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0 引言 電力是國家的重要能源，如果電網(wǎng)電壓不穩定，會(huì )對工農業(yè)生產(chǎn)、居民生活造成很大影響，為此電業(yè)部門(mén)要求定量監測電網(wǎng)電壓。電業(yè)部門(mén)的管理形式為市供電公司管理下屬各級變電站，由于各變電站之間的距離較遠，組建專(zhuān)用的計算機網(wǎng)絡(luò )需要較多的資金，設備維護也有一定的困難。針對這種情況，我們用較低的成本開(kāi)發(fā)出了基于USB接口電路的遠程電壓監測系統。從目前使用上看，設備運行穩定，維護方便。 1 系統原理 目前各級變電站配出的電壓有10 kV，4．6 kV，380 V等多種形式。這些不同的電壓通過(guò)變壓在變電站以220 V出現，供變電站來(lái)監測配電電壓的變化。我們通過(guò)這些220 V低電壓來(lái)監測各種高電壓。硬件電路如圖1所示。變壓器T將220 V交流信號變壓，得到30 V交流信號，此信號經(jīng)過(guò)硅橋、電容整形為直流信號，經(jīng)過(guò)可變電阻降為10 V直流電壓，通過(guò)A／D轉換器采集電壓值，處理芯片對采集的信號進(jìn)行處理，并將數據存入U盤(pán)中。當數據采集一段時(shí)間后，將U盤(pán)換下，在供電公司將U盤(pán)中的數據讀入計算機，完成數據的進(jìn)一步處理。數據采集由數據采集電路完成，該電路包括A／D轉換器，A／D采用AD574A，數據采集在50 Hz工頻電壓整數倍周期時(shí)間內10次采樣，計算出平均值，形成一個(gè)測量數據，測得5次測量數據，取3個(gè)中間值，以去掉干擾，然后采用滑動(dòng)平均值方式計算出一個(gè)有效數據。監測的電壓值由處理芯片進(jìn)行處理，以2個(gè)字節補碼形式存放在片內內存中，在規定的時(shí)間將一批數據存入U盤(pán)。為避免U盤(pán)多次使用后出現失效位，在向U盤(pán)入2個(gè)字節的數據時(shí)，將下一個(gè)字節寫(xiě)入同樣的數據作為標志，當兩數據相同時(shí)，說(shuō)明是一組有效數據；當兩數據不同時(shí)，說(shuō)明內存單元燒壞，應將此兩單元丟掉。 
2 AN2131QC芯片的應用 USB接口是一種應用在計算機領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，其目的是用USB來(lái)取代計算機現有的各種外圍接口，使外圍設備的連接具有單一化、即插即用、熱插拔、速率高和易擴展等特點(diǎn)。本設計選擇的控制芯片是EZ_USB系列的AN2131QC。此芯片提供了基于RAM的允許無(wú)限制設置和升級的解決方案，支持全速 USB總線(xiàn)吞吐量的傳輸。在芯片內核中提供大量的輔助指令，簡(jiǎn)化了編碼，同時(shí)也加快了對USB特性的開(kāi)發(fā)。芯片的簡(jiǎn)化結構如圖2所示。AN213lQC內部有一個(gè)核：它由串行接口引擎(SIE)和USB接口兩部分組成。SIE負責和USB收發(fā)器、USB接口進(jìn)行數據交換，以實(shí)現串行數據的編／解碼、差錯控制、位填充等與USB協(xié)議相關(guān)的功能。
2．1 AN2131QC的功能 AN2131QC是基于USBl．1的外設通信控制芯片，主要特點(diǎn)：(1)4時(shí)鐘周期的8051內核；(2)2個(gè)快速存儲器到存儲器的數據傳送指針； (3)擴展的中斷，包含有多個(gè)USFB數據傳輸中斷；(4)8 K內部RAM，用于存放程序和數據，支持外部存儲器；(5)靈活的固件程序升級；(6)32個(gè)輸入輸出管道，其中同步傳輸支持1 024 B長(cháng)度數據傳輸；(7)多種固件程序引導方式，方便的固件程序升級辦法。 2．