片計量芯片ADE7758采用高速SPI總線；ADUC814與上位計算機(jī)之間通過普通雙絞線連接以串行方式進(jìn)行通信。
2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
????? 本系統(tǒng)選擇ADUC814單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，以電能計量專用芯片ADE7758作為A／D芯片。
2．1 ADE7758簡介
????? ADE7758是一款高集成度的三相電能專用計量芯片，集成了6路2階Sigma—Delta ADC采樣通道，帶有一個SPI兼容的串行通信接口，兩路脈沖輸出。采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)，可通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI的三線串行通信接口完成對芯片的設(shè)置、電量數(shù)據(jù)的傳輸和校準(zhǔn)。
????? ADE7758內(nèi)部集成有溫度傳感器，單5V供電，低功耗，適用于三相三線和三相四線電力系統(tǒng)中。ADE7758的電流通道和電壓通道各有一個可編程增益放大器，放大增益為1，2或4，除了PGA功能外，還用于A／D轉(zhuǎn)換時滿刻度量程的選擇。增益的大小由用戶編程來決定。
????? ADE7758具有一個波形取樣寄存器，其值來自于ADC的輸出。波形采樣部分集成有一個用于短時持續(xù)低電平或高電平的檢測電路，門檻電平和持續(xù)時間是由用戶編程來決定的。三相中任一相過零檢測是同步進(jìn)行的，過零檢測的結(jié)果可用于測量三路電壓輸人中任一路的周期。ADE7758的所有功能都是通過讀、寫片上寄存器來實現(xiàn)的，即ADE7758的各種設(shè)定和操作主要是對寄存器的讀和寫。每個寄存器在讀、寫時，首先要執(zhí)行一個寫通信寄存器的操作，然后開始傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)測終端的測控命令和測量信息可以多種方式與MCU通信。數(shù)據(jù)接口部分采用中斷IRQ、片選cs和3線的SPI接口方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；整個過程可描述為ADE7758數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后中斷申請IRQ（低電平）輸出給MCU，MCU通過低電平片選ADE7758的cs，然后通過SPI總線的MOSI、SCLK、MISO和ADE7758的DIN、SCK、DOUT相連，完成數(shù)據(jù)操作。ADE7758內(nèi)部集成多種數(shù)據(jù)寄存器，這些寄存器分成讀和寫兩種，通過訪問這些寄存器可以完成對ADE7758的配置和數(shù)據(jù)采集。
2、2 ADUC814簡介
????? 本系統(tǒng)中，核心部分采用AD公司的ADuC814。該芯片集成有6通道A／D（12位精度）、2個D／A（12位精度，15 s建立時間）和8052 MCU內(nèi)核（8 KB Flash程序存儲器，640 B數(shù)據(jù)存儲器，256 B靜態(tài)存儲器，最高時鐘頻率16 MHz）3大模塊，28腳TSSOP封裝，面積僅43 mm 。尤其重要的是它在系統(tǒng)編程（ISP）的特性，這很大程度上避免了以往實驗中因頻繁插拔而對CPU造成的物理損壞。同時，該系統(tǒng)的軟件采用高級C語言編寫，以串口通信方式實現(xiàn)了基于Pc的用戶界面，以提供方便的交互操作。在單片機(jī)端，可采用C51編程控制；在PC端，提供基于超級終端（HyperTermina1）程序的方式和基于VC環(huán)境的ANSI C或C++編程設(shè)計方式。克服了過去控制界面和操作方法不明晰，使用者常有誤操作的問題。
2．3 系統(tǒng)硬件連接
????? 基于ADUC814和ADE7758的同步發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件連接如圖2所示。

????? ADE7758的電壓和電流采集通道，其交流信號幅值最大為500 mV。三相電壓、電流的模擬量經(jīng)過cT、變換之后，輸人到ADE7758芯片中，通過6路A／D采樣通道完成同步采樣。ADE7758的微處理器對數(shù)字化的被測信號進(jìn)行各種判斷、處理和運(yùn)算，并將結(jié)果儲存在18個只讀寄存器中。ADUC814通過SPI接口對ADE7758進(jìn)行讀寫操作，ADE7758內(nèi)部有一個中斷屏蔽寄存器MASK，可以選擇中斷源。當(dāng)相關(guān)的中斷產(chǎn)生時，IRQ腳被置低，等待ADUC814跳人中斷服務(wù)子程序讀取同步發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行參量。
