电子设计大赛运动小车追踪系统运作设计方案

1 电子设计大赛交流电网测量分析仪报告书 2. 右 2 1 系统设计 1 1 功能设计 3 信 号 输 入大 量 程 选 择低 压信 号 变 送高 压小 量 程 选 择周 期 测 量离 散 化 采 样( 时 域 测 量 )傅 立 叶 变 换( 频 域 测 量 )计 算 有 效 值波 形 显 示计 算 失 真 度频 率 显 示各 次 谐 波 显 示失 真 度 显 示有 效 值 显 示计 算 有 功 功 率及 功 率 因 数功 率 及 功 率因 数 显 示谐 波 显 示 次 数 控 制信 号 幅 值 定 时 刷 新反 混 迭 滤 波 器时 域 窗 函 数 窗 函 数 类 型 选 择自 校 验 信 号自 校 验 信 号 选 择指 令 判 断外 部 操 作 指 令 输 入可以通过人机接口接收用户的输入，并据此调整的仪器的工作状态。收入先由用户选择输入模拟信号的量程，分为小信号模式 (5010V)和大信号模式(电压范围： 0250V，电流范围： 05A)，大信号将通过电量隔离传感器转换为 4 相应的小信号。再经过由 成的电压跟随电路，然后会现时进入两个处理电路进行不同的处理。这两个电路分别是：信号调整电路和周期测量电路，信号经过这两个电路处理后就送给 行处理。 利用 上的高速 两路信号进行离散化准同步采样并通过快速傅立叶变换得到频域测量数据，最终测得时域中的信号波形图、频域中的信号各次谐波分量功率谱。籍由这些数据计算分析得到该节点工频交流电压、电流的频率、有效值、失真度、相位差、功率及功率因数，并通过 液晶屏作为人机界面显示。 各个模块本身功能的实现以及相互之间的切换，可通过液晶触摸屏按键并进行相应的键值处理来完成。 总体硬件设计框架图 元电路设计 编程增益放大电路设计 由于我们取用 部 12 位 行取样，而 12 位 接收小于标输入十分之一的信号仅可提供 8 位分辨率 ，为了充分利用 12 位 们 需要 匹配到 单片机 的 入范围 ，否则 分辨率将不被完全利用。 当信号过小时，我们要 信号到达 前用 大它 ；当信号过大时，我们需要将信号衰减到输入范围。 同时，为了扩大输入信号的范围（从 0V 到 10V 变化 ）。电压跟随 可编程放大 周期测量 直流偏置 低通滤波 30制 液晶显示 自校正信号 量程选择 大信号 电量隔离传感器 信号 小信号 5 我们取用 司的可编程增益放大器 采用 装 , 具有双 路 路 包含分离的低噪声前置放大器和增益放大级 ，而且 此器件 具有非常宽的供电范围为 16 V 和 非常低的噪声电平 其内部原理图如右图所示： 为了能够充分利用 优异性能，在 电路设计中，我们利用其前端放大器 组成电压跟随 ， 提高其输入阻抗和 消除共模干扰， 再接到后端的可编程放大器， 根据信号的强弱， 用单片机控制 增益倍数， 将信号进行适当放大 或衰减。同时根据电路设计情况，我们取用 12V 供电。如电路图如下所示： 由于单片机内的 能采集直流信号，且其输入范围为 0以必须要加一个直流偏置电路将电压整体调高到 输入范围。 根据设计要求， 我们采用 司的 可编程增益差动放大器 具有差分输入 ,片内集成 高精度电阻 ,很高的共模输入。其内部原理图如右图所示： 6 在电路设计中，我们取用 成的调高电路 ,取得了很好的效果 ,不但可以消除来自上一级放大电路的噪声 ,使波形的失真度低，而由 成的电压跟随电路 ,使其具有很低的输出阻抗。而且 由于 使得电路简单和减小占用 电路图如下所示： _2_2通滤波器电路： 在经过信号调整电路后，信号仍会存在被干扰的可能，使信号叠加上了高频噪声，为了最低限度地保持原信号的性质，必须在单片机取样前，使用低通滤波器滤掉高频噪声。本电路由 成的 2 阶截止频率为 幅频响应在通带中具有最平幅度特性。电路图如下所示： 500期测试电路 : 在电路中， 输入前端是用放大器 可以提高输入阻抗。