基于Modbus协议的高压带电显示器设计

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2020年第21期
基于Modbus 协议的高压带电显示器设计
董文华
（湖北广播电视台，湖北 武汉 430071）
摘 要：高压带电显示器能直观显示高压设备是否带电，被广泛应用于高压系统的进线母线、主变、开关等处。

但目前市场上售卖的高压带电显示器都无数据传输功能，无法与后台监控系统直接整合。

基于此，文章设计了一种基于Modbus 协议的高压带电显示器，实现了对高压设备带电状态的数据采集，扩展了高压带电显示器的应用范围。

关键词：高压带电显示器；数据采集与传输；Modbus 协议中图分类号：TM83 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2020）21-0110-03
作者简介：董文华，男，硕士，高级工程师，研究方向为供电技术、供电安全。

高压带电显示器是一种直接安装在室内电气设备上，能够直观显示出电气设备是否带有运行电压的提示性安全装置。

当设备带有运行电压时，该显示器显示窗发出亮光指示，警示运维人员高压设备带电，若设备无电，则无相应指示。

高压带电显示器通过抽压电容芯棒，从高压带电回路中抽取一定的电压作为显示和闭锁的电源，用于反映装置设置处于带电状态，并能强制闭锁开关柜柜门。

高压带电显示器因其特性被广泛用于进线母线、断路器、主变、开关柜、GIS 组合电器等处，但在实际使用过程中也暴露出一定的不足。

目前，电力监控系统被广泛应用于变配电站所，用于监视和控制电力生产及供应全过程。

但传统的高压带电显示器只能在本地通过指示灯判断系统运行状态，无数据接口提供给后台电力监控系统，这极大地限制了该设备的应用前景。

特别是在广播电视供配电系统中，一般采用双电源供电高压母联互倒的运行方式。

当一路市电停电时，该侧高压进线断路器处于分断状态，后台系统无法通过有效方式检测该侧市电是否来电。

值班人员只能反复检查高压进线柜高压带电显示器，确认是否来电，从而增加了值班人员的工作量。

1 基于Modbus 协议的高压带电显示器总体设计方案
1.1 高压带电显示器原理
高压带电显示器原理如图1所示。

该系统由传感器和显示器两部分组成。

通常，传感器安装在电缆室或母线室，与母线相连，其作用是将高压带电部分的高电压分压，抽取其中一部分低电压提供给显示器使用。

显示器一般是电阻和氖管组成，显示设备带电状态。

当设备带电时，高压电通过传感器分压使氖管发光，提示设备带电。

原高压带电显示器传感器部分采集低电压，经过整流和降压后再经模数转换（ADC
），由单片机保存设备状态。

当后台监控系统请求该设备带电状态时，单片机按Modbus 协议规范向后台系统发送数据。

系统框图如图2所示。

图1 高压带电显示器原理图
图2 系统框图
2 硬件电路设计
2.1 整流降压
经测量，传感器对地输出电压约为交流25V ；无电时，电压约为0V。

为便于数据采集，将输入电压转换为直流5V 标准电压。

为简化设计方案，采用半波整流电容滤波电阻分压电路，如图3所示。

图3 整流与降压电路
（1）电阻选择。

该系统选用STC15F2K60S2单片机（以下简称为STC 单片机）完成
ADC 转换功能。

该单片机ADC 输入口等效阻抗约几十千欧，取分压电阻R 2为10k Ω。

整流滤波后的输入电压为≈35V ，
R 2的电压U 2应不大于5V ，根据欧姆定律可得公式（1）。

（1）
式中：U =35V ，U 2=5V ，R 2=10k Ω，通过计算可得R 1=60k Ω。

根据常用电阻规格表，R 1选择参数为阻值62k Ω、功率1/8W 的电阻，R 2
选择参数为阻值10k Ω、功率1/8W 的电阻。

（2）滤波电容选择。

半波整流滤波电容计算公式如下：
（2）
式中：V p 为输入电压的峰值，V ；V D 为二极管的正
向导通电压，
V ；V r 为纹波电压，V ；f 为交流电频率，
1.2 设计方案
为使设备带电状态能够传送给后台监控系统，利用
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Hz ；R 为负载电阻，k Ω。

