基于CAN总线的变压器监测终端硬件设计.doc

基于基于 CANCAN 总线的变压器监测终端硬件设计总线的变压器监测终端硬件设计摘 要 本文针对现在监测系统的要求，首先讨论了本设计的产生、应用背景和设计要求，接着讨论了电网质量监测的集成系统的实现原理，设计了一种基于 80C196KC 的硬件电路，该系统主要有 DS12887 的硬件连接模块，LCD 实时显示模块，RS232 硬件连接模块，SJA1000 和 82C250 的硬件连接,键盘接口电路模块，复位电路模块组成。系统采用以 80C196KC 来控制各模块的设计思想。本论文对每个模块逐一进行了研究，对各模块的工作原理及功能进行了详细的介绍；对基于 CAN 总线的变压器监测终端设计的硬件电路进行了系统的设计。 关键词 单片机 80C196KC；RS232；键盘接口；CAN 总线 Abstract: In view of present monitoring systems need, firstly the article discussed the emergence of the design, the background of application and the design requirements. Then discussed the power network quality monitoring integrated system based on the design of a hardware circuit based on 80C196KC to realize the principle. This system mainly has the DS12887 hardware connection module, LCD real time display module, RS232 hardware connection module, SJA1000 and 82C250 hardware connection module, then the keyboard interface circuit module, the reset circuit module. 80C196KC is used to control each module of the system.This thesis studies one by one for each module. The working principle of the modules and functions have been described in detail. And the hardware circuit of transformer based on CAN bus terminal has been designed to monitor the system. Key words: SCM 80C196KC; RS232; keyboard interface; CAN Bus目目 录录1 引言 .12 变压器监测终端的设计概述 .22.1 变压器监测终端的技术指标 .22.2 变压器监测终端的设计概述 .33 硬件实现 .43.1 80C196KC 的体系结构和硬件描述 .43.1.1 16 位中央处理器 CPU 及系统总线 .43.1.2 中断系统.53.1.3 定时器.63.1.4 存贮器.63.1.5 全双工串行口.73.1.6 A/D 转换器及 PTS 外设 .73.1.7 高速输入器 HIS/高速输出器 HSO.73.2 CAN 通讯电路 .73.2.1 SJA1000 简介和 82C250 简介 .83.2.2 SJA1000 和 82C250 的硬件连接 .103.3 定时监测电路 .103.4 LCD 实时显示电路 .123.5 数据的分页存贮.153.6 RS232 和 RS485 通讯接口电路 .163.6.1 串行通讯.163.6.2 RS232 通讯接口 .163.7 键盘及输入输出电路 .173.8 复位及电源监控电路 .193.9 系统调试过程分析 .20结束语 .21参考文献 .22基于 CAN 总线的变压器监测终端硬件设计1 引言随着城市农村电网的改革，以及对电力需求的增加，供电质量的需求提高，电力部门的经济效益将越来越取决于对供用电各环节进行管理的细致程度，加强对配电变压器的管理是提高电网运行水平的有效途径之一。同时电力市场的发展，使得电力系统对于电能质量的管理越来越受到重视，用户对于电力系统的供电可靠性的要求也越来越高。世界各国纷纷制定了日益完善的电能质量标准，根据这些标准来判断电能质量的优劣。在我国供电系统的设计中，对谐波、负荷电流水平和功率因数进行合理估算，是非常有必要的。在这种情况下，配电自动化得到了蓬勃的发展，变压器监测终端（TTU）应运而生。变压器监测终端主要用于采集一些电力网络参数如：三相交流电压、电流等，将这些参数经过处理后反馈给控制站，然后控制站采取相应的措施以保证各种设备正常稳定地运行，并且和配电自动化主站进行通信，提供配电系统运行监视及控制所需的信息，执行主站发出的调节和控制配电设备的命令，接收上一级的校时命令、参数设置以及信息上传命令等。一般来说，变压器监测终端应具有数据采集与处理、监控、保护、远动通信等功能。