小電流接地選線系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的硬件設計

小電流接地選線系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的硬件設計摘要隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，小電流接地故障選線十分重要，尤其要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要要實時、準確。為此，介紹了小電流接地系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的設計，系統(tǒng)主要運用C8051F020來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時準確的采集及有效處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集來的PT/CT信號通過隔離、濾波、放大等前向處理，送入C8051F020進行A/D轉(zhuǎn)換、比較、FFT計算，得到帶有時刻標記的多組信號的幅值和相位并存儲，當GPS接收器收到后向選線信號發(fā)出查詢命令時，將有效數(shù)據(jù)采用GSM方式傳輸給后向處理系統(tǒng)，以便上位機能通過信號的幅值、相位及時判斷出接地故障的準確位置并有效處理。關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)采集；C8051F020；A/D轉(zhuǎn)換；FFT；GPS；GSMHardwareDesignofDataAcquisitionCardforanNeutralLowCurrentGroundedLine-selectionSystemAbstractAlongwiththedevelopmentoftheelectricpowersystem,neutrallowcurrentgroundedsystem’sline-selectionprotectiondevicesareveryimportant,especiallyrequestthedataacquisitionefficient,roducingthedesignofdataacquisitioncardforanunearthedmediumvoltage,systemmainlymakesuseoftheC8051F020tocarryoutthedatatocollectintimeandaccuratelyandhandleeffectively.ThesystemofsmallelectriccurrentconnecttogrounddatacollectsendcollectofthesignalofPT/CTpasstheinsulation,thefilter,theenlargerfrontprocessingetc,intotheC8051F020carriesontheconversionofA/D,compareandtheFFTcalculation,getsomesetrangandmutuallysignalswhithcarrytimenotes,andsavethem.WhentheGPSreceiverreceivethesearthorderfromthehostcomputer,thesystemsendthevaliddatetothehostcomputerinthewayofGSM.Forthepurposeofthehostcomputercanpasstherangandmutually,judgestheaccuratepositionofbreakdownintime,andmaketheeffectprocessing.Keywords:Thedataacquisition;C8051F020;TheA/Dconversion;FFT;GPS;GSM目錄1緒論1.1課題背景“小電流接地系統(tǒng)“即屬于中性點非有效接地系統(tǒng)，也稱中性點不直接接地系統(tǒng)（NUGS），它主要包括中性點不接地系統(tǒng)（NUS）、經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)（NES，也稱諧振接地）和經(jīng)電阻接地系統(tǒng)（NRS）。隨著自動化水平的提高,電力運行部門對故障選線問題提出了更高的要求—要求在正確選線的基礎(chǔ)上能夠進行故障定位,國內(nèi)已有學者進行了這一方面的研究。隨著電力事業(yè)的發(fā)展，對電能質(zhì)量要求的提高，要求配電網(wǎng)絡能夠準確選出故障線路并報警處理，對配電網(wǎng)故障選線的算法研究有著十分重要的意義。電力系統(tǒng)運行要求發(fā)生單相接地故障時能夠迅速、準確的判斷出故障線路，無數(shù)電力工作者為此做了長時間的巨大努力，由于受原理、工藝、技術(shù)等方面的限制，至今未有圓滿的解決，是國內(nèi)外長期存在的一大技術(shù)難題。以往當一條線路發(fā)生的接地故障，需要通過“順序拉閘法”尋找故障線路，用人工巡線目測法確定接地點的確切位置，倒閘操作復雜，造成大量用戶供電中斷，耗費大量人力、物力。而目前廣泛應用的小電流接地系統(tǒng)接地選線裝置普遍存在速度慢、準確性差等缺陷，使得小電流接地系統(tǒng)的單相接地選線仍舊是困擾電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的老、大、難問題。導致小電流接地系統(tǒng)接地選線裝置準確性差的主要原因有：各種數(shù)據(jù)采集速度慢，各種數(shù)據(jù)采集同時性差，帶來相位的差別(2)數(shù)據(jù)計算處理選線速度慢，無法滿足實時性、準確性要求(3)受采樣信號、硬件裝置的限制，選線原理有一定的缺陷所以，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是后向進行故障選線及準確處理的前提，提高前向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的效率和準確性，及時找到一種符合要求的前向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有著十分重大的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢美國、日本等配電網(wǎng)采用低電阻接地方式居多，美國電力行業(yè)一般承認小電流接地系統(tǒng)技術(shù)上的優(yōu)點，但出于經(jīng)濟方面的考慮（存在許多私營電力企業(yè)，全面的改善不合算），目前仍保持低電阻接地方式。在采用小電流接地系統(tǒng)的前蘇聯(lián)、挪威、加拿大等國一直以來使用零序功率方向、零序過電流繼電器，也研制了微機式接地故障繼電器，但都是單條線路的保護，由于技術(shù)方面的原因，接地保護被認為難以實現(xiàn)，并沒有在選線方面做出進一步的研究，也沒有在前項數(shù)據(jù)采集裝置上做出進一步的提高和優(yōu)化，而是寧愿在供電網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)上增加投資以保證供電可靠性。繼電器保護的選擇性等因素在一定程度上影響了小電流接地方式在一些國家和地區(qū)的應用和發(fā)展。由于本身電網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)薄弱，我國從50年代就開始了對小電流選線系統(tǒng)原理和裝置的研究，國內(nèi)接地保護和選線裝置經(jīng)歷了三個階段：繼電器式產(chǎn)品、半導體集成電路裝置和微機裝置的發(fā)展階段。90年代以前采用繼電器、半導體集成電路產(chǎn)品，包括過流繼電器、諧波過流繼電器、諧波功率方向繼電器等，基本上是單條線路保護，依據(jù)故障電流的整定值工作。由于被測信號量小、易受干擾、無法適應各種隨機因素的變化，誤判幾率非常大。90年代以來，電子和微電子技術(shù)的發(fā)展為電力系統(tǒng)提供了強有力的支持，微機選線在一定程度上提高了測量的精度、接地選線的準確性，但靈敏度和可靠性方面尚欠理想，裝置在使用中的表現(xiàn)不能另人滿意。由于受采樣數(shù)據(jù)量、A/D采樣速度及精度和CPU指令速度的限制，使得測量和選線速度慢、準確性差問題仍然嚴重，正確動作率僅為20%--30%，未能很好的解決問題。