（信号与信息处理专业论文）多功能电参数测量仪的设计.pdf

摘要 本项目所研制的多功能电参数测量仪以i n t e l 8 0 3 1 单片机为核心，采用了交 流采样计算技术，以软件代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一 身，用一台仪器就可以测量电流电压真有效值、有功功率、功率因数、频率等参 数。由于采用了计算机技术，仪器可以与上位机方便地进行数据交换。在仪器中， 我们采用了广泛应用的r s - - 2 3 2 接口与上位机通信，并编制了上位机通信软件， 实现了仪器的远程测量与控制，有利于促进电力系统自动化的实现。 文中论述了该电参数测量仪的工作原理，着重研究了提高测量精度的准同步 采样算法，并讨论了该算法在单片机中应用的几个实际问题。在此基础上，详细 介绍了整个仪器的软硬件开发过程。最后对仪器进行了实验和误差分析，给出了 实验结果和误差分析结果。 关键词：单片机电参数测量准同步交流采样 a b s t r a c t t h em u r i m e t e rf o re l e c t r i c a lp a r a m e t e r si sb a s e do ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ( i n t e l8 0 3 1 ) w ea d o p ta l t e r n a t i n gs a m p l i n ga n dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nt e c h n o l o g y s o f t w a r er e p l a c e sm u c hh a r d w a r et h a ti nt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t w ec a nm e a s u r et h e e f f e c t i v ev a l u e so fv o l t a g ea n dc u r r e n t ，p o w e r , f r e q u e n c yb yt h ei n s t r u m e n t t h e i n s t r u m e n tc a ne a s i l yc o m m u n i c a t ew i t hp cf o rt h en s eo fm i c r o c o m p u t e r i no r d e rt o r e a l i z er e m o t em e a s u r i n ga n dc o n t r o l ，w ea d o p tr s - 2 3 2i n t e r f a c ea n di t sc o r r e s p o n d e n t p r o t o c o l t h a ti sw i d e l yu s e d i nt h i s p a p e r t h eo p e r a t i o n t h e o r y i si n t r o d u c e d w er e s e a r c ht h e q u a s i - s y n c h r o n o u sa l t e r n a t i v es a m p l i n gt e c h n o l o g yi nd e t a i l t oi m p r o v et h ep r e c i s i o n o ft h ei n s t r u m e n ta n dd i s c u s ss o m ep r o b l e ma b o u tt h ea p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o d w e i n t r o d u c et h ed e v e l o po fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h ew h o l ei n s t r u m e n t a tl a s t ，w e g i v c o u tt h er e s u l to fe x p e r i m e n ta n dt h ea n a l y s e so fe r r o r k e y w o r d ：s i n g l ec h i p m i c r o c o n t r o i l e re l e c t r i c a lp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t q u a s i - s y n c h r o n o u s a l t e r n a t i v es a m p l i n g 创新性声明 y 5 , q 3 7 8 7 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：辱。