它与输电网自动化(输电网调度自动化系统)的监控信息采集内容相比较，具有系统规模大，涉及到的现场自动化设备数量大，种类繁多，从而导致远方馈线终端采集的信息量大，种类繁多，不仅在传统“四遥”方面信息内容有所变化，而且还新增加了许多配电网中特有的信息。TTU 信息采集的特殊性决定了传输TTU 信息的远动通信规约与传统输电网通信规约具有不同的特点。在国外，很多国家都制定了有关电力信号采集和数据通讯的标准，最近我国也制定了相关的标准 IEC6087C-5-101（配电自动化系统中的信息采集与通信规约） ，这将大大提高通讯的标准化，有效的改善了装置的通用性。传统的电路测试是靠分立的仪器组合完成的，如功率装置、波形监测装置、谐波分析装置等。这种测试装置的弊端是体积太大、自动化程度低，无法完成无人监控的目的和数据不集中。新一代的测试系统是集成式的，基于无人监控的目的实现的,克服了传统测试的弊端。本文针对供电企业的需求，建立配电变压器远程监控和负荷现场管理，提高用电监测及负荷管理水平，为加强电力需求侧管理提供技术支持，首先讨论了本设计的产生、应用背景和设计要求，接着讨论了电网质量监测的集成系统的实现原理，设计了一种基于 80C196KC 和 CPLD 的监控装置，来完成弱电对强电的控制。80C196KC 是整个系统的核心即 CPU 部分。之所以选择它，是因为 80C196KC 特别擅长于进行各种控制，而且它本身集成了许多的外设，这样就节省了很多资源。由于可编程逻辑电路的实现简单，修改方便，系统中的逻辑电路部分由 CPLD 来完成，这样大大提高了系统的保密性1。本文详细分析了 80C196KC 的原理，阐述了利用 80C196KC 和各种外设芯片来实现数据存储、处理、显示和通讯，接着讨论了 CAN 总线，并分析了通过 SJA1000CAN 控制器实现 CAN 通讯的原理、方式和过程。在文章的最后给出了在具体设计中应该注意的问题。2 变压器监测终端的设计概述2.1 变压器监测终端的技术指标随着电力电子设备的广泛应用，供电质量和供电可靠性越来越受到重视，电压、电流、谐波、负荷电流水平和功率因数等参数是衡量电能质量的重要参数。变压器监测终端通过采集这些参数，计算并且判断电能质量的优劣，同时与监测主站进行通讯，接收主站下达的各种命令，传送主站所需的各种参数，达到实时监控的目的。变压器监测终端的最主要功能是采集、存贮及通讯。根据变压器监测系统的工程要求，本次设计的要求如下：(1)采集三相交流输入电压、电流量，实现电压、电流、有功功率、无功功率的测量。其中电压的输入范围是 0260V，电流的输入范围是 05A，电压及电流的采样精度是0.5，有功、无功功率的采样精度是0.5，要求能耐浪涌电压 1200V。采集电能表脉冲或多功能电能表信息，实现有功电能量、无功电能量的测量。有功电量的精度是1.5。采集 2 路数字输入量，控制 8 路输出量，事件顺序记录的分辨率2ms。监视变压器油温，记录并上报异常信息。(2)接收上一级的校对命令，时钟日走时误差1s，终端自身时钟的日走时误差5s。当地和远方设置整定值（电压超时值，电流量警告值） ，设置 PT，CT 倍率和时段等参数。(3)当电压、电流连续超整定值时，记录并上报其极限值、发生的起始时间和终止时间（时间记录精确到分） ，至少记录最近 5 次。统计电压合格率，统计失电时间，记录及上报失电的起始和终止时间（时间记录精确到分） 。当终端电源失电时，储存的数据不能丢失。生成电流曲线和典型日的负荷曲线。可以按日、月统计并保存数据，月统计数据可连续保存 2 个月。按设定时段累积计算分时电能量，记录月、年最大需要量及其出现时间。(4)能与上级站或主站控制终端通信，将采集和处理的信息向上发送并接受上级站或主站控制终端的命令。按 IEC6087C-5-101 的通讯规约进行通讯。接受并执行遥控指令及控制继电器的开、合动作，并具有越限报警、过压压、欠、缺相、缺零、谐波越限、保护闭锁及当地控制功能。(5)终端有当地自调试功能。具有自诊断功能，发现终端的内存、时钟、I/O 口等工作异常时应记录及保存。应有上电及软件自恢复功能。能防止负荷引起的瞬时电流过大和电压过低、电容器投切时的瞬时浪涌电压或电流且能防止将异常数据作为运行参数的最高值和最低值存入记录。2.2 变压器监测终端的设计概述随着电力电子设备的广泛应用，供电质量和供电可靠性越来越受到重视，电压、电流、谐波、负荷电流水平和功率因数等参数是衡量电能质量的重要参数。变压器监测终端通过采集这些参数，计算并判断电能质量的优劣，同时与监测主站进行通讯，接收主站下达的各种命令，传送主站所需的各种参数，达到实时监控的目的。变压器监测终端由两大核心部分组成，一是高速数字信号处理器 TMS320F206，另一是 INTEL 的工业级 CPU 芯片 80C196KC。DSP 负责进行数据的采集及处理，而80C196KC 负责进行数据的存贮处理及通讯。两部分通过双口 RAM 进行数据的交换和通讯。参见图 1。图 1 TTU 系统框图变压器监测终端前端首先把经过 CT、PT 三相电压、电流，转换为标称值为 100V和 5A 的电压、电流，再把该信号经过传感器转换为跟随式的标称值为 5V 的电压信号（此处采用西南自动化研究所的 WB 系列传感器） 。信号经过过零比较器生成频率相同的方波，以利于测频和实现缺相检测。同时六路信号通过四阶巴特渥斯低通滤波器和采样保持器滤波采样，由 DSP 控制多路切换开关来选择六路信号分别进入 A/D 转换器SRAMEPROMDS12887遥控输入CAN双口RAMDSPA/D采样遥信输入串行口遥测输入POWERLCD、键盘MAX120。