1.3本文的研究內(nèi)容及目標本文主要介于以上電力系統(tǒng)小電流接地系統(tǒng)存在的問題，對前向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，采用帶有12位A/D及比較器的C8051F020進行采集數(shù)據(jù)的精確處理、存儲，并利用GPS、GSM對數(shù)據(jù)進行及時、準確的發(fā)送。能夠達到實時觀測、控制的效果。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)化設計對上位機進行小電流故障的準確處理、定位起到至關(guān)重要的作用，保障了整個電力系統(tǒng)的有效、良好、健康的運行，提高了系統(tǒng)安全性。2系統(tǒng)設計理論基礎(chǔ)本章主要討論了數(shù)據(jù)采集中的信號處理的基本理論知識，在此基礎(chǔ)上介紹了LM324放大器、C8051F020單片機、74LS74分頻原理以及GSM模塊和GPS模塊。2.1集成運算放大器LM324集成運算放大器（簡稱運放）是一種高輸入阻抗、低輸出阻抗、高放大倍數(shù)且便于調(diào)試的優(yōu)質(zhì)放大器。集成運放內(nèi)部電路通常由偏置電路、差動輸入電路、中間放大電路、輸出及過載保護電路組成。運放的開環(huán)放大倍數(shù)可達106；它構(gòu)成的閉環(huán)負反饋放大電路的電壓放大倍數(shù)只取決于外加電阻的大小，與本身參數(shù)無關(guān)[1]。LM324是一種單片高增益四運算放大器，可在較寬電壓范圍內(nèi)的單電源或雙電源下工作，其電源電流很小且與電源電壓無關(guān)，也不需要外接頻率補償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容。LM324是民用品，工作溫度范圍為0℃~70℃，LM324既可雙電源供電（±1.5~±16V），也可單電源供電（+3~+32V）。2.2C8051F020單片機介紹在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要所選用的芯片應具備較高的處理速度，尤其是A/D轉(zhuǎn)換速度和FFT的計算速度。經(jīng)過論證需要使用一個精度相對高的A/D轉(zhuǎn)換芯片，而通常使用的ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)沒有時鐘，其時鐘頻率需要由單片機來提供，而且需要分頻器件來達到一致。目前大多數(shù)使用的DSP芯片例如TMS320系列都具有很高的處理數(shù)據(jù)的能力和速度，但是我們只是需要進行最基本的FFT幅值和相位的計算，對于我們的課題來說，專門的DSP芯片的性價比太低。這些芯片都不符合我們簡單、經(jīng)濟達到目的的宗旨。經(jīng)過課題的論證，我們選用了Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F020單片機，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，它是最小功耗系統(tǒng)的最佳支持，實現(xiàn)了片內(nèi)模擬與數(shù)字電路的3V供電標準，大大降低了系統(tǒng)功耗；完善的時鐘系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)在滿足響應速度要求下，使系統(tǒng)的平均時鐘頻率最低；眾多的復位源使系統(tǒng)在掉電方式下，可隨意喚醒，從而可靈活地實現(xiàn)零功耗系統(tǒng)設計。非常適合于速度快、可靠性高、擴展功能強和節(jié)電的應用系統(tǒng)。速度提高CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標準的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在這種模式中，廢除了機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位。CIP-51工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25MHz時，它的峰值性能達到25MIPS。圖2-1給出了幾種8位微控制器內(nèi)核工作在最大系統(tǒng)時鐘時的峰值速度的比較關(guān)系[2]。圖2-1MCU峰值執(zhí)行速度比較完善的時鐘和復位系統(tǒng)MCU可有多達7個復位源：一個片內(nèi)VDD監(jiān)視器、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器0提供的電壓檢測器、一個軟件強制復位、CNVSTR引腳及/RST引腳。/RST引腳是雙向的，可接受外部復位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復位信號輸出到/RST引腳。除了VDD監(jiān)視器和復位輸入引腳以外，每個復位源都可以由用戶用軟件禁止。MCU內(nèi)部有一個獨立運行的時鐘發(fā)生器，在復位后被默認為系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行時切換到外部振蕩器，外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。時鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當需要時再周期性地切換到高速（可達16MHz）的內(nèi)部振蕩器。圖2-2片內(nèi)時鐘和復位電路片內(nèi)存儲器CIP-51有標準的8051程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，其中高128字節(jié)為雙映射?？砷g接尋址訪問通用RAM的高128字節(jié)，可直接尋址訪問128字節(jié)的SFR地址空間。數(shù)據(jù)RAM的低128字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。C8051F020中的CIP-51還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的4K字節(jié)的RAM塊和一個可用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的外部存儲器接口（EMIF）。MCU的程序存儲器包含64K字節(jié)的閃存。該存儲器以512字節(jié)為一個扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的外部編程電壓。從0xFE00到0xFFFF的512字節(jié)被保留，由工廠使用。還有一個位于地址0x10000-0x1007F的128字節(jié)的扇區(qū)，該扇區(qū)可作為一個小的軟件常數(shù)表使用[2]。JTAG調(diào)試C8051F020系列具有片內(nèi)JTAG調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口并使用安裝在最終應用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該JTAG接口完全符合IEEE1149.1規(guī)范。調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、堆棧指示器和單步執(zhí)行。不需要額外的目標RAM、程序存儲器、定時器或通信通道。在調(diào)試時所有的模擬和數(shù)字外設都正常工作。當MCU單步執(zhí)行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設（ADC和SMBus除外）都停止運行，以保持與指令執(zhí)行同步?？删幊虜?shù)字I/O和交叉開關(guān)該系列MCU具有標準8051的端口（0、1、2和3）。在F020中有4個附加的端口（4、5、6和7），因此共有64個通用端口I/O。這些端口I/O的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。最獨特的改進是引入了數(shù)字交叉開關(guān)。