然后输出的信号经过零比较器 出， 由于比较器输出端上拉电阻的作用， 输出 平 ,再经过由 成的施密特触发器整形。 电路输出信号直接与 单片机 连接，从而构成十分理想的 周期测量 器 。 该电路具有结构简单、精确度高及抗干扰能力强等优点。 7 考虑用硬件电路实现对电压、电流信号相位的测试，这样可以简化编程，但是要两路信号经过检波后，要得到完全相同的占空比和幅度，难度非常大，对电子元气件的要求非常高，而且电路的偏移不定使得即使调整好原器件的数值，经过一段时间后又会改变，所以我们最后不得不舍弃这种方案。而取用软件实现，通过 到 频域测量数据，然后由这些数据计算分析得到相位差。 量隔离传感器和电源 当输入电压为峰峰值小于 10V 任意波形时，采用直接输入。当输入为工频电压 10V250V 和电流 05A 的交流信号或者电网电压时，采用电量隔离传感器对电压电流信号进行转换。 电量隔离传感器的优点是电路简单，且不需要单独的电源过载能力强，寿命长。缺点是其只能测量正弦交流。本设计采用西南自动化研究所研究的电量隔离传感器做电气隔离和电量变换。此传感器线性度好，精度高。其主要技术参数如下： 输入电压 :250V 输入电流 : 10A 输出电压 : 线性误差： 频率响应： 4060 工频相差： 5 电源部分 (1) 源 8 本设计主要采用 220V 交流供电，并设有 源电路和备用电池，以便在没有 220V 交流电源时使用，以及在 220V 电源突然断开时实现 间断 供电，保护测量数据，为使用者提供方便。 主电源电路原理如图 1 所示： 主电源电路图 220V 交流电经变压器，再经整流后得到大约 11V 的直流，然后通过 成稳压管 7805 然后滤波得到 +5V 的电源。 电保护备用电池，此电源为 12V 可充电电池，当用 220V 交流供电时，三极管 止，电池不为 7805 供电，此时电池只为运放供电，静态电流约为 10右，当未接 220放 负端电压小于正端电压，运放输出高电压，此时 池为 7805 供电。 当电池电量过低是，运放 出高电压， 亮，提醒用户电量过低需要充电。 (2)负 5V 和正负 12V 电源 由于本设计中的部分元器件都需要负 5V 和正负 12V 电源。本设计采用 产生 电源芯片带负载的能力比较强，输 出电流可达到 100应用连接图如右图。 正负 12V 电源用 5，其特点是 9 体积小，可靠性高 ， 性价比高 ， 输出稳压，精度可达 3%， 全六面金属屏蔽 。 (3) 源 单片机 是 统，所以需要设计 设计采用 1117 芯片来产生 源， 2 方案论证与比较 电压电流输入预处理方案的比较与选择 电压电流输入预处理方案：当输入为峰峰值小于 10V 的任意波形的电压时，采用直接输入。当输入为工频电压 10V250V 和电流 05A 的交流信号或者电网电压时，先对电压和电流信号作适当的转换。 高压到低压及电流的转换方案有：直接用电位器分压测电流、线性光藕隔离电路或电量互感器。 精度极低，而且没有高低压隔离，高压电路的噪音极易耦合到测量电路； b. 线性光耦隔离电路的频率响应较响宽，抗电磁干扰能力强，电磁隔离，但此方案的致命缺点是电路复杂，而且需要单独的隔离电源，而且，在测量高电压和大电流时采样和分压电阻会引入较大误差； c. 电量隔离传感器的优点是电路简单，且不需要单独的电源，过载 能力强，线性度好，寿命长。缺点是只能测量正弦交流。综上所述，考虑到成本和精度，本设计采用电量隔离变换器。 信号调整电路的方案论证 信号调整电路由可编程增益放大电路、直流偏置电路和低通滤波电路组成。 方案一：可编程放大电路取用运算放大器和数字电位器组成，直流偏置电路采用由普通运放和电阻组成的加法器实现 ,低通滤波电路由运算放大器、电阻和电容构成。 方案二：可编程放大电路取用 司的低噪声可编程增益放大器 流偏置电路采用 司的 可编程增益差动放大器 实现。 