DSP 同时控制 A/D 的采集，且把采集后的数据进行公式计算和 FFT 运算，以实现对各种参数的检测，并把频率、电压、电流、有功功率、无功功率和谐波存入双口RAM 并置位标志位。变压器监测终端后端发现标志位后，从双口 RAM 中读出数据，进行各种判断，并将需要的数据存贮于掉电保护的 SRAM 中，而程序存贮于 32K 的 EPROM 中。一旦上电，80C196KC 单片机将自动的从 EPROM 中读取程序，进行操作。系统时钟由可编程万年历时钟芯片 DS12887 提供，同时由控制中心精确对时。它的各项控制由可编程逻辑器件CPLD(XC95108)完成。如果判断读出的数据值越限，单片机就控制相应的输出继电器动作，进行外部电容器的投切及报警信息的发送。如果值没有越限，继续定时发出信号，控制 DSP 部分开始采集及进行校验。终端与主站通过 RS232、RS485 和 CAN 总线传送信息，RS232 主要做为当地调试接口，RS485 和 CAN 用于远程通讯，它们都采用IEC6087C-5-101 通讯规约。终端响应主站以 101 通讯规约发送的控制命令及各项设置命令，并按照一定的格式把主站需要的数据发送给主站。系统配有键盘输入和 LCD 显示，调试人员可以在现场通过键盘输入命令，直接进行控制并从 LCD 读出所需数据。系统的电源部分采用开关电源模块，使装置能在较宽的电压范围内正常工作。3 硬件实现3.1 80C196KC 的体系结构和硬件描述由于变压器监测终端的数据存贮、处理及通讯都是由 80C196KC 来完成的，这里，首先来了解 80C196KC 的原理。继 8051，8096BH 之后，Intel 公司又推出了一系列高性能的 CHMOS16 位单片机8X196XX.。CHMOS 芯片耗电少，除正常工作外还可工作于 2 种节电方式：待机方式和掉电方式，进一步减少了芯片的功耗。MCS96 家族中的全部成员共享一套指令系统，有一个共同的 CPU 组织结构。根据不同的应用场合，在单片机的内部“嵌入”了以往被认为是“外部范围”的各种电路，于是形成了各种不同型号的单片机2。Intel 的 CHMOS 16 位单片机有很多型号，集成在单片内的“外围设备”花样繁多，80C196KC 就嵌入了时钟发生器，I/O 口，A/D 转换器，PWM，串行口，定时/计数器，监视定时器，高速输入/输出器、还有外设事务服务器 PTS 等外设，系统框图见图 2。3.1.1 1616 位中央处理器 CPUCPU 及系统总线MCS96CPU 由寄存器算术逻辑单元 RALU 和寄存器阵列组成。该 CPU 在结构上的最大特点是：RALU 没有采用习惯的累加器结构，改用寄存器寄存器结构，CPU 的操作直接面向 256 字节的寄存器空间（由 232 字节的寄存器阵列和 24 字节的专用寄存器构成），消除了一般结构中存在的累加器的“瓶颈”效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。同时，由于可通过专用的寄存器来直接控制 I/O 口，也就加速了输入/输出过程。在执行过程中，MCS-96 单片机的总线可以动态地改变，配置成标准的 16 位分时切换的地址/数据总线，或配置成最小方式型的 16 位地址/8 位数据总线，以便适应对外部寄存器进行字节操作或字操作的不同需求3。而 MCS-51 只有 8 位系统总线，不能直接进行字操作。这些都由芯片配置寄存器 CCR (CHIP CONFIGURATION REGISTER)完成。总线宽度受 CCR.1 和引脚 BUSWIDTH 的控制4。 图 2 80C196KC 的基本方框图80C196KC 能提供几种类型总线信号。3 根双功能控制线是：/BHE(/WRH),/WR/(/WRL)以及 ALE(/ADV)。这 3 根控制线所实现的功能由 CCR.2 和 CCR.3 决定。它提供 4 种总线控制方式：标准总线控制方式，写选通方式，地址有效选通方式，地址有效且写选通方式。器件内部提供了 4 种就绪控制方式，这些方式取决于 CCR.4 和 CCR.5 的值，内部就绪控制逻辑用来限制等待的状态周期数，采用慢速器件时，可以把等待状态插入到总线周期内。当 READY 脚被拉低时，就开始把等待状态插进去，一直到 READY 变高，或者等待状态已经等于由 CCR 所规定的状态数时为止，此时要看哪种情况发生在先。CCR.6 和 CCR.7 决定采取哪种方式上锁，提供对内部 ROM/EPROM 的保护。3.1.2 中断系统80C196KC提供了28个中断源，18个中断向量。其中非屏蔽中断NMI、软件陷阱TRAP和非法操作码中断是3种特殊的中断源，各用了1个专门的中断向量，其余25个中断源分享另外15个中断向量。除了硬件中断优先级逻辑外，80C196KC也可以靠软件来确定中断的优先级。3.1.3 定时器80C196KC有2个16位定时器和4个软件定时器，其中定时器1在系统中作实时时钟用，系统运行时不停地循环计数。定时器2根据外部引脚的触发信号而计数，实际上是一个外部事件计数器。4个软件定时器受高速输出器控制，到达预定时间时，设置相应的软件定时器标志，可以激活软件定时器中断。