這是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引腳。與具有標準復用數(shù)字I/O的微控制器不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合。可通過設置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合[2]。串行端口C8051F020系列MCU內(nèi)部有兩個增強型全雙工UART，不“共享”定時器、中斷或端口I/O等資源，所以可以使用任何一個或全部同時使用。兩個UART分別用于連接到GSM和GPS模塊。2.2.212位A/D轉(zhuǎn)換器C8051F020有一個片內(nèi)12位SARADC（ADC0），一個9通道輸入多路選擇開關(guān)和可編程增益放大器。該ADC工作在100ksps的最大采樣速率時可提供真正的12位精度。ADC0的電壓基準可以在DAC0輸出和一個外部VREF引腳之間選擇。ADC0有其專用的VREF0輸入引腳。ADC0C8051F020的ADC0子系統(tǒng)包括一個9通道的可編程模擬多路選擇器（AMUX0），一個可編程增益放大器（PGA0）和一個100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器（見圖5的原理框圖）。AMUX0、PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過圖5所示的特殊功能寄存器來控制。只有當ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置‘1’時ADC0子系統(tǒng)（ADC0、跟蹤保持器和PGA0）才被允許工作。當AD0EN位為‘0’時，AD0C子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。圖2-3ADC功能框圖.1ADC0工作方式ADC0的最高轉(zhuǎn)換速度為100ksps，其轉(zhuǎn)換時鐘來源于系統(tǒng)時鐘分頻，分頻值保存在寄存器ADC0CF的ADC0SC位。.2啟動轉(zhuǎn)換ADC0有4種轉(zhuǎn)換啟動方式，由ADC0CN中的ADC0啟動轉(zhuǎn)換方（AD0CM1，AD0CM0）的狀態(tài)決定。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有：(1)向ADC0CN的AD0BUSY位寫1；(2)定時器3溢出（即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換）；(3)外部ADC轉(zhuǎn)換啟動信號的上升沿，CNVSTR；(4)定時器2溢出（即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換）。我們在設計中選擇第二種方式。AD0BUSY位在轉(zhuǎn)換期間被置‘1’，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復‘0’。AD0BUSY位的下降沿觸發(fā)一個中斷（當被允許時）并將中斷標志AD0INT（ADC0CN.5）置‘1’。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被保存在ADC數(shù)據(jù)字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在寄存器的DC0H:ADC0L的存儲方式可以是左對齊或右對齊，由ADC0CN寄存器中AD0LJST位的編程狀態(tài)決定，我們選擇右對齊方式。2.2.3比較器C8051F020有兩個片內(nèi)電壓比較器。每個比較器都有輸入引腳。每個比較器的輸出都可以經(jīng)I/O交叉開關(guān)連到外部引腳。當被分配了封裝引腳時，每個比較器輸出都可以被編程為工作在漏極開路或推挽方式。圖2-4比較器的功能框圖在比較器輸出的上升沿和/或下將沿都可以產(chǎn)生中斷。比較器0的下降沿中斷置‘1’CP0FIF標志，比較器0的上升沿中斷置‘1’CP0RIF標志。這些位一旦被置‘1’，將一直保持‘1’狀態(tài)直到被軟件清除?？梢栽谌我鈺r刻通過讀取CP0OUT位得到比較器0的輸出狀態(tài)。注意，在上電后直到比較器能穩(wěn)定工作之前應忽略比較器輸出和中斷。通過置‘1’CP0EN位使能比較器0，通過清除該位禁止比較器0。在上電或CP0EN位置1后大約要經(jīng)過20us的建立時間，比較器輸出才能穩(wěn)定。2.3GSM模塊介紹2.3.1LQ-8100模塊介紹GSM（GlobleSystemforMobile）網(wǎng)絡是目前國內(nèi)覆蓋范圍最廣，應用最普遍的無線通信網(wǎng)絡，故構(gòu)建這種遠傳系統(tǒng)時，完全可以利用現(xiàn)成的GSM無線網(wǎng)絡無需再新建基站。因此我們選擇GSM無線網(wǎng)絡作為無線通信網(wǎng)絡，下面將我們選用的LQ-8100型GSM模塊介紹如下：LQ-8100無線數(shù)傳模塊是基于GSM/GPRS通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸和遠程監(jiān)控終端設備，適用于GSM/GRPS網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的各種室內(nèi)或野外惡劣環(huán)境的使用場合。2.3.2系統(tǒng)特點(1)實現(xiàn)串口透明的無線數(shù)據(jù)傳輸(2)遠程修改數(shù)據(jù)功能(3)穩(wěn)定可靠：LQ8100采用的是先進的GPRS模塊，性能穩(wěn)定可靠(4)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸：當串口接收到數(shù)據(jù)時，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳送到中心服務器，或接收中心服務器發(fā)送的串口數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對終端設備的控制。(5)高速傳輸：GPRS網(wǎng)絡的傳輸速度最快將達到171.2Kbps，速率的高低取決于移動運營商的網(wǎng)絡設置2.3.3技術(shù)參數(shù)串行數(shù)據(jù)接口波特率：1200bps~19200bps,出廠值默認設置為9600bps發(fā)射功率：Class4(2W)/EGSM,Class1(1W)/DCS1800待機電流：40mA(模塊)輸入電壓：DC5V/1A工作環(huán)境溫度：－35℃～＋75℃2.3.4連接與數(shù)據(jù)格式引腳連接LQ-8100型GSM數(shù)傳模塊采用的是三線制串口，即TXD、RXD、GND三條線，沒有其他任何握手和數(shù)據(jù)控制線。LQ-8100無線數(shù)傳模塊為標準的DB9針接口。LQ-8100與用戶數(shù)據(jù)接口接線示意圖表2-1接口引腳定義通訊協(xié)議上傳數(shù)據(jù)格式：起始符53S為ASCII碼（下同）起始符54T起始符52R分隔符，地址（百位）地址（十位）地址（個位）分隔符，開關(guān)量1分隔符，開關(guān)量2分隔符，電壓U1（百位）電壓U1（十位）電壓U1（個位）分隔符，電壓U2（百位）電壓U2（十位）電壓U2（個位）分隔符，電壓U3（百位）電壓U3（十位）電壓U3（個位）分隔符，電流I1（百位）電流I1（十位）電流I1（個位）分隔符，電流I2（百位）電流I2（十位）電流I2（個位）分隔符，電流I3（百位）電流I3（十位）電流I3（個位）分隔符，電壓U1（百位）電壓U1（十位）電壓U1（個位）分隔符，……20次…分隔符，1BESC1BESC1BESC下傳數(shù)據(jù)格式：序號定義格式1S（開始）53H2立即上傳／否31H：立即上傳30H：否3定時時間（分）百位4定時時間（分）十位5定時時間（分）個位6開關(guān)控制高4位0011P07P06P05P047開關(guān)控制低4位0011P03P02P01P008ESC（結(jié)束）1BH2.4GPS模塊介紹2.4.1概述所謂“GPS”，就是英文“全球定位系統(tǒng)”三個詞的詞頭縮寫，它由平均分布在圍繞地球的6個圓形軌道上的24顆人造地球衛(wèi)星（即導航衛(wèi)星），分設在美國本土及其屬地上的監(jiān)控站、注入站、監(jiān)測站、以及廣泛裝備于飛機、艦艇、坦克乃至單兵的GPS接收機等組成。在本設計中，我們選用GPS15型接收器來實現(xiàn)信號的實時控制[3]。2.4.2GPS15模塊特點并行12通道GPS接收機，可同時跟蹤12顆衛(wèi)星，定位精度高，功耗低。

