基于MSP430F149单片机和ATT7022B芯片实现电源监测系统的设计

作者：冯威，粟梅

1 引言

电力操作电源监测系统是随着电力系统自动化运行而产生的，该系统可以对变电站中的交流供电电源、直流控制电源、备用操作电源以及开关状态等进行参数监测、故障报警等操作。从而及时地发现电力系统的异常情况，提前做好防范以保证电力系统连续可靠地运行。同时，当电力系统出现故障时为继电器以及断路器等二次设备提供备用操作电源，对设备进行保护。

电池巡检仪是备用电源的检测装置，主要的功能是对单体电池的电压、温度、容量等参数进行检测，提供充电控制以及故障报警等功能，从而可以合理地控制电池，延长电池使用寿命，提高系统的可靠性。

电源监控系统起步于80年代末，当时它只能监控一个独立的直流供电系统或一个局（站），且电源监控水平不高，可靠性较低。90年代以后尤其是近几年来，伴随着计算机、通信技术的迅猛发展和电源装备水平的提高，电源监控也逐渐成熟起来，发展到可以监控多回路甚至是多个系统。

电力操作电源监控系统配合合理的控制器，通过控制高压断路器以及其他的继电器设备，可以完全实现电力系统的安全运行和自动调度，从而满足现代化电力调度的需要。

2 系统总体设计方案

此电源管理仪器主要用于中小型变电站的操作电源以及备用电源的监测和管理，为了更好的节约备用电池的能源，选择低功耗的MSP430F149微控制器作为设备的处理器。

2.1 采样模块

交流模块采用ATT7022B交流三相电能计量器件处理交流部分的有功功率、无功功率、谐波、电压、电流等参数。ATT7022B价格比较便宜，而且具有SPI（serial peripheral interface，串行外围设备接口）接口，能够方便地与MSP430F149单片机进行通信。

开关量监控，包括交流断路器分合闸状态（主、备用电源共两路）、交流控制电源8路、直流断路器的分合状态。

直流量监控，包括环境温度、电池温度、单片机温度、单体电池电压、直流合闸电源2路、操作电压和合闸电流。

2.2 人机接口模块

键盘是主要的输入来源。为了节约成本，系统采用扫描方式实现矩阵键盘，采用中文液晶显示。

2.3 通信模块

由于单片机内具有UART，因此采用RS-232串行通信方式实现与上位机的通信。为了实现与上位机电平匹配，采用SP3220E作为接口电平转换器。设备的工艺流程如图1所示。

根据图1，由交流电压到直流电压的顺序介绍系统的工艺过程。

蓄电池组管理。整流后的电压一般高于蓄电池组电压以供电池组充电，当其用于工作电源时，可通过二极管对其进行降压，K1、K2等开关用于选择降压值，其通断由处理器控制，处理器对电池组中单个电池状况进行巡回检测，实时反应电池的使用状态，便于及时了解电池状况。

交流参数检测。系统采用专用的电能计量器件ATT7022B对交流电网的电压、电流、有功功率、功率因数、谐波等参数进行检测，并通过该器件自带的SPI接口与单片机相连。

管理系统与上位机以串行方式通信。上位机可对此系统进行检测，并能修改控制参数，从而实现遥测、遥信、遥控、遥调等四种遥控功能。

设备的硬件原理结构如图2所示。其主要功能模块包括：

（1） 对交流侧母线电压、电流、谐波等参数进行监测，对交流电路进行采样，对离散数据进行处理（一个周期采样20～0次），计算出线路的有功功率、无功功率以及线路的功率因素。这些功能可以采用一个ATT7022B来实现。

（2） 对整流后的直流操作电源线路进行监测。监测其电压、合闸电流以及操作电源是否发生故障等。同时，可以采用监测得到的电压作为二极管自动调压的依据，实现操作电源自动分档调压。

（3） 对备用操作电源设备（蓄电池）进行巡回检测（对单体电池检测），了解电池电量以及相关参数并及时更换电池，控制电池充放电状态．使电池保持最佳状态，有效地延长电池的使用寿命。

（4） 由于设备的功能键盘需求不多，可以采用单片机通用I／O口扩展的矩阵键盘，显示部分采用中文液晶显示模块。

（5） 采用串行通信协议实现与上位机通信，可以远程控制与监测。

根据系统的工艺过程可以知道，系统主要实现的功能有三大模块：交流数据采样模块、蓄电池组管理模块以及直流操作电源信号分析模块，另外还有其他小模块如：显示、键盘、通信模块等，前三大模块并列运行，按巡回方式采样。由定时器设定采样时间。系统运行过程如图3所示。

MSP430系列单片机具有三种低功耗模式，为了减少能耗，可采用中断方式。系统工作流程如图4所示。

3 模块子系统详细设计方案

3.1 直流采样硬件设计

直流采样部分主要包括电池充放电控制、监测以及整流后对操作电压、电流的监测。对电池的管理还包括其温度、电压、容量等。此外，故障报警电路也属于直流模块。直流采样电路可分为电池巡检电路、整流直流电源监测、开关量输入及控制量输出等硬件设计部分。

电池巡检电路包括电池单体电压监测、温度检测、电池充放电以及报警电路。电池单体电压监测包括采样电路设计和巡检逻辑电路。温度检测电路主要分为三路，分别为环境温度、电池组温度、单片机内部温度，共采用三路A／D转换器。电池充电回路采用高频开关整流电源对其充电，部分采用高频开关充电器作为充电电源，采用继电器控制电池组充电。当正常供电时，高频开关电源直接给二次电路继电器供电，一旦主电源出现故障，立即采用备用电源以防止事故的发生，电池组处于常备用状态。报警电路主要驱动一个蜂鸣器和一个报警发光二极管，从而实现声光报警功能。