当程序运行时，可能会产生软硬件故障，监视定时器（俗称看门狗）将使系统复位，监视定时器WDT(WATCH DOG)是一个16位计数器，当它启动后，若在64K个状态周期内没有指令清除它，则产生复位信号，将系统复位，重新初始化。这样WDT就提供了一种使系统从瞬时故障中自动恢复的能力。3.1.4 存贮器80C196KC具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间，可寻址范围为64KB，其中0000H01FFH单元和1FFFH2080H单元是有专门用途的，所有其他单元可用于放置程序、数据或由按存贮器映射的外部设备占用。复位时，程序将从2080H单元开始执行。见表1。表1 80C196KC存贮器布局00H1FFH单元包含寄存器阵列、专用寄存器和256字节的附加RAM。其中，00H017H是专用寄存器区，除了P3和P4外，其他所有的片外设装置都由这些专用寄存器控制。018H0FFH是附加的寄存器阵列，可由RALU直接访问，宛如有232个累加器。100H1FFH是附加的256字节的RAM，由于采用了“垂直寄存器窗”结构，可以把512字节中的任何一个部分映射到00H0FFH空间中的顶部，因而CPU就可以对他们直接寻址，即把被映射的部分当作寄存器来使用，使得通用寄存器数增加了256个字节，大大方便了程序的设计。进行切换时，只要写窗口选择寄存器就可以。由于芯片是有内部ROM/EPROM的，当芯片引脚/EA接至高电平时，则指令和数据都从内部ROM/EPROM中读取，否则，CPU将从内部RAM或外部存贮器读取数据，从外部存贮器读取指令。3.1.5 全双工串行口MCS-96单片机具有与MCS-51单片机兼容的全双工串行口。这个串行口有4种工作模式，使它方便地用于I/O扩展，与CRT终端等设备进行通信以及多处理机通信。串行口可利用内部的专门的波特率发生器。3.1.6 A/DA/D转换器及PTSPTS外设MCS-96单片机有一个8通道的10位可变（变为8位）的逐次逼近的A/D转换器，它由一个8通道的模拟多路转换开关、一个采样/保持电路、一个10位逐次逼近A/D转换器、A/D转换器、A/D结果寄存器和控制逻辑组成，使得它特别适用于多路数据采集系统，智能仪器，控制系统等应用领域。作为D/A转换器输出,MCS-96单片机可以直接提供脉宽调制信号，某些电机可以用它字节驱动。脉宽调制输出信号经过积分就可以获得模拟电压信号，这就实现了D/A转换。外部事件服务器 PTS（Peripheral Transaction Server）是一种微代码硬件中断处理器，它可以大大降低 CPU 响应中断的开销。靠若干组固定的微代码，PTS 可以对一些固定的操作实现高速的中断服务。3.1.7 高速输入器HIS/HIS/高速输出器HSOHSO高速输入器HIS用于记录某个外部事件发生的时间，时间基准由定时器1提供，共可记下8个事件。HSI可方便而有效地对脉冲式周期信号进行检测，这对于设计事件捕捉系统非常方便；而HSO可以按规定的时刻去触发某一事件，任何时候，都可以悬挂起8个事件。“高速”意味着这些功能是“自动地”（相对于定时器）实现地，无需CPU的干预。除了高速输入/输出器外，MCS-96还有5个8位的I/O口。这些口有相当一部分是多用途的。其中P0是只用于输入的口，P1是准双向口，P2是多功能口，P3和P4可作为双向口和系统总线。3.2 CAN 通讯电路CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN 越来越受到人们的重视。国外已有许多大公司的产品采用了这一技术。CAN 最初是有德国的 BOSCH 公司为汽车监测、控制系统而设计的。众所周知，现代汽车越来越多的采用电子装置控制，如发动机的定时、注油控制、加速、刹车控制（ASC）及复杂的抗锁定刹车系统（ABS）等。由于这些控制需检测及交换大量的数据，采用硬接信号线的方式不但烦琐、昂贵，而且难以解决问题，采用 CAN 总线上述问题便得到很好的解决。CAN 总线的突出优点使其在各个领域的应用得到迅速发展，这使得许多器件厂商竟相推出各种 CAN 总线器件产品，已逐步形成系列。目前，CAN 已不仅是应用于某些领域的标准现场总线，它正在成为微控制器的系统扩展及多机通信接口。 3.2.1 SJA1000SJA1000 简介和 82C25082C250 简介CAN 的通信协议主要由 CAN 控制器完成。CAN 控制器主要由实现 CAN 总线协议部分和与微控制器接口部分电路完成。SJA1000 是目前市场上用的较广泛的一款 CAN 控制器，它在以往的 CAN 控制器上增添了一些新的功能5,6：(1) 标准结构和扩展结构信息的发送和接收(2) 增加了接收 FIFO（64 字节）(3) 在标准和扩展格式中都有单/双接收过滤器（含接收代码和接受屏蔽寄存器）(4) 增加了读/写访问的错误计数器(5) 可编程的错误限制报警(6) 由功能位定义的仲裁丢失中断 控制器主要由下述几部分构成：(1) 接口管理逻辑：它接收来自微控制器的命令，分配控制信息缓存器，并为微控制器提供终端和状态信息。(2) 发送缓冲器：它有 10 个字节存储单元组成，存储由微控制器写入，将被发送到 CAN 总线的报文。SJA1000 的功能方框图如图 3 所示。图 3 SJA1000 的功能方框图 (1) 接口管理逻辑：它接收来自微控制器的命令，分配控制信息缓存器，并为微控制器提供终端和状态信息。