(1)DGPS實時WAAS差分或偽距差分，差分精度3-5米。(只適用于GPS15L/GPS15H)

(2)體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，易于應用，接收機信息可方便的顯示于顯示單元或PC機上。

(3)全屏敝封裝，具備優(yōu)秀抗電磁干擾特性。

(4)用戶無需初始化，安裝完畢，接收機即可自動傳送導航數(shù)據(jù)。

(5)1PPS秒脈沖輸出精度可達到±100ns，脈沖寬度20ms-980ms可調(diào)。(只適用于GPS15L/GPS15H)

(6)可從COM1接口上輸出二進制載波相位數(shù)據(jù)。

(7)多種供電模式，3.3V（GPS15）；3.3V－7V（GPS15L）；8V-40V（GPS15H技術(shù)特點結(jié)構(gòu)：12并行通道定位時間：熱啟動<15秒重新捕獲<2秒

冷啟動<45秒自動搜索<300秒速度限制：515米/秒位置精度：3-5米動態(tài)特性速度：<515米/秒工作電壓：3.3V（GPS15）；3.3V－7V（GPS15L）；8V-40V（GPS15H）GPS15COMS電平輸出：傳輸速率可通過跳線設置，出廠設置為4800bps。GPS15L/GPS15H：RS232電平輸出；輸出速率：300、600、1200、2400、4800、9600、19200bps用戶可選.1PPS輸出精度（只適用于GPS15L/GPS15H）：±100ns工作溫度：-30℃-+80℃3系統(tǒng)的組成及工作原理3.1數(shù)據(jù)采集卡的組成原理框圖電源轉(zhuǎn)換電源轉(zhuǎn)換電源電源12bitADC放大濾波隔離12bitADC放大濾波隔離3v5vJTAGJTAG比較器比較器DD觸發(fā)器電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換UART0GSMUART0GSM/INT0//INT/INT064k64kFLASH電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換UART1GPSUART1GPS256bRAM256bRAMVREF0定時器VREF0定時器VREF0VREF0U看門狗內(nèi)部晶振看門狗內(nèi)部晶振圖3-1數(shù)據(jù)采集卡的原理框圖3.2數(shù)據(jù)采集卡的工作原理該系統(tǒng)將采集來的CT電流信號通過模擬通道隔離、濾波、放大，得到穩(wěn)定的信號，送入C8051F020進行128次A/D轉(zhuǎn)換，把模擬量變成數(shù)字量；同時，將采集來的PT電壓信號通過模擬通道隔離送入74LS74和F020單片機內(nèi)的比較器CP0組成的電路產(chǎn)生整形后的方波。為了測量準確，先后測量八組周期值并求出平均值作為PT信號的周期值。然后在片內(nèi)對信號在一周期內(nèi)除以128求采樣周期。把采樣周期值送給片內(nèi)定時器T3作為溢出值，當T3溢出而且收到GPS的1PPS的脈沖時，啟動ADC0對處理好的CT信號轉(zhuǎn)換，將128點轉(zhuǎn)換值再進行FFT運算，計算出各點的幅值和相位值存入單片機中。當收到后向系統(tǒng)發(fā)來的查詢命令時，將規(guī)定的幾組有效數(shù)據(jù)通過GSM模塊發(fā)送出去，使上位機及時判斷出故障位置。濾波放大I/V隔離濾波放大I/V隔離CT74LS74A/D/INT074LS74A/DCP0CP0隔離隔離FFTPTFFT發(fā)送數(shù)據(jù)存儲發(fā)送數(shù)據(jù)存儲單片機單片機圖3-2數(shù)據(jù)采集卡的原理流程圖4硬件電路的設計4.1硬件電路設計原理圖（見附錄3）4.2前向通道的設計采集到的PT/CT信號為模擬信號，其輸出幅度很小，且伴有噪聲和干擾，和非線性，不益于對信號的處理及發(fā)送。為了滿足后向的測控要求，在送到后續(xù)電路進行變換之前，要對他們進行預處理，即隔離、放大、濾波、整形等處理。4.2.1信號隔離放大電路由PT、CT生成的電流信號，經(jīng)過電位器W1由電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。采用運算放大器LM324，對產(chǎn)生的電壓信號起到射隨、隔離和放大作用（如圖4-1）[4]。CT電流MAX7400圖4-1前向電流信號隔離電路由PT、CT生成的電壓信號，經(jīng)過LM324所組成的電路，信號被隔離，這是為后來的信號處理生成需要的弱信號服務的[5]。接74PT電壓圖4-2前向電壓信號隔離電路典型應用電路及引腳圖如圖4-3所示,圖中COM引腳用于設置共模輸入電壓,內(nèi)部分壓電路將其設置在電源電壓的中心位置。OS為失調(diào)調(diào)節(jié)輸入引腳,用于調(diào)整輸出直流電平,不需調(diào)節(jié)時可直接將其接到COM引腳,VOUT=(VIN-VCOM)+VOS,其中,VCOM典型值為VDD/2;(VIN-VCOM)經(jīng)低通開關(guān)電容濾波器濾波,VOS疊加在輸出級。我們需要分別需要值為50Hz和250Hz的基波和五次諧波，可以通過改變參數(shù)來做到[6]。圖4-3MAX7400引腳及電路連接圖此LM324所組成的電路是對濾波出來的信號起到放大的作用。MAX7400AIN0.0圖4-4放大電路的連接4.3PT信號的頻率測量4.3.1頻率測量原理單片機測量頻率有兩種方法：測頻法和測周期法。前者就是在單位時間里對被測信號脈沖進行記數(shù)；后者是在被測信號周期時間里對某一基準時鐘脈沖進行記數(shù)。由于采用測量頻率法時容易在定時時間里出現(xiàn)脈沖丟失，引起測量精度降低。脈沖頻率越低，這種誤差越大。對于較低頻率的脈沖測量不宜用測量頻率法?？紤]到具體情況，本實驗采用脈沖頻率的周期測量法[7]?；驹硎窃诒粶y信號周期T內(nèi)，對某一基準時間進行記數(shù)，基準時間與記數(shù)值的乘積便是周期T。用C8051F020的定時器/計數(shù)器對頻率為fs的脈沖進行周期測量的接口電路如圖4-5所示。圖中的D觸發(fā)器74LS74實現(xiàn)脈沖頻率到周期的轉(zhuǎn)換。其實際上是實現(xiàn)PT信號的二分頻。其Q輸出端作C8051F020的/INT0輸入，控制啟動T/C0開始定時，即對機器周期脈沖進行記數(shù)。fs頻率脈沖與周期轉(zhuǎn)換波形見圖6。當/INT0變?yōu)榈碗娖綍r，關(guān)閉T/C0，同時/INT0下降沿產(chǎn)生中斷請求。在/INT0的中斷服務程序中，對記數(shù)結(jié)果進行處理。T/C0的定時記數(shù)值便是周期的測量[8]。圖4-5測量周期電路連接4.3.2頻率與周期波形PT信號輸入輸出（/INT0）Ts圖4-6分頻波形4.4電平轉(zhuǎn)換電路的設計眾所周知，RS-232C使用-3到-25V表示數(shù)字“1”，用3V到25V表示數(shù)字“0”，RS-232C在空閑時處于邏輯“1”狀態(tài)，在開始傳送時，首先產(chǎn)生一位起始位，起始位為一個寬度的邏輯“0”，緊隨其后為所要傳送的數(shù)據(jù)，所要傳送的數(shù)據(jù)從最低位開始依次送出，并以一個結(jié)束位標志該字節(jié)傳送結(jié)束，結(jié)束位為一個寬度的邏輯“1”狀態(tài)[9]。以上信號在通信過程中可以全部或部分使用，最簡單的通信僅需TXD、RXD及GND即可完成，其他的握手信號可以做適當處理或直接懸空。單片機和GSM模塊、GPS模塊之間使用MAX232芯片。（如下圖所示）圖4-7MAX232芯片引腳圖MAX232與GSM模塊及GPS模塊的連接中，上部分電容C1、C2、C3、C4及V+、V-是電源變換部分。在實際應用中，器件對電源噪聲很敏感。因此，Vcc須要對地加去耦合電容C5，其值為0.1uF。電容C1、C2、C3、C4都選用鉭電解電容，電容值為1.0uF（耐高壓值高于16V），可以提高抗干擾能力。下半部分為發(fā)送和接受部分。實際應用中，T1IN、T2IN和R1OUT、R2OUT可分別連接TTL/COMS電平的51單片機的串行發(fā)送端TXD和RXD；T1OUT、T2OUT和R1IN、R2IN分別連接至RS-232電平的GSM模塊的串行接收端和發(fā)送端[10]。