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基于Modbus协议的三相电力智能配电系统设计

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摘要：介绍了一种基于Modbus协议的三相电力智能配电系统。系统以16位MSP430处理器为控制核心，采用SAMES SA9904B三相电参量芯片实现三相电力系统的多种电参量的采集和处理，通过标准的Modbus协议可实现对电力设备的实时在线监测、保护、控制和电能计量等。该系统可以单独作为三相电力配电模块使用，也可以方便接入Modbus通信网络，实现了与其他Modbus设备的兼容，可广泛应用于中低压电力配电系统，达到了电力系统配电自动化、信息化和网络化的发展要求。
关键词：Modbus协议；智能配电系统；SA9904B；MSP430

随着电力自动化技术的发展和电力智能配电系统建设的需要，具有数字化、智能化、网络化、多功能的配电系统日渐成为中低压配电的最基本要求，采用专用的三相电参量采集芯片和高性价比的16位MSP430处理器构建的智能配电系统，并通过RS 485总线实现电力系统通用的Modbus协议，具有适时遥测数据精度高、遥控可靠、遥信号时、低功耗、扩展性好等优点。

1 三相电力配电系统的硬件设计
1．1 TI MSP430F149处理器
    TI MSP430F149是一款超低功耗的高性价比精简指令集16位单片机，最小指令周期125 ns，32 kB的FLASH和2 kB RAM，具有丰富的片上外设资源和5个双向8位IO口，并具有JTAG调试接口，非常适合高性价比低功耗系统的设计。
1．2 SA9904B三相电参量采集芯片
    SAMES公司的SA9904B是专用的电参量采集测量芯片，此芯片具有实时测量三相有功与无功功率／电能、电压有效值和线频率，并可计算功率因数、电流有效值等参数；片内具有精密基准参考电压，保证各电参量的准确采集；具有SPI总线方便与处理器进行接口；芯片自身功耗低于60 mW，具有ESD保护功能。
1．2．1 SA9904B内部结构及功能
    SA9904B是一个高精度专用电能计量芯片，适用于三相三线和三相四线，内部结构如图1所示。内部集成了六路二阶24位∑一△模／数转换器、参考电压电路以及有功与无功电能、有效值、主频率测量的数字信号处理电路，可以测量并计算出各相的有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、电压有效值、电流有效值、功率因数和频率等重要的电参量，SA9904B提供了标准的SPI总线接口，方便与外部的处理器进行电参量的传递。

1．2．2 SA9904B引脚及功能
SA9904B的引脚如图2所示。其中GND为模拟地；VDD为电源的正极，当使用分流电阻检测电流时，接+2．5 V电压；当使用电流互感器时，接+5 V电压；VSS为电源负极，当使用分流电阻检测电流时，接一2．5 V电压，当使用电流互感器时，接0 V电压；IVPl，IVP2，IVP3分别是三相模拟电压采样输入端，当测量的电压为额定电压时，要保证输入到内部A／D转换器的电流有效值为14μA；IIPl，IINl，IIP2，IIN2，IIP3，IIN3分别是三相的模拟电流采样输入端，当测量的电流为额定电流时，要保证输入到芯片上的A／D转换器的电流有效值为16μA；VREF为参考电源的外接电阻端，通常需要接47 kΩ电阻到地；F50为电压过零脉冲输出端，输出的脉冲频率为交流电压的频率，脉冲宽度为1 ms；CS，DI，DO，SCK分别是SPI接口的片选端、数据输入端、数据输出端和时钟端；OSCl，OSC2为外部晶振的输入、输出端。
1．2．3 SA9904B的采样电路及与MSP430F149的接口设计
SA9904B的采样电路分为三相电压和三相电流采样电路，采样电路一般有直接电阻分压网络采亲和互感器采样两种形式，电阻分压网络采样成本低电路简单，但采样系统直接接入电网，没有隔离，易受电网的冲激干扰，严重时会损坏系统，在工业现场一般不采用这种方式。另一种是电压互感器和电流互感器采样电路，能有效隔离电网对系统的干扰，保证了采样的精度并保护了测控系统。在本次设计中，采样选用电压互感器和电流互感器采样电路，图3给出了一相电路的电压和电流采样，其他两相的采样电路与此相同。对于电压采样电路，选用的电压互感器是电流型电压互感器，典型值是2 mA／2 mA，R1是前端限流电阻，Rsh1是电压互感器的终端电阻，R2是电压采样的限流电阻，且要满足当测量的电压为额定电压时，输入IVPl的电流有效值为14μA，如果额定电压为220 V，那么R1=如果R2选用1 MΩ，那么Rsh1=14 kΩ。对于电流采样电路，采用差分采样输入，可有效抑制干扰，选用的电流互感器的典型值是5 A／5 mA，Rsh2是电流互感器的终端电阻，R3和R4是电流采样的限流电阻，要满足当测量的电流为额定电流时，输入电流通道IINl和IIPl的电流有效值为16μA，如果待测线电流的额定电流为5 A，取R3和R4相等，那么如果选用R3=R4=100 kΩ，那么求得Rsh2=320Ω。

MSP430F149的UARTl采用SPI模式可以和SA9904B的SPI总线直接连接，MSP430F149内部产生标准的SPI时序，采用4线主从通信模式，MSP430F149工作在主机模式，STE为SPI选通控制端，UCLK引脚上的UCLK信号是SPI总线的同步时钟，在第一个UCLK周期，已写入UTXBUF的数据以高位在前低位在后的顺序移入移位寄存器，并由SIMO引脚移出，同时从SOMI引脚锁存数据并送入接收移位寄存器，接收移位寄存器满，则把接入数据放入接收缓存URXBUF中，在接收过程中最先接收到的数据位为高位，此时置位URXIFG位，可用中断或查询的方式把接收到的数据读出，从而完成一次通信过程。SPI总线接口方式如图3所示。

2．2 Modbus RTU协议通信实现
Modbus RTU模式的编程要处理数据包的开始和结束时间间隔，即两个数据包之间的至少3．5个字符的时间间隔，才能保证接收数据包的完整性，当接收者接侦测到一个数据包开始时，开始接收数据，并把接收到的第一个数据即地址域和自己的地址相比较，如果相同，则接收完整的数据包并做CRC校验。如果地址不同，则放弃接收过程，等待下一个数据包的开始。在MSP430中实现时，使用了定时器中断来侦测数据包之间的数据间隔，实现的程序流程如图4所示。