(2) 发送缓冲器：它有 10 个字节存储单元组成，存储由微控制器写入，将被发送到 CAN 总线的报文。(3) 接收缓存器 0 和 1：接收缓存器 0 和 1 均由 10 个字节组成，交替存储由总线接收到的报文，当一个缓存器被分配给 CPU 时，位流处理器可以对另一个进行写操作。(4) 位流处理器：它是一个控制发送缓存器和接收缓存器（并行数据）与 CAN 总线（串行数据）之间数据流的序列发送器。(5) 位定时逻辑：它将 SJA1000 同步与 CAN 总线上的位流。(6) 收发逻辑：用来控制输出驱动器。(7) 错误管理逻辑：它按照 CAN 协议完成错误界定。(8) 控制器接口逻辑：它是与外部微控制器的接口，SJA1000 可直接与多种微控制器接口。SJA1000 的硬件连接如图 4。图 4 SJA1000 的硬件连接图由于 SJA1000 内部有数据锁存器，所以直接将数据/地址信号与它相连，通过 ALE信号将数据、地址信号分离，同时通过译码产生相应串行口的选通信号， /WR，/RD 信号用来控制数据传输方向。SJA1000 可以将输入的并行数据转换成串行数据，也可以将串行数据转换成并行数据，完成接口扩展和通信功能。82C250 是 CAN 控制器和物理总线间的接口，它可以提供对总线的差动发送能力和对 CAN 控制器的差动接收能力。它可以将接收和发送的单线传送方式转换成用 CANH 和CANL 双线传送，这样可以防止在一些工作环境下可能产生的电气瞬变现象。82C250 的主要特性7：(1) 与 ISO/DIS11898 标准全兼容(2) 高速（最高可达 1MBPS）(3) 具有抗工作环境下的瞬间干扰，保护总线能力(4) 降低射频干扰(5) 低电流待机方式(6) 防护电源与地之间发生短路3.2.2 SJA1000SJA1000 和 82C25082C250 的硬件连接SJA1000 和 82C250 的硬件连接如图 5 所示。 图 5 SJA1000 与 82C250 的硬件连接图SJA1000 与两片光隔离放大器 6N137 相连，第一片 6N137 的输出管脚 OUT 与 82C25的 TXD 相连，82C250 的 RXD 输出管脚与第二片 6N137 的输入管脚 IN 相连。串行数据通过光隔离放大器 6N137，250 将发送的串行数据转换为 CAN 总线标准的差分电平信号发送到网络上，82C250 将接收的 CAN 总线标准的差分电平信号转换为串行数据，传给SJA1000，完成 CAN 总线通信功能。总线两端各有一个 120 的电阻，对于匹配总线阻抗起着相当重要的作用,否则，数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信8。3.3 定时监测电路由于整个系统需要定时采集数据，记录越限值的出现时间，统计总的掉电时间等，因此，全局的时钟信号是必须的。DS12887 实时时钟芯片能够满足系统的上述需要。它是一款带有 128 字节的不掉电 RAM 的实时时钟芯片。即使在没有电源的情况下，它内置的电池可以保证它正常工作 10 年。128RAM 中，有 14 个字节是时钟和控制寄存器，另 114 个字节作为通用寄存器使用。寄存器分布图 6 如下：图 6 DS12887 的寄存器分配图前 10 个字节的时间、日历和闹铃寄存器可以以二进制或 BCD 码的形式来操作，A、B、C、D 四个寄存器则用来进行各种控制。寄存器 A 的 UIP 位是标志位，当 UIP=1 时，表示要开始新一轮的刷新。DV2DV0三位用来控制时钟振荡器的开关等，RS3RS0 则控制输出方波的频率。当 SET 位为 1 时，刷新周期被中止，这时，程序能够对时间、日历及闹铃进行初始化。PIE、AIE、UIE 和 SQWE 是中断允许信号，设置为 1 时，周期中断、闹铃中断、刷新中断和方波输出使能中断被允许。DM 位决定了寄存器是以二进制还是 BCD 码来操作的。24/12 位和 DSE 位表征了 24 小时制/12 小时制和夏令时制。C 寄存器的各位都是标志位，PF、AF、UF 分别是周期中断、闹铃中断和刷新中断的标志位，当中断条件满足时，产生中断并置位标志位。当任一中断产生时，IRQF 置为 1。D 寄存器的最高位 VRT 表示了芯片内部锂电池是否还有电，正常工作时，读数为1。DS12887 与 IBM AT 计算机的时钟相兼容，支持 Intel 和 Motorola 两种总线方式，MOT 管脚是总线选择端，接地时选择 Intel 总线方式。它能够正确地进行时分秒年月日以及闰年、闰月的计算直到 2100 年。不掉电 RAM 保证了当系统掉电时，芯片能够记录下掉电的时间，这样，可以对系统掉电时间进行分析和研究。复位信号对时间、日历、RAM 没有任何影响，当复位信号为低时，仅仅使电源电压得到稳定。AD7AD0 是时分复用的信号，直接与单片机的引脚相连。ALE 信号提供给DS12887 作为锁存信号，读写线分别连接 DS 和 AS 管脚。/IRQ 是中断输出信号，每秒产生一个中断，上拉后接至单片机的中断输入管脚。芯片的硬件连接如图 7。图 7 DS12887 的硬件连接3.4 LCD 实时显示电路液晶显示器由于具有显示信息丰富，功耗低，体积小，重量轻等优点，因而是单片机应用系统中最理想的显示器件，近年来被广泛的用于单片机控制的智能仪器、仪表、工业控制领域和家用电器当中。