交流電壓峰值是指交流電壓的最大值(正峰值)或最小值(負(fù)峰值)，是工業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)非常重要的參數(shù)。為保證用電設(shè)備的安全，對(duì)供電電壓的峰值進(jìn)行檢測(cè)具有重要意義。針對(duì)以上缺點(diǎn)，采用MSP430系列單片機(jī)、MAX1270模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，并利用Modbus-RTU 協(xié)議，成功地開發(fā)出了低成本、便攜、智能的峰值表設(shè)備。

　　1 測(cè)量原理

　　由于供電電網(wǎng)的波動(dòng)及電網(wǎng)的電壓波形是一種非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其峰值不能通過平均值或有效值間接計(jì)算。該系統(tǒng)采用對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)正弦波在一個(gè)周期內(nèi)多次采樣，并通過冒泡法比較采樣值，得到電壓的最大值或最小值作為其正峰值和負(fù)峰值。顯然只要采樣密度適當(dāng)，完全可以得到真實(shí)的電壓峰值。我國(guó)交流電的頻率為50 Hz，設(shè)計(jì)中采樣頻率設(shè)置為10 kHz，即每個(gè)交流波形周期中采樣200次，足以正確地反映出電壓的變化情況，從而確定電壓的峰值。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)中，以MSP430F449單片機(jī)、MAX1270模/數(shù)轉(zhuǎn)換器為主要器件。前端A/D輸入采用電阻分壓方式將交流電進(jìn)行降壓;采用RS 485芯片作為通信接口芯片，硬件框圖如圖1所示。

　　2.1 A/D輸入調(diào)理保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　以220 V交流電為例，其理論峰值電壓為311 V，但考慮到電網(wǎng)波動(dòng)、正弦波失真等，電壓峰值很可能超過311 V，這時(shí)可根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)情況，選定一個(gè)電壓值作為電壓可能達(dá)到的最大值，假定為500 V。如果MAX1270的輸入范圍設(shè)置為±5 V，則分壓電阻的分壓比應(yīng)設(shè)置為100：1。分壓后的電壓經(jīng)過運(yùn)放緩沖后作為A/D芯片的輸入，為保護(hù)后級(jí)A/D轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)置兩個(gè)穩(wěn)壓二極管組成限幅電路。輸入調(diào)理電路如圖2所示。

　　2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

　　A/D轉(zhuǎn)換電路采用MAX1270芯片，MAX1270是8通道、多量程雙極性輸入、串行輸出、逐次逼近型12位A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣率為110 kS/s。在單+5 V電源供電下，可通過編程實(shí)現(xiàn)±5 V，±1O V，5 V，10 V量程。其中，雙極性輸入十分適合作為交流電壓測(cè)量。

　　MAX1270轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，由MSP430F449的I/O口線控制MAX1270的串行接口。由于MAX1270在5 V電壓供電下，輸出4.5 V以上高電平，而MSP430F449的I/O口電平為3.3 V，因此必須附加一個(gè)接口芯片，以實(shí)現(xiàn)5～3.3 V的電平轉(zhuǎn)換，這里采用MAX3001雙向電平轉(zhuǎn)換芯片。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

　　該設(shè)計(jì)采用RS 485總線，可通過電纜或光纖將信號(hào)有效地遠(yuǎn)傳上千米，配合Modbus-RTU協(xié)議，可方便地與符合Modbus-RTU協(xié)議的控制設(shè)備連接。設(shè)計(jì)中采用MAX3485芯片作為RS 485接口芯片，電路如圖4所示。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)中，主要的軟件模塊包括A/D轉(zhuǎn)換，Modbus-RTU協(xié)議和串口編程。對(duì)于串口編程不再贅述，主要對(duì)MAX1270和Modbus-RTU協(xié)議進(jìn)行說明。

　　3.1 MAX1270編程

　　MAX1270的控制字格式如表1所示，最高START為起始位，保持為“1”;SEL2～SEL0為輸入通道選擇位;RNG，BIP分別為量程和極性選擇位;PD1和PD0為掉電和時(shí)鐘模式選擇位。各位的具體意義請(qǐng)參考MAX1270數(shù)據(jù)手冊(cè)。該設(shè)計(jì)中，MAX1270設(shè)置為：量程10 V，雙極性輸入(即實(shí)現(xiàn)土5 V測(cè)量)、外部時(shí)鐘25 CLK/s正常操作模式，使用通道CH0作為輸入通道，控制字的格式為10000101。

3.2 Modbus-RTU協(xié)議

　　Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其他設(shè)備之間可以通信。Modbus -RTU是Modbus協(xié)議的一種傳輸模式，在該模式下，消息中的每個(gè)8 b包含2個(gè)4 b的16進(jìn)制字符。Mod-bus協(xié)議的核心程序是CRC校驗(yàn)程序的編寫。該系統(tǒng)中采用CRC-16校驗(yàn)法，具體程序?qū)崿F(xiàn)如下：

　　3.3 其他重要子程序

　　程序中采用定時(shí)器中斷觸發(fā)每次采樣，保證采集周期的精度，同時(shí)每次采集時(shí)都以過零點(diǎn)作為采集數(shù)據(jù)的開始。這兩點(diǎn)都有利于提高系統(tǒng)精度。

　　4 測(cè)試結(jié)果

　　通過施加標(biāo)準(zhǔn)正弦波、非標(biāo)準(zhǔn)正弦波、三角波測(cè)試，可使該表的峰值測(cè)量精度高于1級(jí)，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電檢測(cè)的需求。該表與工控組態(tài)軟件MCGS配合，工作良好。此外，該表除了測(cè)量峰值以外，還擴(kuò)展了電壓平均值、有效值的計(jì)算，設(shè)計(jì)成一個(gè)具有多功能的智能儀表。

　　5 結(jié) 語

　　該表的體積小，功耗低，可使用于電池或蓄電池供電，非常適合作為編攜式設(shè)備，隨身攜帶，也可作為功能模塊直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)供電電壓峰值、有效值等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。