由本设计要求在信号进入单片机前，信号本身的失真度影响应该降到最低。运算放大器和数字电位器组成的可编程放大电路，受到运算放大器带宽、数字电位器抽头允许通过的电流以及其内部的充电汞引起的高频噪声影 10 响，其实现效果不符合我们的设计要求，而方案二中，我们取用 司的可编程增益放大器 此器件 具有非常宽的供电范围为 16 V 和 非常低的噪声电平 全满足我们电路的设计要求 。 流偏置电路由普通运放和电阻组成的加法器实现，该电路引入噪声比较大 ,对信号的失真度有很大的影响，不符合电路设计的要求。而方案二中， 采用 司的 可编程增益差动放大器 实现，不但可以消除来自上一级放大电 路的噪声 ,使波形的失真度极低。鉴于以上分析，我们取用方案二来实现信号调整。 测量方案的比较与选择 测量方案主要有两个：一是基于离散化采样点的后向积分求测量值、另一种是基于 法的谱分析运算。根据我们实际测量的结果，发现后向积分的准确度和精度低于谱分析算法，而且我们谐波分析的功能实现也是基于 法，因此我们决定采用谱分析来作为确定测量数据的方法。 软件设计方案的方案论证 软件设计方案的抉择主要在于是否使用操作系统，经过权衡，虽然引入操作系统会对进程调度和系统稳定性有要大的好处，但 这样做一方面会引入性能损耗、另一方面会增大设计的复杂度。最终我们没有使用操作系统，使用传统前后台架构，但引入操作系统进程调度中的一些概念，详见软件设计部份。 3 软件设计 件框架设计 台程序设计 为尽量维持系统的实时性以及最大化 效率使用，系统采用前后台结构设计以避免 头设计模块初始化m a i n T a s k 空 ?转入低功耗模式是调用相应函数否暂停状态 ?否是等待中断唤醒F i g 4 . 1 后台程序流程 11 过程中引进操作系统中“任务”的概念，通过声明一个 举为每一个任务编号，并使用一个 的数组 储任务的 列。后台程序为一个循环， 顺序从 组中将任务依次弹出并调用相应函数执行，当 空时默认将 入低功耗状态， 组的数据压入则由前台中断程序进行。 台程序设计 由于前台程序不涉及过于复杂的函数调用和优先级判断，这里省去了消息及对应响应 (的设计，直接按状态转换表由相应的中断做简单判断将任务压入数组。 务设计 所有涉及的任务在 序表示为：初始化状态下 ，即空 (态。如后台设计中所述，任务间的衔接由前台中断控制，理想情况下的任务衔接如图所示，我们用这样的方式分离 作和 算操作，实现 同步工作，提高 时间片使用 率。在本系统中， 断前台为任务衔接的核心。 中断向量 向量别名 功能 0期、相位差测量及 发信号的生成 0摸屏的用户输入指令判断和响应 0 换完成的数据导入数组 0据用户需求向 新自校验信号波表 枚举务名称 功能 0闲 (空 ) 默认转入低功耗模式 0据离散化处理 0据显示刷新 0益判断及调整 0户输入的响应 台程序入口及功能表 务枚举声明表 12 0 x 03 : 增益判断 0 X 00 : 空闲0 x 04 : 输入响应0 x 01 : 数据处理0 x 02 : 显示刷新T I M E R A 1P O R T 2增益合适启动 T I M E R A 1修改 T I M E R B 0 前台参数数据传递A D C 12F i g 4 . 4 号处理程序设计 号量程自适应 片机电源为 电，因此为保障单片机正常 工作，我们 准，这限制了在单片机 号源端收到的信号幅值必须控制在 0围，为解决这一问题，我们采用了 司的可编程运放该 片的介绍详见硬件部份 )，并在 入端加过压保护。量程的自动适配与采样互为反馈，即每次采样完成会对各信号幅值采样点做逐点比较，发现满量程点会反馈增益弱化信号到 ，并再重复采样分析动作直到量程合适 (无满量程点和 0 点 )，向后台任务堆压入 散化点采样 (时域测量 )及频率测量 首先作为仪 表的一个功能，频率测量的精度是对该仪器性能考量的重要指标。更重要的是，为避免 立叶算法中频率混迭影响，采样过程中的等间隔就尤为重要。