系统选用的是内藏 T6963C 控制器点阵图形式的液晶显示模块 DG-12864-12。T6963C 液晶显示控制器多用于中小规模的液晶显示器件，常被装配在图形液晶显示模块上，以贮藏控制器式图形液晶显示模块的形式出现。T6963C 的特点如下9： （1） T6963C 是点阵式的液晶图形显示控制器，它能与 80 系列的 8 位微处理器直接接口。（2） T6963C 的字符字体由硬件设置，其字体有 4 种：5*8、6*8、7*8、8*8。（3） T6963C 的占空比可从 1/6 到 1/128。（4） T6963C 可以以图形方式、字符方式以及图形和字符合成方式进行显示，还可以实现字符方式下的特征显示和屏拷贝操作等等。（5）T6963C 具有内部字符发生器 CGROM，共有 128 个字符，T6963C 可管理 64K RAM，作为显示缓冲区及字符发生器 CGRAM。并可允许 MPU 随时访问显示缓冲区，甚至可以进行位操作。内藏 T6963C 的液晶显示模块上已实现了 T6963C 与行/列驱动器及显示缓冲取 RAM的接口，同时也已用硬件设置了液晶屏的结构（单/双屏） ，数据传输方式，显示窗口长度，宽度等等。常用的液晶显示模块一般是单屏结构，因此只讨论单屏结构的液晶显示模块。内藏 T6963C 的单屏点阵图形液晶显示模块的方框图 8 如下. 图8 液晶显示模块方框图T6963C 的指令可带一个或两个参数，或无参数。每条指令的执行都是先送入参数（如果有的话） ，再送入指令代码。每次操作前最好先进行状态字的检测。T6963C 的状态字如下所示：STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0STA0：指令读写状态 1：准备好 0：忙STA1：数据读写状态 1：准备好 0：忙STA2：数据自动读状态 1：准备好 0：忙STA3：数据自动写状态 1：准备好 0：忙STA4：未用STA5：控制器运行检测可能性 1：可能 0：不能STA6：屏读/拷贝出错状态 1：出错 0：正确STA7：闪烁状态检测 1：正常显示 0：关显示由于状态位作用不一样，因此执行不同指令必须检测不同状态位。当 MCU 一次读写指令和数据时，STA0 和 STA1 要同时有效处于“准备好”状态。当 MCU 读写数组时，还要判断 STA2 或 STA3 状态。使用 LCD 时，首先初始化 LCD 并清除 RAM 显示，其中在初始化时，进行各种设置。如显示区域的设置、显示方式的设置、显示开关、光标形状选择、数据自动读写方式设置、数据一次读写方式设置、屏读、屏拷贝、位操作等等。显示区域的设置指令格式如下：D1,D2。根据 N1、N0 的不同取值，指令有四种不同的功能：如表 2。 表 2 LCD 的四种显示方式N1 N0 D1 D2指令代码功能0 0低字节高字节40H文本区首址0 1字节数 00H41H文本区宽度（字节数/行）1 0 低字节高字节42H图形区首址1 1 字节数 00H43H图形区宽度（字节数/行）文本区和图形区首地址对应显示屏上左上角字符或字节位，修改该地址可以产生卷动效果。文本和图形区宽度设置用于调整使用的有效显示窗口宽度，这里设置位10H，即 16 字节数/行。清除 RAM 显示区就是将 00H 以自动写指令循环写入 RAM 地址区。汉字显示有两种方式，即文本方式下的汉字显示和图形方式下的汉字显示。由于现在用计算机提取汉字字模已是非常容易的事了，所以系统采用图形方式来显示汉字。显示字符时首先取得汉字字模，每个汉字的字模有 32 个字节，它们以表的形式写入程序。表的首地址加上偏移量就是实际上要显示的内容，同时，显示的时候还可以进行各种显示方式的控制，如：闪烁显示，负向显示，反转显示等。液晶显示模块的接口方式有两种：直接访问方式和间接访问方式，系统采用的是直接访问方式。MCU利用数据总线与控制信号直接采用I/O设备访问形式控制T6963C类液晶显示模块。接口电路如图9所示。图 9 LCD 直接访问方式接口电路3.5 数据的分页存贮80C196KC 总的寻址空间为 64KB，由于系统的外设很多，必须给每个外设分配唯一的地址，这样才能进行芯片的选通。可寻址范围内的外部存贮器的扩展方法比较简单，超过寻址范围扩展外部存贮器时，在硬件和软件上都需要有一些特殊的考虑。鉴于 80C196KC 是带有 ROM 的，EPROM 是必须的，寻址范围为 32KB。又系统要求能进行数据的存贮，其中包括两个月的整点数据、谐波值、越限值、每日的最大最小值等，所以选用了 DALLAS 公司的不掉电存贮器 DS1245，它的寻址范围为 128KB。还有时钟、键盘输入、LCD 输出、与采集板通讯用的双端口 RAM、CAN 控制器等，这些外设都需要唯一的地址来进行选通以保证不冲突，考虑到这些，系统进行了 256KB 的扩展。80C196KC 的寻址空间为 64KB，为了有效的访问 256KB 的扩展存贮器，我们采用了页面技术。把 256KB 存贮器划分为 8 页，每页为 32KB 或 16KW。页面地址（页号） ，即附加的高位地址由 P1 口提供。应该注意的是，MCS-96 系列单片机的低地址部分（0000H7FFFH）包括有保留的存贮区，如中断向量区，芯片配置字节，密钥，复位后程序执行的起始单元等，这些保留单元只应该出现在一个页面上，我们把这个页面称为主页（或 0 页） ，它的逻辑地址就是 0000H7FFFH。