align="justify">     RS-485 — стандарт передачи данных  по двухпроводному полудуплексному  многоточечному последовательному  каналу связи.

     В стандарте RS-485  для передачи и  приёма данных часто используется единственная витая пара проводов. Процедуры совместного использования линии передачи требуют применения определённого метода управления направлением потока данных. Широко распространённым методом является использование сигналов RTS (Request To Send) и CTS (Clear To Send)[40].

     RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием  и передача идут по одной  паре проводов с разделением  по времени. В сети может  быть много передатчиков, так  как они могут отключаются в режиме приема[42].

     Передача  данных осуществляется с помощью  дифференциальных сигналов. Разница  напряжений между проводниками одной  полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

     Скорость  и дальность. RS-485 обеспечивает передачу данных со скоростью до 10 Мбит/с[11]. Максимальная дальность зависит от скорости: при скорости 10 Мбит/с максимальная длина линии — 120 м, при скорости 100 кбит/с — 1200 м. При использовании репитеров длину линии можно продлевать практически до бесконечности. Так же доступны разнообразные устройства (хабы, репитеры, переключатели и пр.) для создания сложных конфигураций RS-422/RS-485 сетей.

     Количество  устройств, подключаемых к одной  линии интерфейса, зависит от типа примененных в устройстве приемопередатчиков. Один передатчик рассчитан на управление 32 стандартными приемниками. Выпускаются  приемники со входным сопротивлением 1/2, 1/4, 1/8 от стандартного. При использовании таких приемников общее число устройств может быть увеличено соответственно: 64, 128 или 256[12].

     Устройство, управляющее сбалансированной линией (balanced line driver), может также иметь входной сигнал "Enable" (Разрешен), который используется для управления выходными терминалами устройства. Если сигнал "Enable" выключен, то это значит, что устройство отключено от линии, причем отключенное состояние устройства обычно называется "tristate" (т.е. третье состояние, вдобавок к двоичным 1 и 0)[13].

       При использовании RS-485 можно,  а в случае длинного провода  и/или большого количества устройств  необходимо, использовать терминаторы,  которые, впрочем, обычно встроены  в устройства с RS-485 протоколом.

     Протоколы и разъемы. Стандарт не нормирует формат информационных кадров и протокол обмена. Наиболее часто для передачи байтов данных используются те же фреймы, что и в интерфейсе RS-232: стартовый бит, биты данных, бит паритета (если нужно), стоповый бит.

     Протоколы обмена в большинстве систем работают по принципу "ведущий"-"ведомый". Одно устройство на магистрали является ведущим (master) и инициирует обмен посылкой запросов подчиненным устройствам (slave), которые различаются логическими адресами. Одним из популярных протоколов является протокол Modbus RTU.

     RS-485/RS-422 могут используют экранированную витую пару, а экран в качестве сигнальной земли. Хотя сигнальная земля обязательна, она не используется для определения логического состояния линии[5].

     Из  исследования, приведенного выше видно, что  интерфейсы во многом схожи  по своим техническим характеристикам. Возможность каждого передатчика  начать передачу выгодно отличает интерфейс CAN. Однако в данном проекте она останется невостребованной, поскольку ведущим (Master) будет только контроллер сети, который и будет пересылать запросы ведомым (Slave) на получение данных. Существенным недостатком интерфейса CAN является высокая стоимость (в сравнении с RS-485) драйверов сети, что при большом количестве датчиков мощности может сильно увеличить конечную стоимость проекта. Что же касается неразрушающего арбитража, применяемого в интерфейсе CAN, он может быть реализован программно. Тем более, что передавать в каждый момент времени будет только одно устройство. Таким образом, интерфейс RS-485 является оптимальным.

Модуль  сбора данных

 

     Основой модуля является микроконтроллер, который  считывает показания подключаемых датчиков, проводит первичную обработку полученных данных (расчет активной мощности) и обеспечивает возможность передачи данных КС.

     Стремительное развитие цифровой техники привело  к появлению большого количества аналогово-цифровых преобразователей, различающихся как техническими характеристиками, так и принципом работы[6,10]. Однако желание производителей сделать микроконтроллеры более универсальными привело к появлению в последних встроенного АЦП. В современных МК АЦП оформился в законченное устройство, с помощью которого можно с достаточной точностью оцифровать нужный сигнал. В [1] предложен вариант использования встроенного АЦП для измерения напряжения.

     Рассмотрим  схему модуля сбора информации изображенную на рисунке 2.1

       
 

     Некоторые современные микроконтроллеры содержат встроенный АЦП (ADC) с количеством разрядов 8 – 12. Такие микроконтроллеры сравнительно недороги. Они выпускаются многими фирмами, но наиболее распространенными являются микроконтроллеры фирм Atmel (семейство AVR[6,21]) и Microchip (семейство PIC[12]).

     Наличие  внутреннего многоканального АЦП позволит исключить из схемы внешние АЦП, что снизит стоимость и упростит разводку платы. Измерение тока производится с использование датчика тока на основе эффекта Холла, подключаемого к АЦП. Измерение напряжения производится непосредственно АЦП микроконтроллера, связанного с силовой цепью через делитель напряжения. Раздельное измерение тока и напряжения позволит повысить точность измерения и получить информацию  о других параметрах, в частности, о полной (вольт-амперной) мощности, о среднеквадратических значениях тока и напряжения.

