摘 要：介紹了一種基于Modbus協(xié)議的三相電力智能配電系統(tǒng)。系統(tǒng)以16位MSP430處理器為控制核心，采用SAMES SA9904B三相電參量芯片實(shí)現(xiàn)三相電力系統(tǒng)的多種電參量的采集和處理，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制和電能計(jì)量等。該系統(tǒng)可以單獨(dú)作為三相電力配電模塊使用，也可以方便接入Modbus通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了與其他Modbus設(shè)備的兼容，可廣泛應(yīng)用于中低壓電力配電系統(tǒng)，達(dá)到了電力系統(tǒng)配電自動(dòng)化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求。
關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議；智能配電系統(tǒng)；SA9904B；MSP430

    隨著電力自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和電力智能配電系統(tǒng)建設(shè)的需要，具有數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能的配電系統(tǒng)日漸成為中低壓配電的最基本要求，采用專用的三相電參量采集芯片和高性價(jià)比的16位MSP430處理器構(gòu)建的智能配電系統(tǒng)，并通過(guò)RS 485總線實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)通用的Modbus協(xié)議，具有適時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)精度高、遙控可靠、遙信號(hào)時(shí)、低功耗、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 三相電力配電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1．1 TI MSP430F149處理器
    TI MSP430F149是一款超低功耗的高性價(jià)比精簡(jiǎn)指令集16位單片機(jī)，最小指令周期125 ns，32 kB的FLASH和2 kB RAM，具有豐富的片上外設(shè)資源和5個(gè)雙向8位IO口，并具有JTAG調(diào)試接口，非常適合高性價(jià)比低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1．2 SA9904B三相電參量采集芯片
    SAMES公司的SA9904B是專用的電參量采集測(cè)量芯片，此芯片具有實(shí)時(shí)測(cè)量三相有功與無(wú)功功率／電能、電壓有效值和線頻率，并可計(jì)算功率因數(shù)、電流有效值等參數(shù)；片內(nèi)具有精密基準(zhǔn)參考電壓，保證各電參量的準(zhǔn)確采集；具有SPI總線方便與處理器進(jìn)行接口；芯片自身功耗低于60 mW，具有ESD保護(hù)功能。
1．2．1 SA9904B內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能
    SA9904B是一個(gè)高精度專用電能計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)部集成了六路二階24位∑一△模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、參考電壓電路以及有功與無(wú)功電能、有效值、主頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路，可以測(cè)量并計(jì)算出各相的有功功率、無(wú)功功率、有功電能、無(wú)功電能、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)和頻率等重要的電參量，SA9904B提供了標(biāo)準(zhǔn)的SPI總線接口，方便與外部的處理器進(jìn)行電參量的傳遞。