为了躲开这些保留单元，其他物理存贮器都映射到 8000FFFFH 逻辑空间。本系统的外设存贮器包括 1 片 32KB 的 EPROM 27256,1 片 128KB 的 SRAM，2 片 1KB的双口 RAM，时钟 DS12887，8255，LCD 和 CAN 控制器，后四种由 138 译码产生选通信号。3.6 RS232 和 RS485 通讯接口电路RS232 和 RS485 都是采用串行通讯的方式来进行通讯，首先讨论串行通讯的特点。3.6.1 串行通讯所谓串行通讯，就是采用两条线，即一条通信线加上一条地线来进行单向通信，传送的信息（数据信息和控制信息）一次传送一位（如 8 位的数据信息分 8 次传送完毕）的通信方式。一般来说串行通信方式有以下特点10：（1）在一根传输线上既传输数据信息又传诵控制信息，这就需要串行通信中的一系列协议 ，从而来识别一根线上传送的信息流，哪一部分是联络信号，哪一部分是数据信号。（2）行通信的信息格式有异步和同步信息格式，与此对应，有异步串行通信和同步串行通信两种方式。（3）由于串行通信中的信息逻辑定义与 TTL 不兼容，故需要逻辑电平转换。（4）为降低通信线路的成本和简化通信设备，可以利用现存的信道（如电话，电报信道），配备适当的通信接口，便可在任何两点实现串行通信。在串行通信中，数据通常是在两个站（如微机、终端等）之间进行传送，按照数据流的方向及对线路的使用方式可以分为以下几种基本的传输方式：单工传输方式,半双工传输方式,全双工传输方式,多工传输方式。串行通讯的基本任务就是进行串/并转换。由于计算机处理数据是并行的，而串行通信是一位一位依次顺序的传送数据。因此，当数据由计算机送至终端时，首先由串行接口电路把并行数据转换为串行数据；而在计算机接收由终端送来的串行数据时，也要由接口电路将其转换为并行数据才能由计算机进行处理。其次要实现串行数据的格式化。在异步通信方式下，接口电路能在发送时自动生成和接收时自动去掉启/停位，在面向字符的同步方式下，接口能在数据块前面加同步字符。总之，接口电路要能实现不同通信方式下的数据格式化。通讯时还要进行可靠性检验，在发送时，接口电路自动生成奇偶校验位；在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验位或其他校验码，以确定是否发生传送错误。3.6.2 RS232RS232 通讯接口RS-232C 接口标准简述：RS-232C 标准时美国电子工业协会（EIA）与 BELL 等公司一起开发的 1969 年公布的通信协议。它适合于数据传输率在 0 至 20000b/s 范围内的通信，它具有以下特性11：机械特性：RS-232C 接口是单端发送，单端接收，传输线上允许一个驱动器和一个发送器。RS-232C 标准接口有 25 条线，其中 4 条数据线，11 条控制线，3 条定时线，7 条备用线和未定义线。它所采用的电缆传输长度与传输的电容有关。它的最大传输距离可达 30m，最大速率 20kb/s,适于相距较近设备的通信。电气特性：RS-232C 标准定义-15V-3V 表示逻辑“1” ，+3V+15V 表示逻辑“0” 。它选择-15V-3V 和+3V+15V 这个范围而不采用 TTL 逻辑（0V5V）的原因是为了提高抗干扰能力和增加传输距离，因此与 TTL 设备连接时需加电平转换接口。MAX232 芯片是常用的 RS-232C 与 TTL 电平转换芯片，它的内部有电压倍增电路和转换电路，只需+5V 电源便可实现 RS-232C 与 TTL 电平转换，使用起来十分方便，一个芯片可连接两对收/发信号线。80C196KC 的 TXD,RXD 与 MAX232 的 T1IN,R1IN 管脚相连，MAX232 将发送的串行数据转换为 RS-232C 标准的电平信号发送到接收端，产生发送中断，供单片机处理；反之 MAX232 将接收的 RS-232C 标准的电平信号转换为串行的数据传给 80C196KC，产生接收中断，供单片机处理，这样就完成了 RS-232 接口通信功能12。MCS-96 的串口与 MCS-51 的串口相兼容，它有 4 种操作模式，3 种是异步的，1 种是同步的。异步模式是全双工的，即能同时收发。接收器是带缓冲的。使用时，首先进行初始化，设置串行口工作方式和通讯速率。考虑到实用性，采用标准异步方式，由于系统的晶振为 16M，波特率选用的是 9600。串行口的波特率决定于 16 位的波特率寄存器（000EH）的内容，该寄存器应以连续 2 个字节装载之，低位字节在先。寄存器的最高位用于选择波特率发生器的输入频率源，最高位为 1，选用 XTAL1 频率（即振荡器频率） ，否则选用 T2CLK 引脚的外部频率。芯片连接图 10 如下。 图 10 RS232 硬件连接图3.7 键盘及输入输出电路作为小型的智能仪器，键盘是不可或缺的一部分，它是最常见的数据或指令输入外设，其优点是结构简单、工作可靠、操作简明、标示明显等。键盘有编码键盘和非编码键盘两种，前者能自动的提供被按键的 ASCII 码并能将数据保持到新键按下为止，同时产生选通脉冲，以通知 CPU 有闭合键输入，这种键盘易于使用，但硬件比较复杂。非编码键盘只简单的提供键盘的行列矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等靠软件完成，故硬件比较简单。