圖4-8GSM模塊和單片機之間的連接4.5電源轉(zhuǎn)換電路的設計C8051f020單片機的供電是低功耗的，要求供電電壓為3.3V左右，而外圍芯片的供電電壓都是5V供電的。雖然C8051F020自身具有5V兼容的串口，但是電源部分應該加電源轉(zhuǎn)換電路以達到電壓的匹配，而且還可以起到避免干擾信號串入的作用[11]。經(jīng)過論證，AS1117型DC-DC芯片符合設計的要求（芯片的引腳圖如下）。它的典型輸出電壓是2.85V，可通過改變電阻的值來達到所需要的輸出電壓，其典型的連接電路如圖4-10。圖4-9AS1117芯片引腳圖圖4-10典型電壓轉(zhuǎn)換電路連接4.6C8051F020的硬件設計4.6.1晶振的選擇由于系統(tǒng)需要高速運行以達到數(shù)據(jù)采集的及時、有效，快速的發(fā)現(xiàn)錯誤，所以單片機在一般情況下采用內(nèi)部震蕩器作為時鐘源。但是內(nèi)部時鐘的誤差太大，在串口通訊的過程中，要選用外部時鐘，其外圍硬件連接圖如下。內(nèi)外時鐘的切換可以通過軟件的設置來實現(xiàn)。圖4-11內(nèi)部晶振的連接4.6.2接地管理在電源處接去耦電容接到模擬地上，可以減少干擾回路的面積降低電磁干擾輻射，可以把數(shù)字電流引起的干擾耦合到地，而不在外部電路的地中出現(xiàn)。為了使電容耦合最小，兩者沒有交迭，兩個獨立的地在電源的公共“星”型地處通過瓷珠接到一起。同樣電源處也應該連接電感以防止干擾，如圖所示。圖4-12接地處理連接圖4.6.3A/D轉(zhuǎn)換的硬件連接ADC的最大輸入電壓為VREF，它的輸入電壓范圍是0V-AV+/VDD。輸入電容為10pF；輸入阻抗等價于一個5kΩ電阻和一個10pF電容的串聯(lián)。為了使ADC具有更好的性能，可在VREF接一個0.1uF的陶瓷電容，目的是為了降低VREF的噪聲。VREF的噪聲越小，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的噪聲就越小。ADC有4個參考電平引腳，VREF、VREF0、VREF1和VREFD。使用外部基準時，必須把VREF0和VREF相連。交叉開關(guān)配置和串口連接C8051F020的兩個串行通信接口UART0和UART1，分別用于連接到GSM模塊和GPS模塊，通過優(yōu)先權(quán)譯碼表得到引腳分配，系統(tǒng)將P0.0和P0.1分別給UART0端口的TDX和RDX，而P0.2和P0.3分別給UART1端口的TDX和RDX。P0.4配置給CP0，P0.5配置給T0，P0.6給/INT0，P0.7給CP0的輸出，P3.4給1PPS脈沖輸入。這些配置可以通過軟件設置交叉開關(guān)寄存器（XBR0、XBR1、XBR2）來實現(xiàn)。5軟件設計5.1主程序及初始化程序框圖開始系統(tǒng)初始化開始系統(tǒng)初始化調(diào)用測周期子程R7=0？調(diào)用求平均子程調(diào)用求采樣值子程T3溢出？T3初始化（00H）=1？FFT變換調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換收到1PPS？發(fā)送數(shù)據(jù)YYYNNNN開始T0開始T0為方式1，定時器ADC0選為T3溢出中斷P0.0=CP0,P0.1=/INT0設內(nèi)部晶振fosc=2MHz開看門狗復位關(guān)外部晶振串口、gps脈沖引腳初始化結(jié)束結(jié)束圖圖5-2初始化流程圖圖5-1圖5-1主程序流程圖返回5.2周期測量程序框圖開始開始T0T0定時、方式1GATE=1T0T0清零啟動T0啟動T0存儲存儲N8N8組測完？YY返回返回圖5-3八組PT周期測量流程圖5.3求PT周期的平均值及A/D采樣值將測得的八組數(shù)據(jù)逐個累加，和送入R3、R4和R5中，從高到低依次為R3/R4/R5,R2作為數(shù)據(jù)指針送數(shù)據(jù)組數(shù)8，除數(shù)放在R7中，將累加和除以8，得到的平均值存入外部0010h、0011h，同時存入內(nèi)部f0、f1中，為了觀察方便，其中f0為高位，f1為低位。采用帶進位位的循環(huán)右移來求采樣值，每右移一位即除以二，分128點只需右移7位即可。將求得的平均值存入0012h、0013h中。其程序流程圖如下：保持首址CLRR3保持首址CLRR3R4R5R3R4R5/R7R7＝8作為除數(shù)恢復首址INCR3累加和送R4、R5R2=8初始化數(shù)據(jù)指針有進位R2=0商存R4R5YNNY開始YR7＝07hCLRCYR7＝07hCLRC開始開始均值均值A(chǔ)RRCAR7-1RRCAR7-1NR7=0NR7=0返回返回求T3初值初值圖5-5求采樣值的流程圖返回返回圖5-4求PT采樣周期的流程圖5.4A/D轉(zhuǎn)換的軟件框圖本設計中采用定時器3溢出啟動方式movADC0CF,#0F8h;movADC0CN,#084h，數(shù)據(jù)字由ADC0CN寄存器中AD0LJST位的編程狀態(tài)控制為右對齊。AD0BUSY位在轉(zhuǎn)換期間被置‘1’，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復‘0’。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被保存在ADC數(shù)據(jù)字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。采用ADC0中斷。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存入0014H開始的連續(xù)單元中。其程序流程圖如下：收到收到1pps？T3溢出NYADC0使能開ADC0中斷AD轉(zhuǎn)換關(guān)ADC0中斷AD復位YN00H=1NY開始開始返回返回圖圖5-6CT的A/D轉(zhuǎn)換流程圖6系統(tǒng)的抗干擾設計由于數(shù)據(jù)采集通道直接與現(xiàn)場被檢測對象直接相連，是干擾信號串入的主要通道，因此抗干擾設計是數(shù)據(jù)采集通道設計的一個重要問題。為保證系統(tǒng)能長期可靠的運行，系統(tǒng)在硬件和軟件兩方面采取了有效的抗干擾措施。6.1單片機中的硬件抗干擾設計應在設計過程中充分考慮抗干擾性的要求。分析系統(tǒng)中可能引起干擾的部件，采取必要的硬件抗干擾措施，抑制干擾源、切斷干擾傳播途徑。下面是C8051F020單片機硬件抗干擾的具體措施：模擬電源和數(shù)字電源分別使用兩個穩(wěn)壓源供電。在地線方面，模擬地線和數(shù)字地線要分開布線，然后在一點通過0歐姆的繞線電阻連接。在布線時，地線要盡可能的粗，或大面積覆地，電源線也要盡量的粗。所有的模擬電源、數(shù)字電源、模擬地、數(shù)字地都不能懸空。在不用時，JTAG引腳接地，這樣可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使能MONEN引腳不懸空。六、晶體震蕩電路在電路板上的布局非常敏感，應將晶體盡可能的靠近器件XTAL引腳，并在晶體引腳接上33pF左右的電容。6.2軟件抗干擾措施一般來講，竄入微機測控系統(tǒng)的干擾信號，其頻譜往往很寬，采用硬件抗干擾措施，只能抑制某個頻率段的干擾，仍有一些干擾會進入系統(tǒng)。因此，除了采取硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。對PT信號的周期測量值測多組然后再求平均。采用看門狗復位，通過周期性的寫入MOVWDTCN,#0A5指令，可防止看門狗溢出，重新啟動和允許看門狗。不用的代碼空間全部清0，這樣可在程序跑飛后再重新運行。7軟硬件調(diào)試7.1調(diào)試環(huán)境和步驟C8051F020單片機的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）提供了開發(fā)與測試項目所必須的工具。他具有片內(nèi)JTAG邏輯和調(diào)試電路，通過JTAG接口并使用安裝在最終應用系統(tǒng)中的器件就可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試，而不需要額外的目標RAM、程序存儲器、或者通訊通道。調(diào)試電路通過邊界掃描方式獲取單片機片內(nèi)信息，通過4線的JTAG接口與開發(fā)工具連接，以便于進行對單片機在片編程調(diào)試。