整流直流电源监测包括电压电流监测和操作电源自动调压控制。直流电压监测可以采用与单体电池电压采样相同的电阻分压方式，可以与单体电池电压进行共地。操作电源包括所有二次测的动作电压，由高频开关电源提供。

开关量输入及控制量输出主要由信号调节电路、控制逻辑电路、驱动电路、地址译码电路、隔离电路等组成，控制量的输出电路构造与之基本相同。

3.2 交流采样硬件设计

交流部分主要用于对交流供电电路的电压、电流、功率、谐波等参数进行实时监测，以保证供电电路的安全运行，并实时地了解三相交流电源的状况，消耗的电能以及无功、功率因素等参数，一旦电源出现故障，可以及时采取故障处理措施。在本设计中，交流模块的采样和计算均由多功能三相电能计量器件ATT7022B实现。为了保证系统安全稳定的运行，本设计采用外部电源结合电池组同时供电的方式。

3.3 通信及人机接口电路硬件设计

该电路设计主要包括人机接口电路设计和串行通信接口电路设计两部分。人机接口电路设计主要包括键盘矩阵电路和液晶显示电路。键盘矩阵电路主要用于输入数据，从而实现人机交互，该系统的键盘设计是采用扫描方式实现矩阵键盘。液晶显示电路作为重要的人机接口元件在智能设备中是非常重要的，本设计采用LCM 12864ZK中文液晶显示屏。通信接口电路设计属于系统与主机以及与操作者之间的信息交流部分。本系统与上位机的通信采用UART异步通信方式。

4 软件设计

4.1 直流模块软件设计

由于系统采用模块化设计，所以各个模块可以独立编程。直流模块的软件设计主要包括对单体电池电压、温度以及系统的开关量输入输出控制等参数进行采样．涉及到采样的巡回时间间隔、温度巡检时间间隔、数据处理方式等内容。

（1） 电池巡检回路的监测主要包括对电池的单体电压、电池温度、环境温度以及电池的充放电状态等参数的测量。温度检测共包括三个子程序，采用中断方式进入温度采集子模块，实现温度采集。

（2） 整流直流母线电源的监控包括电压电流监测和操作电源自动调压装置。该软件模块实现的功能主要包括电压检测、合闸电流检测以及操作电源自动调压装置三部分。

4.2 交流采样软件设计

交流采样部分用于对交流供电电路的电压、电流进行实时采样，并对数据进行相关处理，以获得电网的有功功率、无功功率、谐波等参数。这些功能都可以用一个专用电能计量器件ATT7022B实现。

4.3 通信及人机接口软件设计

人机接口是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。人机接口是智能设备中不可缺少的部分．它是了解与控制智能设备的关键，本设计中主要包括键盘设计、液晶中文显示两个部分。

键盘输入部分由矩阵扫描键盘、键盘总共设置10个功能键，包括：系统复位、电池参数显示、交流参数显示、直流参数显示、开关状态显示、温度显示、上翻、下翻、报警状态复位。另外，还留有一个供扩展的键盘。

结合键盘电路的设计，液晶显示的模式采用默认和中断处理两种方法，在没有任何键输入的情况下，液晶模块显示交流采样数据：一旦有键输入，如电池巡检参数显示，显示模块则立即进入电池参数显示状态。

串口通信实现单片机与上位机的通信，从而将采集到的数据传送到上位机进行处理和控制。

4.4 主程序处理模块

主程序处理模块作为系统的框架，主要负责对各个模块之间的协调处理和数据交互。主程序处理模块首先初始化，主要包括对单片机各个引脚功能的定义以及相应寄存器的赋值，这其中还包括对各个功能模块控制寄存器的赋值和参数的设定。然后进入主程序的处理过程，这中间包括SPI通信和液晶显示两个模块。主程序处理流程如图5所示。整个程序基本采用中断服务结构，为了实现中断程序与主程序之间的数据交互，系统可以适当的定义一些全局变量和全局缓存区来实现数据交互。

主程序经过参数设定后立即进入SPI通信，将交流数据的值存入单片机寄存器中，保存并进行参数整定，然后立即进行开关量状态的扫描（扫描I／O状态）。

由图5可以看出，主程序处理只有两个简单的功能模块，然后是负责标志判断和标志设置。另外就是从指定的缓冲区读取数据或将数据暂存到指定的缓冲区。其他所有的功能模块都由中断处理来完成，主程序只对这些模块进行数据交互。

5 结束语

该系统是基于MSP430F149单片机的一个多任务处理系统，主要面向中小型变电站的自动化运行综合管理，具有专用性强、可靠性高以及造价低等特点。该系统包括蓄电池组单体电压测量、电池以及环境温度检测、操作电源电压及电流检测、交流电压（电流、功率因数）的检测（SPI通信部分）、开关量状态检测、操作电源自动调压控制、电池低压自 动充电控制、键盘及显示、通信等共9个主体模块，同时还保留有一定的扩展空间，基本上能够满足中小型变电站的检测与控制需要。另外。由于该系统的处理器具有运行可靠和多种低功耗运行模式，所以特别适用于变电站这种能量控制单位的使用。