由于按键是一个机械开关，所以在键按下或释放的过程中常会发生抖动，抖动的时间约为 1020ms。消除抖动的方法有三种，第一种是采用 RC 滤波电路；第二种是采用软件延时，让 CPU 执行一段延时 1020ms 的延时程序，以等待按键稳定后再让 CPU读入信息并进行处理；第三种是用硬件电路，采用触发器消抖电路13。4*4 的键盘结构如图 11 所示。输出接口输入接口0行1行2行3行1列 2列 3列 4列+5V数据总线接CPU图 11 4*4 的键盘结构图图中列线通过电阻接+5V，当键盘没有键闭合时，所有的行线和列线断开，列线都呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，则该键所对应的列线与行线短路。工作时，首先在 CPU 的控制下，使行线为低电平，其余三根行线为高电平，读列线状态，如果列线都为高电平，则 0 行没有键闭合。如果读出的列线状态不全为高电平，则行列交叉为低处的键为闭合状态；如果 0 行这一行上没有键闭合，接着使 1 行为低电平，其余行线为高电平，用同样的方法检查 1 行这一行上有无键闭合，以此类推。这种逐行逐列的检查键盘的过程称为对键盘的一次扫描。CPU 对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU 空闲时扫描键盘。也可以采取定时控制方式，每隔一定的时间，CPU 对键盘扫描一次，CPU 可随时响应键输入请求。也可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向 CPU 请求中断，以识别哪个键处于闭合状态，并对键输入信息作出响应处理。作为智能仪器，对外设的控制是一个重要的环节，因此有很多的输入输出信号。由于控制的是电力设备，干扰很大，所以输入输出的时候都要加上光电隔离器，光电隔离器的作用是将输入输出的地与系统的地隔离开来，这样外部地上的干扰就不会串入系统内部，影响仪器的正常工作14。下图就是用一路输出控制继电器的硬件接线如图 12。 图 12 输出硬件接线图3.8 复位及电源监控电路 每次上电时，80C196KC 都应复位，为了复位，在 VCC、振荡器和反偏置发生器已达到稳定状态之后，至少要使/RESET 脚保持 2 个状态的低电平。当/RSEET 再次变高时，80C196KC 就开始执行为时 10 个状态周期的复位序列。这个复位序列使一些寄存器初始化，把 PC 寄存器的值置为 0280H，以准备从 2080H 单元开始执行指令。复位序列还把2018H 单元（芯片配置字节 CCB）的内容装载到芯片配置寄存器 CCR。复位信息可能有下列 3 种情况产生：上电或手动复位，监视定时器溢出以及执行复位指令 RST。不管哪种情况下产生的复位信息，都会使/RESET 引脚的电位变低，因而板上的其他芯片就可以利用它的复位信号。由于外设复位的速度比较慢，可能当80C196KC 已经开始执行程序了，但外设还没有复位好，为了解决这个问题，在复位信号后加一单稳态触发器以延长复位信号，如图 13。图 13 多片复位电路系统要实时监控电压的变化，一旦停电要马上记录掉电时间，这需要专门的电源监控芯片，MAX706 就是这种芯片。上电以后，当 VCC 小于 4.40V，/RESET 信号为低，这样/RESET 信号接至 80C196KC 的不可屏蔽中断引脚，记录下断电的时间。当 VCC 大于4.40V 时，200ms 以后，/RESET 信号才从低变高15。3.9 系统调试过程分析由于本系统的结构比较复杂，在调试过程中也遇到了不少的问题，以下就是几个需要注意的问题：（1）由于整个系统由采集板和处理通讯板两部分组成，它们之间的通讯通过双口RAM 来完成。它们是由一更扁平电缆来连接的，所以，扁平电缆要尽可能的短，以降低衰减。同时，在布线中应尽可能的保证数字口的走线尽量短，以防止干扰串入或干扰其他信号。（2）由于外挂的设备比较多，虽然每个设备功耗并不大，但是，总的功耗却不小，故电源线一定要尽可能的粗，这样，有利于降低阻抗，保证系统的稳定和正常的工作。其次，由于某些地址线和数据线走得距离比较长，在单片机的数据和地址线上应加缓冲器（74LS245） ，保证数据和地址的正确读入和写出，在缓冲器的输入端最好有上拉电阻。（3）CAN 总线接口不能单独调试，必须与另外一端 CAN 控制器的试验板联调，单独调试的时候，CAN 控制器报错并自动的退出总线。特别要注意网络匹配电阻 120 欧姆电阻的使用，否则通讯的质量非常差。（4）采用单点接地的方法，模拟地和数字地要严格分开，以防止地噪声的串扰，提高系统的可靠性。地线一定要粗，每个芯片的电源输入管脚和地线间要接入去耦电容，以减少干扰。（5）由于仿真器的接口是插拔式的，多次插拔以后会引起接触不良，调试时必须保证各个管脚是严格接触的。（6）系统要存贮的信息量很大，但是空间却是固定的，只有 128KB，所以必须很认真的进行存贮空间的分配，在保证工作的情况下尽可能的多存数据。结束语变压器监测终端主要用于监测居民小区供电变压器的工作参数,它采集电力网络参数并将这些参数经过处理后反馈给控制站，然后控制站采取相应的措施以保证各种设备正常稳定地运行，并与配电自动化主站进行通信，提供配电系统运行监视及控制所需的信息，执行主站给出的对配电设备的调节和控制，接收上一级的命令。本文在分析了单片机 80C196KC 的系统原理的基础上，通过对 SJA1000 的详细分析，利