1．2．2 SA9904B引腳及功能
    SA9904B的引腳如圖2所示。其中GND為模擬地；VDD為電源的正極，當(dāng)使用分流電阻檢測(cè)電流時(shí)，接+2．5 V電壓；當(dāng)使用電流互感器時(shí)，接+5 V電壓；VSS為電源負(fù)極，當(dāng)使用分流電阻檢測(cè)電流時(shí)，接一2．5 V電壓，當(dāng)使用電流互感器時(shí)，接0 V電壓；IVPl，IVP2，IVP3分別是三相模擬電壓采樣輸入端，當(dāng)測(cè)量的電壓為額定電壓時(shí)，要保證輸入到內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器的電流有效值為14μA；IIPl，IINl，IIP2，IIN2，IIP3，IIN3分別是三相的模擬電流采樣輸入端，當(dāng)測(cè)量的電流為額定電流時(shí)，要保證輸入到芯片上的A／D轉(zhuǎn)換器的電流有效值為16μA；VREF為參考電源的外接電阻端，通常需要接47 kΩ電阻到地；F50為電壓過(guò)零脈沖輸出端，輸出的脈沖頻率為交流電壓的頻率，脈沖寬度為1 ms；CS，DI，DO，SCK分別是SPI接口的片選端、數(shù)據(jù)輸入端、數(shù)據(jù)輸出端和時(shí)鐘端；OSCl，OSC2為外部晶振的輸入、輸出端。
1．2．3 SA9904B的采樣電路及與MSP430F149的接口設(shè)計(jì)
    SA9904B的采樣電路分為三相電壓和三相電流采樣電路，采樣電路一般有直接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采親和互感器采樣兩種形式，電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采樣成本低電路簡(jiǎn)單，但采樣系統(tǒng)直接接入電網(wǎng)，沒(méi)有隔離，易受電網(wǎng)的沖激干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞系統(tǒng)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般不采用這種方式。另一種是電壓互感器和電流互感器采樣電路，能有效隔離電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的干擾，保證了采樣的精度并保護(hù)了測(cè)控系統(tǒng)。在本次設(shè)計(jì)中，采樣選用電壓互感器和電流互感器采樣電路，圖3給出了一相電路的電壓和電流采樣，其他兩相的采樣電路與此相同。對(duì)于電壓采樣電路，選用的電壓互感器是電流型電壓互感器，典型值是2 mA／2 mA，R1是前端限流電阻，Rsh1是電壓互感器的終端電阻，R2是電壓采樣的限流電阻，且要滿足當(dāng)測(cè)量的電壓為額定電壓時(shí)，輸入IVPl的電流有效值為14μA，如果額定電壓為220 V，那么R1=如果R2選用1 MΩ，那么Rsh1=14 kΩ。對(duì)于電流采樣電路，采用差分采樣輸入，可有效抑制干擾，選用的電流互感器的典型值是5 A／5 mA，Rsh2是電流互感器的終端電阻，R3和R4是電流采樣的限流電阻，要滿足當(dāng)測(cè)量的電流為額定電流時(shí)，輸入電流通道IINl和IIPl的電流有效值為16μA，如果待測(cè)線電流的額定電流為5 A，取R3和R4相等，那么如果選用R3=R4=100 kΩ，那么求得Rsh2=320Ω。

    MSP430F149的UARTl采用SPI模式可以和SA9904B的SPI總線直接連接，MSP430F149內(nèi)部產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的SPI時(shí)序，采用4線主從通信模式，MSP430F149工作在主機(jī)模式，STE為SPI選通控制端，UCLK引腳上的UCLK信號(hào)是SPI總線的同步時(shí)鐘，在第一個(gè)UCLK周期，已寫(xiě)入U(xiǎn)TXBUF的數(shù)據(jù)以高位在前低位在后的順序移入移位寄存器，并由SIMO引腳移出，同時(shí)從SOMI引腳鎖存數(shù)據(jù)并送入接收移位寄存器，接收移位寄存器滿，則把接入數(shù)據(jù)放入接收緩存URXBUF中，在接收過(guò)程中最先接收到的數(shù)據(jù)位為高位，此時(shí)置位URXIFG位，可用中斷或查詢的方式把接收到的數(shù)據(jù)讀出，從而完成一次通信過(guò)程。SPI總線接口方式如圖3所示。

2．2 Modbus RTU協(xié)議通信實(shí)現(xiàn)
    Modbus RTU模式的編程要處理數(shù)據(jù)包的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間間隔，即兩個(gè)數(shù)據(jù)包之間的至少3．5個(gè)字符的時(shí)間間隔，才能保證接收數(shù)據(jù)包的完整性，當(dāng)接收者接偵測(cè)到一個(gè)數(shù)據(jù)包開(kāi)始時(shí)，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，并把接收到的第一個(gè)數(shù)據(jù)即地址域和自己的地址相比較，如果相同，則接收完整的數(shù)據(jù)包并做CRC校驗(yàn)。如果地址不同，則放棄接收過(guò)程，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包的開(kāi)始。在MSP430中實(shí)現(xiàn)時(shí)，使用了定時(shí)器中斷來(lái)偵測(cè)數(shù)據(jù)包之間的數(shù)據(jù)間隔，實(shí)現(xiàn)的程序流程如圖4所示。

3 結(jié) 語(yǔ)
    設(shè)計(jì)的基于Modbus通信協(xié)議的三相電力智能配電系統(tǒng)，所涉及到的軟硬件均通過(guò)了調(diào)試，工作正常，性能穩(wěn)定。該模塊可以單獨(dú)作為三相電力配電模塊使用，也可以方便接入Modbus通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了和其他Modbus設(shè)備的兼容，可廣泛應(yīng)用于中低壓電力配電系統(tǒng)。