????? 同步發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于監(jiān)測同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、定子電流和轉(zhuǎn)子電流，根據(jù)所實現(xiàn)的基本功能和要求，硬件系統(tǒng)設(shè)計包括：模擬量采集模塊、信號調(diào)理模塊、交直流電量計量與轉(zhuǎn)換模塊、實時數(shù)據(jù)的處理與控制模塊、顯示模塊。模擬量采集模塊由電流互感器CT和電壓互感器 組成。通過CT和采集同步發(fā)電機(jī)端的電壓和電流信號，將高電壓、大電流轉(zhuǎn)換成低電壓、小電流的信號，并起高低壓隔離作用。信號調(diào)理電路完成信號進(jìn)入電能計量芯片前的調(diào)整和濾波，濾除信號中的高頻部分。根據(jù)電能計量芯片ADE7758的要求，電流信號需轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號輸入。實時數(shù)據(jù)的處理與控制模塊從速度和容量的要求考慮選擇ADUC814，該芯片內(nèi)置有8 KB Flash，640 BRAM，256 B SRAM，有9個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，3個16位定時數(shù)器，32個可編程IO口；可實現(xiàn)串行在系統(tǒng)編程（ISP），在沒有并行編程器的情況下，片內(nèi)ROM中固化的默認(rèn)加載程序允許ISP通過UART將程序代碼裝入Flash存儲器，而Flash代碼中則不需要加載程序。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
????? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括單片機(jī)程序和Pc機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計兩部分。
3．1 單片機(jī)程序設(shè)計
?????? 以ADUC814單片機(jī)為核心的程序框圖如圖3所示。

????? 對于中斷的判斷和處理是該程序的核心部分。根據(jù)具體的功能需要，中斷包括外部中斷INTO、定時中斷和串行中斷3種。
3．1，1 外部中斷INTO
?????? ADE7758的IRQ腳連接ADUC814單片機(jī)P3．2的INT0腳，IRQ腳置低即表示ADE7758有中斷產(chǎn)生，單片機(jī)通過SPI口將線電壓、頻率值、電壓和電流值取出。ADE7758為用戶提供中斷屏蔽寄存器MASK，通過設(shè)置MASK可以根據(jù)自己的需要放開相應(yīng)的中斷，實現(xiàn)多種功能，如三相電壓、電流越限報警、相序錯報警和三相失壓報警等。
3、1．2 定時中斷
????? ADUC814單片機(jī)內(nèi)部有3個定時器，分別為定時器0，1，2。定時器2又有3種操作模式，即捕獲、自動重新裝載、計數(shù)和波特率發(fā)生器。此處采用定時器2的捕獲模式做一個1 ms的定時器中斷，在中斷產(chǎn)生時，單片機(jī)通過SPI El讀取有功功率、無功功率和視在功率。
3．1．3 串行中斷
????? ADUC814內(nèi)部有一個8位的串行口控制字SCON，通過設(shè)置該寄存器的相應(yīng)位可方便改變單片機(jī)的串口通信模式，本系統(tǒng)采用9位UART，波特率為9 600 b／s。ADE7758的標(biāo)定及三相電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、有功電能量、無功電能量、視在電能量、功率因數(shù)等測量數(shù)據(jù)，按照一定的通信規(guī)約，將所測量的數(shù)據(jù)打包成串口通信報文的工作均在該中斷里完成。
3、1．4 上位機(jī)的通信程序
????? 上位機(jī)程序設(shè)計是以Visual Basic 6．0為平臺，利用MSComm控件，以事件驅(qū)動方式實現(xiàn)計算機(jī)與ADUC814之間串行通信，完成數(shù)據(jù)的交換。上位機(jī)程序包括用戶界面設(shè)計、通信和數(shù)據(jù)處理程序、顯示程序等。
3．2 上位機(jī)用戶界面設(shè)計
????? 在本系統(tǒng)中，設(shè)計了一個窗體（Form1）。主要顯示實時數(shù)據(jù)和有關(guān)狀態(tài)量。在Form 1中設(shè)計了一個MSComm控件、一個定時器控件（Timer）、兩個按鈕控件（Commandl，Command2）Commandl是“刷新數(shù)據(jù)”按鈕，即按下時開始和ADUC814通信接收實時采樣數(shù)據(jù)，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，如正確就在相應(yīng)的位置顯示，此時按鈕變成“停止刷新”；如再按該按鈕則停止界面實時數(shù)據(jù)刷新，按鈕又為“刷新數(shù)據(jù)”。Command2是“退出”按鈕，按下它則退出該應(yīng)用程序。
設(shè)置Timer的Interval屬性都等于100，Timer定時提取從串口接收來的數(shù)據(jù)并刷新主界面實時顯示數(shù)據(jù)。串口在一定時間內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)提示通信錯誤信息。Timer在裝載主界面時Enable=True。MSComm的InputMode屬性為0即文本方式。在正常接收實時數(shù)據(jù)時RThreshold屬性設(shè)為100。
????? PC機(jī)通過定時器TIMER每1 ms向下位機(jī)ADUC814下發(fā)傳送命令，該命令只包含2 B開始符????? 具體幀格式為：