2 AN2131QC的USB傳輸 AN213lQC的USB傳輸分為塊傳輸、控制傳輸和中斷傳輸。USB規范允許塊傳輸的最大數據包尺寸為8、16、32、64字節，中斷數據1～64字節。AN2131QC提供了8個(gè)IN端點(diǎn)和8個(gè)OUT端點(diǎn)，每一個(gè)端點(diǎn)具有最大64字節的緩沖區空間。其中第2、4、6個(gè)IN和OUT端點(diǎn)可以和它緊接著(zhù)的端點(diǎn)提供雙緩沖區，允許8051在處理一個(gè)數據包的同時(shí)另外一個(gè)數據包在USB總線(xiàn)上傳輸，即6個(gè)端點(diǎn)對(USBPAIR寄存器)控制雙緩沖。8051 在初始化時(shí)設置14個(gè)端點(diǎn)有效位，并且通知AN213lQC哪一個(gè)端點(diǎn)有效。塊數據出現在RAM中，每一個(gè)塊端點(diǎn)保留了64字節的RAM空間，1位計數寄存器，2位控制和狀態(tài)寄存器。8051能讀取狀態(tài)寄存器中的一位來(lái)決定端點(diǎn)是否為“忙”。在端點(diǎn)的忙位被設置時(shí)，8051不能讀寫(xiě)端點(diǎn)緩沖區和字節計數寄存器。當一個(gè)端點(diǎn)為805l操作準備好時(shí)，AN2131QC設置一個(gè)中斷清求位。AN2131QC向量中斷系統根據端點(diǎn)自動(dòng)傳輸控制，從中斷服務(wù)子程序分離出中斷請求來(lái)響應端點(diǎn)請求服務(wù)。 端點(diǎn)O是AN2131QC芯片中唯一的控制端點(diǎn)。AN2131QC提供了2個(gè)64字節的緩沖區INOBUF和OUTOBUF。另外有一個(gè)附加的8字節緩沖區，對端點(diǎn)O來(lái)說(shuō)是唯一的，這個(gè)緩沖區保存著(zhù)在控制傳輸過(guò)程中的SETUP階段到達時(shí)的數據。中斷傳輸是一種特殊的塊傳輸。AN2131QC控制端點(diǎn)O接收特殊的SETUP令牌，它是一種主機用來(lái)處理設備控制信號的傳輸。主機通過(guò)端點(diǎn)。發(fā)送一系列標準設備請求表。 2．3 AN2131QC的程序引導 AN2131QC內部沒(méi)有ROM，因此程序只能在上電復位時(shí)從外部導入，主要為以下幾個(gè)途徑： (1)通過(guò)驅動(dòng)程序，CYPRESS公司提供了工具將編譯的固件HEX文件嵌入到驅動(dòng)程序內，USB外圍設備接入到總線(xiàn)后，主機自動(dòng)將固件程序寫(xiě)入到：EZ-USB內RAM，完成枚舉和重枚舉。 (2)通過(guò)外部12CE2PROM。將固件HEX文件通過(guò)“HEX2BIX-I-B2(TARGET)．IIC(SOURCE)．HEX”命令轉換成 IIC文件，用編程器或者“控制面板程序”寫(xiě)入到I2C器件。I2C器件選用24LC64A或者24AA64，將其A0管腳上拉到高電平，A1，A2接地。 (3)采用外部FLASHIROM和RAM。固件程序如果大于4 K，那么就要考慮用這種方式，注意EA上拉到高電平。 2．4 AN2131QC的電路配置 主機向外圍USB設備提供的最大電流是500 mA，因此當USB外圍設備電流消耗超過(guò)500 mA時(shí)，需外接電源。AN2131QC的工作電壓是3．3 V，可以通過(guò)LDO芯片將5 V轉換成3．3 V。 幾點(diǎn)要說(shuō)明： (1)芯片的5、6、13、14、72腳通過(guò)一個(gè)1 kΩ電阻接地，主要用于上電測試。 (2)無(wú)論I2C總線(xiàn)是否外接有器件，SCL和SDA管腳都應通過(guò)2．2 kΩ的電阻上拉。 (3)不能讓W(xué)AKEUP管腳懸空。 (4)將USB+和USB-通過(guò)2個(gè)24 Ω電阻接到D+和D-端，可以抑制虛噪聲信號和限制環(huán)流。 2．