基于V9821单片机的电量监测及控制策略

王喜卫　杨新磊

摘要：随着经济发展，传统能源逐渐减少，加之环境污染问题加剧，对于进一步解决能源和环境问题，将日益发达的信息科学技术应用于能源领域成为新的趋势。本文采用V9821芯片设计的智能电量监测及控制装置，实现了单芯片单相多功能监测控制装置解决方案，大大降低了开发成本，缩短开发周期，且方便灵活，功能强大，不仅能当作实验平台，还可以广泛应用于消防系统、风机管理、隧道照明及其它需要监测和控制工业设备的相关领域。

关键词：V9821单片机；电量监测；控制方法

一、电量监测及控制装置具体功能需求分析

本电量监测及控制装置主要以现有的电子技术实践经验、理论研究为基础进行功能性设计，因此必须满足相应的原则和要求。首先，需要满足安全性要求，因为本电量监测及控制装置需要直接采集220V市电的电流和电压信息，在实验室需要特别注意强电与弱点隔离，保护人身安全。其次，需要满足实时性和针对性的原则，系统需要进行电流信号、电压信号等模拟量及数字量的采集和输出，进而实时监测设备状态，并对设备发出控制命令，这一切都离不开实时性和针对性；再次，下位机要将采集的数据通过Modbus协议传输到上位机（CPC机），需满足快速可靠分析计算的原则；另外，需满足可拓展及先进性原则，在满足基本功能的情况下，还需要考虑使整个系统采集信息范围更广，适用性更强。

二、V9821核心控制芯片及外围电路设计

（一）系统硬件总体框架

本电量监测及控制装置中首先通过采样电路是将电流采样模块、电压采样模块采集到的模拟信号经过模拟/数字转换成数字信号，再经过信号调理，以便用于后续的其它电参数计算。在电量监测及控制装置中除了具备用于电量计算的电压、电流模拟信号输入外，还设计了采用线性光祸方式的模拟量输入电路及采用光祸方式设计的数字量输入电路，用于用电设备工作状态检测。在输出电路中，设计了采用继电器方式的数字量输出电路及采用 TLC5615芯片的模拟量输出电路用于对设备进行控制。最后结合Modbus通信协议使得整个系统同时具备数据采集、处理、显示及对用电设备参数灵活設置、负载异常保护报警、开关量和模拟量的采集控制功能。

（二）V9821主控芯片

对于本电量监测及控制装置的芯片选择，需要具备电能计量功能及普通MCU基本功能，在芯片选择时有两种方案，一种是采用电能计量芯片配合单片机芯片工作的双芯片模式，另一种则是采用集成电能计量和MCU的单芯片方案。结合国内外己有的微电子技术，从设计成本、简易程度、芯片性能、产品工艺等多方面综合考虑，本设计选择了杭州万高公司生产的V9821芯片，可为电量监测及控制装置提供单芯片解决方案，使得整个设计性价比高、功能集成度高、设计简单、测量精度高、大幅度降低了设计成本。由于V9821芯片集成了电能计量模块、增强型8052内核、LCD驱动模块，在设计时只需要增加模拟量/数字量输入输出、电源模块、EEPROM等少量电路就可以实现本电量监测及控制装置的基本要求。

（三）V9821主控芯片外围电路设计

V9821控制器外围电路主要由复位电路、时钟电路、按键电路和JTAG调试电路组成。V9821芯片内部集成一个起振电路，片外由一个32768Hz的晶体连接芯片CTI和CTO引脚组成，主要用来产生OSC时钟，可为MCU、电能计量模块、LCD和RTC提供时钟，是V9821芯片三个时钟源之一。晶振电路产生的osc时钟，作为基准时钟输入PLL电路，PLL电路将其倍频产生PLL时钟。PLL时钟为MCU、电能计量模块和ADC提供输入时钟，是V9821芯片的另外一个时钟源。最后一个时钟源是由RC振荡电路产生的RC时钟，用于看门狗电路时钟，且会监控OSC时钟电路，当晶振停振时，RC时钟自动代替OSC时钟作为相应电路时钟源。

（四）系统电源电路设计

在整个硬件电路中，电源电路是所有电路的前提，只有正常稳定的电源供电，系统才能正常工作，所以电源的设计是至关重要的且需要满足整个系统所有模块的电源需求。在电源电路设计时需要考虑输出电压值，输出电流最大值、电源纹波等因素。在电量监测及控制装置中，主控制器V9821需要3.3V或SV电源供电，因此需要设计SV直流和3：3V直流电源电路。V9821芯片内部集成5V转3.3V的LDO电路，由LDO33引脚用于输出，用于内部各模拟电路，液晶驱动电路、芯片管脚等供电。

（五）系统显示电路设计

V9821芯片集成了一个LCD驱动电路，可产生SEG和COM信号，驱动液晶屏显示需要显示的内容。驱动电路中包括了4个串联电阻组成的分压网络，用来产生偏置电压，电源3.3V通过偏置电压产生电路可产生3.3V以下需要的任何电压值。LCD液晶主要用于显示测量电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电量、频率等电参量。

三、电量监测及控制装置测试与分析

（一）硬件测试

在硬件调试之前，首先检查电路板导线连接是否正确，是否存在短路或者断路情况存在。在这两项确保无误之后，首先焊接电源部分，需要对整个系统电源部分进行测试，只有保证电源供电正常才能使得整个硬件系统正常工作，否则可能烧坏主控芯片或其他部分，在对电源部分测试时需要用到示波器观察基本电压转换和电源质量。当测试装置供电系统正常工作之后，完成主控芯片、最小系统及程序下载部分焊接工作，下载一个简单的芯片基本功能测试程序对最小系统进行测试。若测试正常，接下来进行下一步工作，若测试出现问题，需要找出问题，按以下步骤进行：首先检查V9821芯片供电管脚电压，在前面电源测试正常情况下，说明芯片存在问题，应当更换芯片，若是管脚电压正常，很有可能是芯片存在管脚损坏。测试完成最小系统，接下来就是逐个加上功能模块，进行相应测试，由部分到整体，结合程序软件完成整个电量监测及控制装置的硬件调试工作。

（二）软件测试

软件测试过程和硬件调试是相辅相成的，在硬件工作正常下，才能保证软件功能的实现，本电量监测及控制装置软件测试环境为IAR Embedded Workbenchfor 8051 mE（830版本），通过配置IAR软件，连接SD502下载器，可以实现在线联调，逐步验证软件功能，同时配合杭州万高公司研发的RegTool软件可以查看个寄存器数据。具体测试步骤如下：首先编写最小系统程序，结合最小系统电路，保证主控制器模块功能实现；然后进行测试芯片各管脚功能，保证整块芯片正常工作；接下来测试时钟、中断、定时器，为各功能模块测试做准备；另外需要测量LCD显示模块，保证显示部分正常；在数据采集和显示正常的情况下，进行系统通信测试，I2C通信测试己经包含在读取寄存器数据过程中，只需用Modbus RTU软件测试参数设置、检测和控制功能；在各个模块测试正常下，将整体程序下载到装置中，进行软件、硬件整体联调。

结束语：

尽管在本电量监测及控制装置的设计中，能满足课题预期要求，实现稳定可靠的运行，但本装置只初步采用目前己有的数据采集技术，随着科学技术的不断发展，系统中还有许多不足之处需要今后不断完善和改进。

参考文献：

[1]余贻鑫，亲文鹏.智能电网的基本理念[J].天律大学学报，2011， 44（5）：377-384

[2]曹军威，万宇鑫，涂国煌等.智能电网信息系统体系结构研究[J].计算机学报，2013，36（1）：143-167