其中，V p =35V ，V D =0.7V ，V r ＜1V ，f =50Hz ，R ≈R 1+R 2=72k Ω。

经计算，C ＞9uF 。

根据常用电容规格表，选择参数为容量22uF 、耐压50V 的电解电容。

因有a 、b 、c 三路独立传感器，故系统有三路相同、独立的整流、降压电路，如图4所示。

统时钟频率为11.0592MHz 。

3.1 总体设计与中断分配
系统ADC 数据采集、串行通信、定时器均采用中断方式，ADC 采样周期为1s 。

其中，定时器0作为ADC 采样计时器，定时器1作为判断帧结构计时器，定时器2作为串口波特率发生器。

串口中断优先级设为高，
图
4 系统硬件原理图
2.2 ADC 转换与数据采集
为了把设备带电状态发送给后台监控系统，需要把直流电压模拟量转换为数字量。

STC 单片机集成有8路10位精度ADC 转换器，位于P1口。

高压带电显示器传感器输出为3路电压量，系统使用STC 单片机P1.0～P1.2作为ADC 输入口。

整流降压电路与STC 单片机接线方式如图4所示。

ADC 转换在单片机内部完成，并将转换数据直接存入单片机内部寄存器。

2.3 串口传输与485接口转换
串口数据传输通过STC 单片机集成功能实现，该单片机内部集成3个串口，系统使用串口1。

为便于长距离传输、减少数据差错率，将单片机TTL 电平串口转换为RS-485接口。

系统使用MAX485芯片实现TTL 与RS-485转换。

MAX485工作在半双工状态，使用STC 单片机P3.2控制MAX485
芯片和DE 两个引脚，控制发送、接收数据。

MAX485芯片RO 和DI 端分别与STC 单片机的P3.0/RXD 和P3.1/TXD 相连。

R7为A 和B 端之间匹配电阻，电阻参数为阻值100Ω、功率1/8W 。

MAX485与单片机接线方式如图4所示。

2.4 辅助电路
（1）电源。

该系统工作电压为标准5V 直流电源，一般电力系统操作电源为220V 直流或交流电源，电源模块将220V 直流或交流转换为5V 直流。

电源模块正极与系统VCC 相连，负极与GND 相连。

（2）地址选择开关。

Modbus 协议中设备具有唯一地址，为使不同设备具有不同地址，使用1个4位DIP 开关设置设备地址，DIP 开关与单片机P2.4～P2.7口相连。

DIP 开关与单片机接线方式如图4所示。

3 软件设计
系统软件使用C51语言编写，主要包括ADC 模数
转换、数据采样、Modbus 协议的串行通信等。

CPU 系
图5 定时器0
中断程序流程图
其他中断优先级设为低。

3.2 ADC 模数转换与数据采样
STC 单片机ADC 输入通道使用P1口，通过P1ASF 寄存器可将P1口中的任何一路设置为ADC 输入通道，该系统使用P1.0～P1.2共3个输入通道。

STC 单片机ADC 模块的参考电压为输入工作电压，该系统中为5V 。

ADC 控制寄存器ADC_CONTR 用于选择转换输入通道、设置转换速度及ADC 启动等。

设置SPEED0=0，SPEED1=0，ADRJ=0。

定时器0中断程序流程如图5所示。

定时器0的计时时长为10ms ，当时间到产生中断后，先清除计时中断标志TF0，判断计数器是否计满100（1s ）。

若没计满，则将计数器加1并重新启动计时器；若已计满，则从通道0开始进行ADC 转换，并将计数器清零重新开始计时。

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ADC 模数转换中断程序流程如图6所示。

当一路ADC 转换完成后，将产生ADC 中断。

进入ADC 中断程序后首先清除ADC_FLAG 寄存器，为下次采样做准备。

读取ADC_RES 寄存器的值，并根据端口号存入40H-42H 寄存器，为数据发送做准备。

判断端口号是否等于2，是则说明3个通道都已采样完毕，等待下一个采样周期；否则，将端口号和通道号都加1，并重新启
动ADC 转换，采集下一通道数据。

图7 串行通信中断程序流程图
图8 定时器1中断程序流程图a
败或帧地址不是本机，则直接丢弃该帧，清空接收缓冲，重新接收下一帧数据。

高压带电显示器的状态数据最终到达后台监控系统，并通过监控界面显示。

4 结论
该系统的设计目标是基于Modbus 通信协议的高压带电显示器后台数据传输。

系统采用STC 单片机作为核心控制芯片，使用C51语言编写了Modbus 通信协议，采用RS485接口作为数据传输方式，实现了高压带电显示器与后台监控系统的相互通信。

整个系统具有功耗低、可靠性高的优势，较好地满足了广播电视供配电系统对于设备运行状态的监测要求，并可在类似场景推广，应用前景十分广阔。

参考文献：
[1]邱关源.电路[M].北京:高等教育出版社,2006.
[2]谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C 51程序设计[M].
北京:清华大学出版社,2014.
[3]杨更更.Modbus
软件开发实战指南[M].北京:清华大学出
版社,2017.
图6 ADC 模数转换中断程序流程图
3.3 Modbus 协议通信
系统使用P3.0和P3.1作为串行通信的发送和接收口，P3.2作为控制MAX485芯片的发送、接收控制口。

串口工作方式为1，通信波特率设为9600bps 。

系统使用Modbus 协议，主从模式。

后台监控系统作为上位机向系统请求数据，系统作为下位机，响应上位机请求。

通信传输方式为RTU 模式。

RTU 数据帧从头开始依次为起始位、设备地址、功能代码、数据、CRC 校验、结束位。

因只传输设备带电的状态，系统仅支持功能码03，即读取保持寄存器。

系统的设备地址由DIP 开关进行选择，默认地址范围为80H ～8FH 。

若该地址与其他设备冲突，可在软件中改为其他地址段。

Modbus 协议传输帧的方式是间隔3.5个字符以上再发送下一帧，按1字符包括1起始位、8位数据位、1校验位、1停止位总计包括11位，照此计算，3.5字符就是3.5×11=38.5位，取40位。

帧间隔时间t =(1÷9600)×40=4.2ms 。

串行通信中断程序流程如图7所示。

系统初始处于监听状态，即串口设置为接收状态。

上位机需要获取某一设备状态时，会发送有该设备地址的数据请求帧。

若串口中断为接收数据触发，将收到的数据存入接收缓冲区，重置并启动定时器1，继续接收数据。

若串口中断为发送数据触发，则判断发送区数据是否已发送完毕，若未发送完毕则继续发送下一数据，若已发送完毕则转为接收状态。

定时器1作为判断帧结构计时器，计时时长为4.2ms 。

定时器1中断程序流程如图8所示。

进入该中断说明一帧信息已接收完毕，中断程序首先关闭定时器1，并进行帧信息处理。

先进行CRC 校验，然后检验帧地址是否为本机，若CRC 校验和地址检查都通过，根据上位机请求，生成反馈数据帧写入发送数据缓存区，延时4.2ms （帧间间隔）后逐字节发送。

若发现CRC 校验失。