5 AN213lQC的固件程序開(kāi)發(fā) 從CYPRESS公司網(wǎng)站，可以下載到“控制面板程序”和驅動(dòng)程序，也可以得到開(kāi)發(fā)例程。通過(guò)開(kāi)發(fā)例程，可以總結出開(kāi)發(fā)自己固件程序的框架，從而可以完成 USB外圍設備的開(kāi)發(fā)。在建立固件程序框架后，根據地址分配，在KEILC51編譯器內設置編譯連接地址，如果選用內部RAM，CODE地址設置為 Oxl00，XDATA地址設置為Oxl200。 3 輔助電路 看門(mén)狗電路用來(lái)防止系統因干擾造成的死機，電路見(jiàn)圖3。當系統正常工作時(shí)，由軟件控制，在短于單穩態(tài)T1的定時(shí)周期內，通過(guò)805l的P3．1腳向其發(fā)觸發(fā)脈沖，使其工作在暫穩態(tài)，1Q保持低電平。一旦系統工作不正常，當單穩態(tài)定時(shí)時(shí)間一到，在2Q輸出端輸出一個(gè)負脈沖，使系統復位。
鍵盤(pán)、顯示電路，該電路完成電路各種狀態(tài)的設定及顯示。按鍵共有UBS傳輸停止、時(shí)間設定、狀態(tài)設定、+、-等鍵。通過(guò)74LS237與處理芯片相連。單片機使用查尋方式檢測按鍵狀態(tài)。顯示電路由4片數碼組成。 4 數據的處理 數據采集電路在現場(chǎng)工作一段時(shí)間、約為lO天后，將U盤(pán)取下，通過(guò)供電公司的計算機將U盤(pán)中的數據讀入，并將U盤(pán)的內容清除以備重復使用。數據處理有如下內容，各變電站的日、月電壓合格率統計報表，包括每日、月的上超率、下超率、最大值、出現時(shí)間、延續時(shí)間、最小值、出現時(shí)間、延續時(shí)間。變電站的日、月電壓運行曲線(xiàn)，供電局季度、年供電統計表等幾部分。在完成變電站的日、月電壓運行曲線(xiàn)時(shí)，根據測得的電壓值在顯示器上以二階方程形式平滑顯示，通過(guò)向顯示器上置點(diǎn)的方式作出，使得電壓變化曲線(xiàn)直觀(guān)、準確。將顯示器上做出的曲線(xiàn)以圖像形式讀入內存，通過(guò)變換打出曲線(xiàn)。軟件用Visual basic完成，使用下拉式菜單結構，具有良好的用戶(hù)介面。 5 結束語(yǔ) 由于使用了基于A(yíng)N2131QC的USB接口電路進(jìn)行數據傳輸，簡(jiǎn)化了控制電路，節約了資金，從使用上看，系統運行穩定，維護方便，滿(mǎn)足設計要求。 參考文獻 1. 王榮博,侯朝煥,陳棟,等.基于EZ-USB FX2LP的高速數據傳輸接口設計[J].電子測量技術(shù),2009,32(4):167-170. 2. 侯大志,李麗,何書(shū)專(zhuān).USB2.0 IP核功能驗證的研究和應用[J].電子測量技術(shù),2009,32(4):75-81. 3. 譚林.基于單片機的溫度監控系統設計[J].國外電子測量技術(shù),2009,28(4):16-19. 4. 閆軍虎.AN2131QC芯片USB總線(xiàn)通信的開(kāi)發(fā)[J].現代電子技術(shù)2004,13:28-31. 5. 林培杰.基于FPGA和USB數據傳輸電路的設計[J].國外電子測量技術(shù),2008,27(3):16-17. 6. 李爽,張鳴瑞.一種帶USB接口的便攜式語(yǔ)音采集卡的設計[J].計算機應用研究,2001,18(5):146-148. 7. 劉少峰,韋克平.USB軟件系統的開(kāi)發(fā)[J].計算機應用研究,2002,19(3):102-104. 8. 徐慶元,張天序,鐘勝.基于USB總線(xiàn)的高速視頻采集系統設計[J].微計算機信息,2006,22(10-1):247-249. 作者：郭輝 許衛 孫國春 （空軍航空大學(xué)飛行基礎訓練基地,長(cháng)春,130022 ） 來(lái)源：國外電子測量技術(shù) 2009 28(11) |