     Измерение уровня освещенности, температуры и  влажности производится с помощью  отдельных датчиков. Поскольку АЦП  контроллера имеет несколько  переключаемых входов, то сложности  последовательное считывание информации не вызывает.

     Работа  с сетью обеспечивается драйвером  сети, представляющий собой конвертер  сигналов UART – RS-485. Поскольку датчики  мощности могут быть разнесены друг от друга на значительные расстояния, то необходимо учитывать разность потенциалов  между землями отдельных датчиков. Стандартным решением в таких  случаях является либо применение гальванической развязки линии и устройств, либо использование дренажного провода, уравнивающего потенциалы земель[11]. Для обеспечения гальванической развязки линии и датчика мощности драйвер сети связан с микроконтроллеров через оптопары. Питание схемы осуществляется от сети. Трансформатор ИП имеет две вторичных обмотки для обеспечения гальванической развязки питания цепи измерительной части и цепи линии.

Контроллер  сети

 

     Контроллер  сети обеспечивает функционирование сети данных, организует передачу данных через  сеть к персональному компьютеру.

     КС  в автоматическом режиме (через определенный промежуток времени) или по команде  оператора опрашивает поочередно все  находящиеся на линии датчики  мощности и сохраняет в своей  памяти полученную от них информацию о потребляемой мощности. По запросу, поступающему от ПК, КС передает в ПК накопленную информацию. ПК служит для настройки КС, обработки и  представления в удобной форме поступающей от контроллера информации.

    Структурная схема КС представлена на рисунке 2.2

       

     Контроллер  сети лишен гальванической развязки от линии связи, через него сеть передачи данных связана с землей. Уровень логического нуля интерфейса RS-232 равен отрицательному значению напряжения, поэтому для согласования проектируемого устройства с ЭВМ используется микросхема приемо-передатчик RS-232 – необходимый уровень отрицательного напряжения в которой, формируется с помощью внутреннего умножителя и инвертора напряжения.

     Питание КС осуществляется от внешнего блока  питания. Напряжение с блока выпрямляется и подается на стабилизатор напряжения, обеспечивающий на выходе стабильные 5В, необходимые для питания схемы.

Методика  расчета мощности

 

     Значение  активной мощности рассчитывается по формуле [36]

      ,

     где – мгновенная мощность, равная – произведению мгновенных значений тока и напряжения. Угол сдвига фаз можно вычислить из формулы , где – полная мощность, величина, равная произведению действующих значений переменного электрического тока в цепи и напряжения . Действующие значения тока и напряжения рассчитываются по формулам:

                                                       ,                                     (1.1)

                                                       .                                     (1.2)

     Таким образом, для определения значения активной мощности за период времени  и угла сдвига фаз необходимо знать мгновенные и действующие значения тока и напряжения.

           Мгновенные значения тока и напряжения найдем по следующим формулам:

     

      ,

     где  , – значение отсчетов полученных с АЦП; , – средние значения тока и напряжения, – коэффициент, который определяет инерционность данного фильтра и, соответственно, время установления. Для расчета средних значений воспользуемся формулами:

      ,

      .

       Данные формулы являются математическими  аналогами фильтров нижних частот  и позволяют получить на выходе  среднее значение необходимой  переменной величины.

     Для нахождения действующих значений перейдем от интеграла к сумме, тогда формулы (1.1) и (1.2) примут вид [18]:

      ,

      ,

     где  – количество выборок.

     Для повышения точности вычислений и  увеличения быстродействия будем вычислять  действующие значения за интервал времени, равный нескольким периодам. Период колебания  напряжения и тока в промышленной сети составляет 20 мс. Если делать выборки с частотой 800 Гц, на один период придется ровно 16 отсчетов АЦП. Для наблюдения возьмем интервал времени, равный 256 периодам колебаний, тогда количество выборок составит штук.

 

Выбор элементной базы

Выбор микроконтроллера

 

     Анализируя  задачи, возложенные на проектируемое  устройство, можно определить некоторые  технических характеристики, которыми должен располагать микроконтроллер:

     1) В своей структуре микроконтроллер  должен иметь следующие аппаратные  модули:

• таймер, с помощью которого будет производиться измерение интервалов времени взятия выборок тока и напряжения;
• многоканальный аналогово-цифровой преобразователь для преобразования аналоговых сигналов тока и напряжения в цифровую форму;
• универсальный  последовательный приемо-передатчик, с помощью которого будет осуществляться пересылка данных от датчика мощности к контроллеру сети.

     2) С точки зрения структуры команд  микропроцессор должен обладать:

• развитыми командами по работе с отдельными битами и проверок выполнения различных условий;
• возможностью аппаратной и программной обработок прерывания от внутренних блоков.

     Данные  требования позволяют создать программу  оптимальную по структуре и объему.

     3) Микроконтроллер должен обладать  достаточным быстродействием для  обработки измеряемых значений  тока и напряжения в реальном  времени;

     4) В ОЗУ (RAM) будет сохраняться  выборки, полученные с помощью  АЦП, текущие данные,  также  часть ОЗУ будет использована  в качестве стека.