適配器(EC2)一端與計算機相連，另一端與C8051F單片機JTAG口相連。應用Cygnal提供的IDE調(diào)試環(huán)境或Keil的uVision2調(diào)試環(huán)境就可以進行非侵入式全速的在系統(tǒng)編程。開發(fā)工具與PC機硬件連接：將JTAG扁平電纜與串行示配器EC2連接將JTAG扁平電纜的另一端與目標系統(tǒng)連接將RS232串行電纜的一端與EC2連接連接RS232串行電纜的另一端到PC給目標系統(tǒng)上電插入CD并運行SETUP.EXE將IDE軟件安裝到您的PC機在PC機的開始菜單的程序項中選擇CygnalIDE點擊Cygnal圖標運行IDE軟件圖7-1JTAG引腳圖如圖所示,將系統(tǒng)的硬件與PC機聯(lián)接好.ＰＣ機適配器U-EC2目標系統(tǒng)ＰＣ機適配器U-EC2目標系統(tǒng)AC/DCAC/DC電源圖7-2系統(tǒng)的硬件與PC機連接圖根據(jù)畫好的電路原理圖連接好電路，安裝好調(diào)試驅(qū)動程序，利用實驗室的計算機、可調(diào)信號源、示波器來對軟、硬件進行調(diào)試。采用分步、分塊調(diào)試的方法進行調(diào)試。調(diào)試步驟如下：一、前向通道的調(diào)試先斷開74LS74與放大電路的連接，給它輸入TTL信號，用示波器觀察輸出為穩(wěn)定的二分頻信號，則說明74LS74正常工作。將模擬峰峰值為1V左右、頻率小于250Hz的正弦信號作為放大電路的輸入信號，在輸出端觀察波形為幅值放大的正弦波，則放大電路正常工作。二、A/D及比較器的調(diào)試將C8051F020的串口與計算機連好，并點擊軟件連接。加載程序無誤后點擊“運行”。將峰峰值為1V左右、頻率小于250Hz、且加直流電平的正弦信號送入A/D的AIN0.0口及CP0口，P0.0的輸出接74LS74的輸入，74LS74輸出接P0.1（/INT0）用示波器觀察輸出為穩(wěn)定的方波，則為正常工作。7.2調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題(1)在一開始調(diào)試前向放大電路時，輸入信號通過放大器LM324后信號消失。原因是放大器后所接的兩個電容組成的濾波電路將信號濾掉了。(2)在整體調(diào)試過程中，直接使用前向調(diào)試過程中輸入的信號，74LS74輸出端在示波器上看不到波形。這時應該在輸入的原始信號的基礎(chǔ)上加一個適當大小的直流電平。8經(jīng)濟技術(shù)分析經(jīng)過三個月的思考、探索和改進，我們設計的小電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已初具規(guī)模。它已經(jīng)具備了解決預期問題及達到預期要求的能力，可以說，我們的設計在理論上是可行的。為此，我們對小電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了全面的分析，下面從技術(shù)、經(jīng)濟、效益等方面進行可行性分析。8.1技術(shù)分析小電流接地數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件及周邊外圍電路各部分的作用及工作過程如下：隔離放大電路→濾波整形電路→C8051F020單片機→測頻電路→電平轉(zhuǎn)換電路→GPS模塊→GSM模塊→上位機隔離放大電路：將采集來的弱PT/CT信號隔離干擾并適當放大。濾波整形電路：將基波和五次諧波以外的波濾除，以送后向處理。C8051F020單片機：主要對輸入的模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、過零比較，并進行FFT計算，得到所需的幅值和相位儲存起來。測頻電路：對輸入信號進行二分頻，然后能夠準確、方便的測出信號的周期電平轉(zhuǎn)換電路：主要是通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)將RS232電平與TTL電平的相互轉(zhuǎn)換。GPS模塊：運用全球定位系統(tǒng)，當收到1PPS的脈沖時，給單片機信息要求發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機。GSM模塊：將采集并計算好的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡GSM模塊來實現(xiàn)無線傳輸。經(jīng)過上述多級數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆治?，我們可以看出完全可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理、發(fā)送的功能，可以說我們設計的數(shù)據(jù)采集卡是可行的。8.2經(jīng)濟分析8.2.1設計投資及成本分析小電流非接地數(shù)據(jù)采集卡的硬件主要包括：LM324、MAX7400、MAX232、74LS74、C8051F020等。由于C8051F020的兼容性，我們省去了單獨購買A/D轉(zhuǎn)換器、EPROM、DSP器件、看門狗的費用，使成本大大降低，提高了數(shù)據(jù)采集卡的性價比。8.2.2效益分析通過使用小電流非接地數(shù)據(jù)采集卡，我們可以及時跟蹤了解電力系統(tǒng)的情況，如發(fā)現(xiàn)故障，我們就能及時的將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，使上位機能及時、有效、準確的找到故障位置并進行處理，節(jié)省了人力、物力和財力，減少了人工查詢所帶來的弊端，會給電力系統(tǒng)帶來巨大的經(jīng)濟效益。結(jié)論通過對本課題的設計，使我對以前學過的知識有了更深刻的理解，同時也學習了一些其他的知識，為我在以后做其他的設計提供了豐富的經(jīng)驗。通過本次設計使我將以前學過的理論基礎(chǔ)與實踐動手能力緊密的結(jié)合在一起。在硬件的設計中，我學習了新的集成單片機C8051F020芯片，對它的功能，內(nèi)部和外部的性能和工作原理都有了一定的了解；并且學會了LQ-8100型GSM模塊以及GPS15系列模塊的使用方法；還有對電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232以及濾波芯片MAX7400的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外圍電路都有了一定的了解。在軟件的設計中，讓我對單片機的初始化設計、A/D轉(zhuǎn)換以及FFT計算的軟件設計都有了更深一步的了解。在軟、硬件調(diào)試的過程中，我更加深刻的了解了軟、硬件的調(diào)試方法及調(diào)試過程。在此期間我還更加熟練掌握了Protel制圖軟件的使用。通過完成本設計，使我更加熟悉了單片機外圍電路的硬件設計及軟件的設計方法和調(diào)試過程，并把我的所學系統(tǒng)的結(jié)合為一體，為以后的設計提供了豐富的經(jīng)驗。致謝為期三個月的畢業(yè)設計結(jié)束了，在這段時間里，我不但順利完成了設計課題，而且還學到了許多課題以外的東西。在此，我衷心的感謝我的指導老師張玉茹老師，她給予我全面的理論上的指導和實踐的幫助，讓我受益匪淺。感謝實驗室張春山老師給予的幫助。還要感謝和我一組的王海霞同學，我們在設計中互相探討，互相幫助，她讓我感受到了合作精神的可貴。參考文獻1胡漢才編著.單片機原理及接口技術(shù)[M].清華大學出版社.1996，45～802潘琢金編著.C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用[M].北京航空航天大學出版社.2002，20～753何立民編著.單片機應用系統(tǒng)技術(shù)[M].北京航空航天大學出版社.1990，55～774田良等編著.綜合電子設計與實踐[M].東南大學出版社.2002，60～785楊剛，周群編著.電子系統(tǒng)設計與實踐[M].電子工業(yè)出版社.2004，80～926張志恒，劉愛中，鄭紀平.電力學報.開關(guān)電容濾波器的設計與應用[J].2002，（1）：40～457求是科技編著.單片機典型模塊設計實例導航[M].人民郵電出版社.2005，23～568潘永雄，沙河，劉向陽編著.電子線路CAD實用教程[M].西安電子科技大學出版社.2000，45～869趙負圖等編著.