摘 要：文章主要介绍了以c8051f020单片机为核心的配电变压器监测终端的设计方案，并给出了硬件和软件的实现方法。
关键词：c8051f020；配电变压器监测终端

引言
配电变压器是将电能直接分配给低压用户的电力设备，其运行数据是整个配电网基础数据的重要组成部分。本文设计了一种集多功能电表、无功投切控制器、采集器等功能于一体的新型配电变压器监测终端。

硬件设计
根据配电变压器终端产品所需实现的功能要求，以单片机c8051f020为核心的硬件结构如图1所示。
c8051f020简介
由于配电变压器监测终端需实现的功能较多，经反复比较，cpu选用c8051f020芯片。该芯片内置有64k flash、4k ram、1个smbus/i2c、1个spi、2个uart、5个定时器、64个通用i/o口、12位的adc通道、电压基准（内部、外部）、温度传感器等。并具有以下特点：高速的50mips与8051 全兼容的微控制器内核。flash 存储器可实现在线编程和用于非易失性数据存储（e2prom 的作用），工作电压典型值为3v（ 2.7v~3.3v），全部i/o、rst、jtag 引脚均允许5v电压输入，工业级温度范围（-45 ~ +85）。片内jtag 仿真电路提供全速非插入式（不使用在片资源）的电路内仿真支持断点、单步观察点、运行和停止等调试命令，支持存储器和寄存器校验和修改。
监控电路
选用max706作为微处理器监控器，主要实现上电复位、监控程序运行和掉电检测功能。电路如图2所示。
max706可独立监视跟踪定时器输出。在1.6s内，如果cpu的p2.3脚电平不翻转，则/wdo脚输出低电平，通过/mr手动复位输入端使/rst脚产生复位信号，以防止由于干扰使cpu死机。设跳线器的目的是为了避免在下载程序和调试时max706产生复位信号。
vpp为电源的掉电检测信号，当电平降至5.5v以下时，/pfo输出低电平，使cpu进入中断程序进行掉电处理。cpu的p1.5脚被配置成外部中断输入，低电平触发。
日历时钟和存储电路
日历时钟芯片采用rtc4553，该芯片采用内置晶振和独特的数据方法，大大提高了时钟精度和可靠性。rtc4553配有串行外设通信接口，另有30×4bit sram，有2000~2099的百年日历，电池耗电2ma，时钟误差<3 min/年且无需调整，电路如图3所示。
数据存储芯片选用24lc256，32k字节，cpu通过i2c总线对其进行读写操作。主要存储终端运行参数、电量数据、每日电能参数的最大和最小值、各事件发生的时间及当时的电参数，电压合格率和可靠率数据。
负荷曲线的数据量较大，选用4m字节容量的flash芯片at45db321b。
在图3中，rtc4553和at45db321b都通过串行外设通信接口(spi)和cpu交换数据，电量采集模块和usb接口模块也是采用这种方式。由于c8051f020提供的串行外设接口可工作在主或从模式，并允许将多个器件连接到一个主器件，所以这些器件和cpu之间采用spi总线相连，cpu工作在主模式，其它器件工作在从模式。
c8051f020的spi操作很简单，只要向spi数据寄存器(spi0dat)写入待发送字节，就启动了一次数据传输，同时在时钟线上按设定频率提供时钟信号，在数据线上移出数据。
按键和显示电路
采用omj中文模块点阵式液晶显示器(带背光，80×160)，整屏可显示5×10个汉字，可以实现汉字、ascii码、点阵图形和变化曲线同屏显示。模块的初始化工作在上电时完成，同时保留了一根复位线供用户使用。硬件接口采用req/busy握手协议，简单可靠。显示菜单与普通微机上的菜单结构保持一致，以适应操作人员的习惯。通常每屏液晶显示表示一个菜单。
设六个操作按键：上、右、下、左、取消和确认。通过按键和液晶显示器配合可实现装置自检、数据显示和参数设置等功能。
电量采集模块
该模块主要由四块cs5460芯片和日立单片机构成，通过spi接口每秒钟向主cpu提供电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率等实时数据。
通信部分
c8051f020有两个全双工串口：uart0和uart1，通过和rs-485总线收发器max3085e相配合构成两个485通信口。
485收发器max3085e芯片具有出现故障时自动退出的特点。
在本设计中，由于cpu是3.3v供电，而一些外设，如显示模块、e2prom芯片等是5v供电的，所以cpu的输出脚应加上拉电阻，并配置成开漏输出。因为cpu的i/o脚是耐5v的，所以5v输入信号可以直接和cpu的输入脚相连。

软件设计
配电变压器监测终端的整套系统软件采用c51编写，编译器采用keil c51，调试器采用cygnal 公司的集成开发环境。
配电变压器监测终端软件系统的主程序如图4所示。程序采用了模块化的结构，除主程序框图中所列出的程序模块外，还有定时器0中断子程序模块、外部中断0子程序模块（掉电处理）、i2c中断子程序模块，串口0和1中断子程序模块以及pca中断子程序模块。
主程序框图中的主循环体大体采用了输入→处理→输出的结构，这有点类似于plc的工作过程。
定时器0的中断程序主要为软件计数器的计数提供时钟信号，设定为10ms中断一次。由于主循环体中各模块程序运行的