经实测，当频率测量漂移 频谱分析 (不加窗 )及失真度分析结果误差就会增大 1%以上，并且误差随频率测量结果漂移呈正比上升。 为保证频率的准确测量，我们采用多周期同步测量法：以 8振的四分频 (2为参考信号、 555 定时器整形输出的交流过 0 方波作为被测信号，通过片内计数器测量信号频率。基于上面已经叙述的原因，为保证信号频率测量尽可能的精准，我们还采用平均测量 法，即连续测量 10 次取平均值来消除随机分布的粗大误差。 13 在准确测量频率的基础上，同样，我们以 2波作为参考源，对测得的信号频率再作 256 分频，并以分频信号作为片内 准同步采样触发信号精确的在一个周期内对两路信号各信号采样 128 个点。这样处理会有一个缺点，即由于是准同步采样，两路信号的采样值间会有一个值为采样次数 2的相位差，好在它是一个常数，我们可以在最后相位差的处理时将它软件修正。 速 傅立叶变换 (频域测量 )及时域窗函数 实际应用中，由于单片机工作 频率有限，应用蝶形运算对 运算进行减化得到 速傅立叶算法，由于蝶形运算在 2n 运算时有最高效率，我们在权衡精度与速度后决定采用 128 点，即 7 次蝶形运算。在不加窗的情况下可以做到 63 次谐波分析。 由于不可避免的微弱频率测量误差仍会对傅立叶变换结果产生相当的影响，我们在傅立叶变换前会对被测信号做时域窗函数处理 (实质是一个 波 )，抑制信号的频谱泄漏，经过比较，我们在众多的窗函数中选出汉宁窗和哈明窗两种效果比较好的窗作为可选窗函数，用户可以通过触摸屏选择不加窗，但这样会削弱谱频分析的精准度。仪器默认 选择加时域哈明窗函数，在加窗的情况下，仪器可以分析到最高 31 次谐波。 在硬件电路和软件程序编程基本完成后，我们发现电压、电流两通道测出的有效值与理论值相关较大。经过思考和研究，我们发现误差主要来源于： 1、可编程放大器，其增益倍数并不完全等于其标称值，在器件资料上我们其在室温下最大误差为 2、虽然我们取用的 波器，其幅频响在通带中具有最平幅度特性 ，但仍不可避免 在 通带入纹波 ，引起误差。 3，电量隔离传感器其输入电压和经过电流与转换出来的电压的比例系数跟其标称值并完全一致。所以我们必须对系统进行校正，降低误差，以满足各项指标。 首先，我们分别对小信号模式的 个通道的有效值，然后再校正大信号模式的电压、电流有效值。我们对小信号模式下的电压校正方法是：利用字合成信号发生器产生标准正弦波作为输入信号，用 字式万用表作为校正仪表。然后每 100递增，每次分别记录 字式万用表的测量值和我们仪表的测量值，再软件 行参数分析和处理，得到理合度非常高的校正方程，再通过软件修正。事实证明，通过校正我们分析仪的精度得到了提高，满足 了各项指标。（校正数据记录表以及 件相关文件，请见附件） 14 试设备： （测试条件 : 220V 市电 ,室温 180 C。） 数字相位计 一台 真度测量仪 一台 压器 一个 一个 调电感箱 一个 调电容箱 一个 字式万用表 一个 持式单相功率仪 一台 位半数字万用表 一台 字合成信号发生器 一台 试结果及分析 信号模式（ 5010V） 参考仪表： 字合成信号发生器、 台式数字多用表 考仪表值 /V 流有效值 /V 0 次谐波值 2 次谐波值 6 次谐波值 压有效值 /V 0 次谐波值 2 次谐波值 4 次谐波值 43607 05344 45061 5 0 4 9 0 3 9 1 效值平均误差： 效值平均误差： 信号模式测试（电压范围： 0250V，电流范围： 05A） 。 压参考仪表为 流参考仪表为 (阻性负载时 ) 测量次数 1 2 3 4 5 6 7 8 交流电压参考仪表值/V 测值 /V 流电流考仪表值/A 测值 /A 率 参考仪表值/W 15 200 304 444 787 1075 实测值 /W 率因数 理论值 1 1 1 1 1 1 1 1 实测值 上表可知：阻性负载时，