數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[M].北京科學技術(shù)出版社.1987，56～11210李華編著.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[M].北京航空航天大學出版社.1993，55～8911劉星等編著.計算機接口技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社.2003，10～4512Rao.GuthikondaV.Microprocessorsandmicrocomputersystem.VanNostrandReinholdCompany[M].1982，115～18013OppenheimAV,SchaferRW.DigitalSignalProcessing[M].PrenticeHalMl,Inc.1975，15～43附錄1文獻譯文電源管理技術(shù)及計算摘要：本應用筆記討論電源管理技術(shù)及計算C8051F020和C8051F01xSoC中的功率消耗的方法很多。應用系統(tǒng)對功耗有嚴格的要求，也存在幾種不以犧牲性能為代價的降低功耗的方法。計算預計功耗對于說明系統(tǒng)的供電要求是很重要的。關(guān)鍵點功率消耗可以作為系統(tǒng)時鐘、電源電壓和被允許的外設的函數(shù)來計算降低功耗的方法CMOS數(shù)字邏輯器件的功耗受供電電壓和系統(tǒng)時鐘（SYSCLK）頻率的影響。可以通過調(diào)整這些參數(shù)來降低功耗，設計者也很容易控制這些參數(shù)。本節(jié)討論這些參數(shù)及它們對功率消耗的影響。降低系統(tǒng)時鐘頻率圖1內(nèi)部振蕩器和外部晶體源配置圖2外部RC和晶體振蕩器配置電源方式COMS邏輯電路中的電流與電壓成正比。COMS邏輯電路的功耗與電源電壓的平方成正比。（見方程1）因此，降低器件的供電電壓可以減少功耗。C8051Fxxx系列器件，所要求的電源電壓為2.7-3.6V。為了減少功耗，建議使用3.0V的穩(wěn)壓器，而不采用3.3V的穩(wěn)壓器。C8051有兩種電源管理方式：等待方式和停機方式。等待方式停機方式功耗計算為方便起見，將C8051F020和C8051F01x的總體直流電氣特性列于下表模擬外設模擬功耗和SYSCLK相對無關(guān)總電流計算附錄2文獻原文PowerManagementTechniquesandCalculationRelevantDevicesAbstract:ThisapplicationnotediscussespowermanagementtechniquesandmethodofcalculatingpowerinaSiliconLabsC8051F020andC8051F01xSoC.Manyapplicationswillhavestrictpowerrequirements,andthereareseveralmethodsofloweringtherateofpowerconsumptionwithoutsacrificingperformance.Calculatingthepredictedpoweruseisimportanttocharacterizethesystem’spowersupplyrequirements.Keypoints?Supplyvoltageandsystemclockfrequencystronglyaffectpowerconsumption.?SiliconLab’sSoC’sfeaturepowermanagementmodes:IDLEandSTOP.?Powerusecanbecalculatedasafunctionofsystemclockfrequency,supplyvoltage,andenabledperipherals.PowerSavingMethedsCMOSdigitallogicdevicepowerconsumptionisaffectedbysupplyvoltageandsystemclock(SYSCLK)frequency.Theseparameterscanbeadjustedtorealizepowersavings,andarereadilycontrolledbythedesigner.Thissectiondiscussestheseparametersandhowtheyaffectpowerusage.ReducingSystemClockFrequencyInCMOSdigitallogicdevices,powerconsumptionisdirectlyproportionaltosystemclock(SYSCLK)frequency:ThesystemclockontheC8051Fxxxfamilyofdevicescanbederivedfromaninternaloscillatororanexternalsource.ExternalsourcesmaybeaCMOSclock,RCcircuit,capacitor,orcrystaloscillator.TheinternaloscillatorcanprovidefourSYSCLKfrequencies:2,4,8,and16MHz.Manydifferentfrequenciescanbeachievedusingtheexternaloscillator.Toconservepower,adesignermustdecidewhatthefastestneededSYSCLKfrequencyandrequiredaccuracyisforagivenapplication.AdesignmayrequireaconstantSYSCLKfrequencyduringalldeviceoperations.Inthiscase,thedesignerwillchoosethelowestpossiblefrequencyrequired,andusetheoscillatorconfigurationthatconsumestheleastpower.Typicalapplicationsincludeserialcommunications,andperiodicsamplingwithanADCthatmustbeperformed.power=CV2fwhere:CisCMOSloadcapacitance,Vissupplyvoltage,andfisSYSCLKfrequency.Someoperationsmayrequirehighspeedoperation,butonlyinshort,intermittentintervals.Thisissometimesreferredtoas“burst”operation.IntheC8051Fxxx,theSYSCLKfrequencycanbechangedatanytime.Thus,thedevicecanoperateatlowfrequencyuntilaconditionoccursthatrequireshighfrequencyoperation[12].TwoexamplesofalternatingbetweenSYSCLKsourcesare(1)aninternaloscillator/externalcrystalconfiguration,and(2)anexternalcrystal/RCoscillatorconfiguration.Ifthedeviceisusedforoccasionalhighspeeddataconversion,andarealtimeclockisusedfortime-stampingthedata,acombinationinternaloscillatorandexternalcrystalwouldbeideal.Duringsamplingoperations,thehighspeedinternaloscillatorwouldbeused.Whensamplingiscomplete,thedevicecouldthenuseanexternal32kHzcrystaltomaintainthereal-timeclock.Oncehighspeedoperationsarerequiredagain,thedeviceswitchestotheinternaloscillatorasnecessary(seeFigure1below).AnexampleofhisprocedureisillustratedImplementingaReal-TimeClock”.Figure1.InternalOscillatorandanExternalCrystalSonrceConfigurationThecrystaloscillatorandinternaloscillatormaybeoperatedsimultaneouslyandeachselectedastheSYSCLKsourceinsoftwareasdesired.Toreducesupplycurrent,thecrystalmayalsobeshutdownwhenusingtheinternaloscillator.Inthiscase,whenswitchingfromtheinternaltoexternaloscillatorthedesignermustconsiderthestart-updelaywhenswitchingtheSYSCLKsource.TheC8051F0xxdeviceshaveaflagthatissetwhentheexternalclocksignalisvalid(XTLVLDbitintheOSCXCNregister)toindicatetheoscillatorisrunningandstable.Thisflagispolledbeforeswitchingtotheexternaloscillator.Notethatotheroperationscancontinueusingtheinternaloscillatorduringthecrystalstart-uptime.Someapplicationsrequireintermittenthighspeedandaccuracy(e.g.,ADCsamplinganddataprocessing),buthavelowerfrequencyandaccuracyrequirementsatothertimes(e.g.,waitingforsamplinginterval),acombinationofanexternaloscillatorandRCcircuitcanbeuseful.Inthiscase,theexternalRCoscillatorisusedtoderivethelowerfrequencySYSCLKsource,andthecrystalisusedforhighfrequencyoperations.TheRCcircuitrequiresaconnectiontoVDD(voltagesource)tooperate.Becausethisconnectioncouldloadthecrystaloscillatorcircuitwhilethecrystalisinoperation,weconnecttheRCcircuittoageneralpurposeportpin(seeFigure2below).WhentheRCcircuitisinuse,theportpinconnectionisdrivenhigh(toVDD)byselectingitsoutputmodeto“push-pull”andwritinga‘1’totheportlatch.Whenthecrystaloscillatorisbeingused,theportpinisplacedina‘hi-Z’conditionbyconfiguringtheoutputmodeoftheportto“open-drain”andwritinga‘1’totheportlatch.NotetheRCcircuitmaytakeadvantageoftheexistingcapacitorsusedforthecrystaloscillator.Thestart-upoftheRC-circuitoscillatorisnearlyinstantaneous.However,thereisanotablestart-uptimeforthecrystal.Therefore,switchingfromtheRCoscillatortotheexternalcrystaloscillatorusingthefollowingprocedure:1.Switchtotheinternaloscillator.2.ConfiguretheportpinusedfortheRCcircuitvoltagesupplyasopen-drainandwritea‘1’toheportpin(Hi-Zcondition).3.Startthecrystal(SettheXFCNbits).4.Waitfor1ms.5.PollfortheExternalCrystalValidBit(XTLVLD-->‘1’).6.Switchtotheexternaloscillator.SwitchfromtheexternalcrystaloscillatortheRCoscillatorasfollows:1.Switchtotheinternaloscillator.2.Shutdownthecrystal(cleartheXFCNbits).3.Drivethevoltagesupplyportpinhigh(toVDD)byputtingtheportpinin“push-pull”modeandwritinga‘1’toitsportlatch.4.Switchbacktotheexternaloscillator.Figure2.ExternalRCandCrystalOscillatorConfigurationSupplyVoltageTheamountofcurrentusedinCMOSlogicisdirectlyproportionaltothevoltageofthepowersupply.ThepowerconsumedbyCMOSlogicisproportionalthepowersupplyvoltagesquared(SeeEquation1).Thus,powerconsumptionmaybereducedbyloweringthesupplyvoltagetothedevice.TheC8051Fxxxfamilyofdevicesrequireasupplyvoltageof2.7-3.6Volts.Thus,tosavepower,itisrecommendedtousea3.0voltregulatorinsteadofa3.3voltregulatorforpowersavings.IDLEModeInIDLEMode,theCPUandFLASHmemoryaretakenoff-line.AllperipheralsexternaltotheCPUremainactive,includingtheinternalclocks.TheCPUexitsIDLEModewhenanenabledinterruptorresetoccurs.TheCPUisplacedinIDLEModebysettingtheIdleModeSelectBit(PCON.0)to‘1’.WhentheIDLEModeSelectBitissetto‘1’,theCPUentersIDLEModeoncetheinstructionthatsetsthebithasexecuted.AnassertedinterruptwillcleartheIDLEModeSelectBitandtheCPUwillvectortoservicetheinterrupt.Afterareturnfrominterrupt(RETI),theCPUwillreturntothenextinstructionfollowingtheonethathadsettheIDLEModeSelectBit.IfaresetoccurswhileinIDLEMode,thenormalresetsequencewilloccurandtheCPUwillbeginexecutingcodeatmemorylocation0x0000.Asanexample,theCPUcanbeplacedinIDLEwhilewaitingforaTimer2overflowtoinitiateasample/conversionintheADC.Oncetheconversionandsampleprocessingiscomplete,theADCend-of-conversioninterruptwakestheCPUfromIDLEModeandprocessesthesample.A