统尤其是PIC18系列单片机具有出色的计算性能、丰富的功能扩展能力以及低功耗高速高可靠性等特性，可以设计出完全符合变压器实时在线监测与故障诊断的硬件系统。新型 PIC18F系列单片机出现了集成网路通讯的功能，为监测系统实现网络化数据传输提供了便利条件。硬件系统实现需要根据实时监测性能要求裁剪通用性功能并优化专用功能，降低硬件成本的同时提高系统稳定性，要能很好的满足整体系统的要求[14]。
基于PIC18系列单机的强大功能以及高品质配套组件，本系统选择PIC18F96J60微控制器作为系统的控制核心，其实物图如图4所示。
图4 PIC18F96J60单片机
PIC18F96J60 单片机具有一系列能在工作时显著降低功耗的功能。主要包含以下几项：
备用运行模式：通过将Timer1或内部RC振荡器作为单片机时钟源，可使代码执行时的功耗降低大约90%。
多种空闲模式：单片机还可工作在其CPU 内核禁止而外设仍然工作的情况下。处于这些状态时，功耗能降得更低，只有正常工作时的4%。
动态模式切换：在器件工作期间可由用户代码调用功耗管理模式，允许用户将节能的理念融入到他们的应用软件设计中。
PIC18F96J60 系列为应用程序代码提供了充足的空间——从64 KB到128 KB。程序存储器的闪存单元经测评最多可承受100次擦写。在不刷新的情况下，数据保存期保守地估计在20年以上。PIC18F96J60 系列还为动态应用程序数据提供了充足的空间——3808 字节的数据RAM，其引脚示意图如图5所示。
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图5 PIC18F96J60引脚示意图
微处理器PIC18F96J60可以使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL（phase locked loop)电路也可以调整系统时钟，可以使微处理系统运行速度更快(CPU最大操作时钟为60MHz)。倘若不使用片内PLL功能或使用ISP下载功能，则外部晶振频率范围可选为1MHz-30MHz之间，外部时钟频率范围是1MHz-50MHz;若使用了片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率范围是1OMHz-25MHz，外部时钟频率范围是10MHz-25MHZ[15]。
本系统中，选择使用频率为25MHz的外部晶振，对于PIC18F96J60系列器件的振荡器和单片机时钟不同于标准PIC18F系列器件的选择。该处理器新增的以太网模块需要一个稳定的25MHz的外部晶振输入。电路如图6所示，由于PIC18F系列单片机OSC1和OSC2引脚之间内部集成了并联电阻RF，用户仅需要考虑外部晶振串接电容C8、C9电容值的问题。电容值取值越大，振荡器的稳定性越高，但同时起振时间会变长，根据系统VDD和应用工况，选定电容值为33PF[16]。
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图6 外部晶振电路
系统采用DALLAS半导体公司生产的高精度实时时钟芯片DS1302，该芯片可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能。其内部带有用于临时存放数据的RAM寄存器，可以和微处理器采用串行同步通信方式也可以采用突发方式一次传送多个字节，同时采用主电源和后备电源双引脚连接，可以为后备电源进行涓细电流充电能力。该芯片严格要求采用32.768KHz频率的晶振，频率误差会导致芯片工作时钟出现偏差，按手册要求选定并联电容值和连线方式[17]。系统的实时时钟电路如图7所示。
图7 实时时钟电路图
2.3. 串行通讯及存储电路设计
硬件系统中用到的串行端口通讯电路包括串行外围芯片接口(SPI)方式和通用同步/异步收发器(USART)模块。该串行端口由单片机内部的主同步串行端口MSSP模块驱动，可以实现同时同步发送和接收8位数据，系统采用SPI工作方式和EEPROM和SRAM芯片进行同步串行通讯。
SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入
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/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）[17]。
本硬件系统中存储系统用户设定参数、超标工况工作参数记录等采用Microchip公司生产的256K容量的SPI总线EEPROM芯片25AA256芯片存储。其通讯连接设计如图8所示，由单片机通用I0产生 E_CS1片选输入信号，SCK1引脚连接单片机MSSP模块的串行时钟引脚，串行数据由SDO1引脚送入到存储芯片中[18]。存储芯片信息反馈信号由SDI1脚接入到单片机。
图8 SPI方式的EEPROM连接图
硬件系统单片机PIC18F96J60的TQFP封装元件提供两组同步/异步收发模块，由此硬件系统实现了两组不同的异步通信方式，包括全双工的RS232通讯和半双工的RS485通信方式。RS232异步通讯方式电路主用于硬件系统通讯功能调试和硬件电路与通用计算机简单数据传递时使用，方便硬件系统的编程调试和维护。 RS485异步通讯方式电路设计如图9所示，RS485在RS422后推出，绝大部分继承了422，主要的差别是RS485可以是半双工的，而且一个驱动器的驱动能力至少可以驱动32个接收器（即接收器为1/32单位负载），当使用阻抗更高的接收器时可以驱动更多的接收器。所以现在大多数全双工485驱动/接收器对都是标：RS422/485的，因为全双工RS485的驱动/接收器对一定可以用在RS422网络[19]。由于其采用平衡驱动器和差分接收器组合的方式，有较好的噪声干扰能力，已成为业界最经济有效的工业总线方式，本系统采用RS485通讯方式方便实现小规模变压器监测网络的建设，作为基于以太网通讯方式的有力补充。
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