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为西 安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存 论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于公开。 本人签名 导师签名 舞f 日期坦垒：厶立 日期 m ( m 为( x ) 的最高次谐波) 时，有7 1 第二章系统设计原理及其方法 面1 善n 地) = 而 上式是同步采样及其算法的理论基础。 2 r e + ( 为同步误差) ，则此时： ( 2 4 ) 若f ( x ) 的积分区间不是2 石，而是 而w - - l y t , m 。”f ( 蚺去r ”m ) 出 ( 2 _ 5 ) 令e = 7 丽一荔再1 五e “6 ，( x ) 出，e 是非同步采样误差，我们的目标是尽量 减小这种误差。由式( 2 5 ) 可以知道= e “”6 厂( x ) 出的值是甜的一个函数， _ z ，r + a 啦 记作f ) ，即 一( 咖未i r ”几) 出 吖) 因为 一( 甜砌) = 丽1 置“m ) 出 2 杀五r ”m 砌) - - 。f d r = 一6 m 胁纠( 口) ( 2 - - 7 ) 2 丢蠹j = m + 2 引 。 m ) 出2 f 1 ( 口 所以f 1 ) 也是以2 x 为周期的函数，可以在2 万周期通过积分求其平均值 可丽，m e 一 ) 进行积分可以证明f 丽：7 丽，设积分起点为，则 而= 雨= 去r 耿州口 ( 2 _ 8 ) 同理，由于不能实现整周期积分，得不到准确的7 丽 而= 而熹尸6 耿批z ( 2 _ 9 ) 二盯+ 叩 同样，式( 2 - - 9 ) 中的积分与有关，记作f 2 ( ) ，与证明f 1 ) 是以2 口为 周期的函数类似，可以证明f ：( ) 也是周期为2 x 的函数，在不致于发生混淆的前 提下，将f 1 ) ，f 2 ( p ) 记为f 1 ( x ) ，f 2 ( x ) ，依次下去，可以定义下面的递推公式： 几加杀i ，6 州城 ( 2 _ lo ) 式中积分上下标中x 与f “( x ) 中的x 意义相同，而与f ”1 ( x ) 及出中x 意义不同 可以证俨1 ： ! i m f ”( z ) = 7 丽 ( 2 1 1 ) 在实际应用中一般不大，收敛速度非常快，n 取3 5 ，测量值便可满足准 确度的要求了，这就是准同步算法的基本原理。 为了便于被测周期信号i 厂( x ) 的准同步算法用微处理器处理，用求和代替积分， 从而使算法离散化。对于式( 2 - - 6 ) 将宽为2 ：r + 的积分区间o f ，口+ 2 x + a 等分 8 多功能电参数测量仪 j 0n , 段，均匀采样得n + 1 个数据厂( 一) ，( 蕾= a + f 2 x 万+ 一a ，f _ o ，1 ，) ，并按某种 数值求积公式做如下定义的运算： f 1 = 声一x p , f ( x , ) ( 2 - - 1 2 ) 口i = 0 式中层( f = o ，1 ，n ) 为对应数值求积公式所确定的权系数。可以看出f 1 是采 样起点x 0 ( 实质就是口) 的函数。 于是可以将宽为n x ( 2 e r + a ) 的积分区间k ，口+ 肛( 2 石+ ) 】等分为n n 段采样 得到n + 1 个数据厂( t ) ，( t = c t + i 2 ； r + a ，f = o ，l ，疗) ，把式( 2 1 0 ) 的递推 公式离散化为 1 n f “= 可l 口f ”1 = 2 , 3 ，( 2 1 3 ) 辟4 。 式中上标“n ”为递推序号，因此式( 2 1 1 ) 就变为l i m f ”= 页五，f ”就 是，( x ) 的估计。整个处理过程如图2 1 所示。 处理前 j t ，1 ，n m ，n m ，凡。，1 n 。，厶n “，3 n 。，l 阡半寻芦产 第一次处理 第二次处翌卫 第三次处理 第四次处理 y i ，y ；， ，y j + 1 ，y j + 2 ，i + i ，y ；+ 2 ，+ 。，y ；+ y ? ，y ：，y j + ，y ；+ ：，- ，y ：。+ ， 待一 y - y ；，y ；+ l 一 ，? 图2 1n = 4 的分组分次处理过程 对f ( x ) 等间隔采样的三= 肿c n + 1 个数据石，五，五，把至丘。共n + 1 个 数据分成一组，对此实施式( 2 - 1 2 ) 的运算，得到新的数据叫，同样把正至厶+ ： 共n + 1 个数据分成第二组运算得新数据以，类推直到把无。至无诸数据分成第( l - - n ) 组，得到y 一。这就完成了对原始数据的第一次分组处理。第二次分组处理 仿第一次进行，但总数据少了n 个，即从数据叫，以，以一。处理得y ? ，y ；，y ；。 连续处理n 次，直到剩下一个数据w ，这就是f ( x ) 的估计。 第二章系统设计原理及j e 方法 求周期信号 m ( 工) = 如+ a 。s i n ( m x + 屯) = l ( 2 1 4 ) 的平均值了丽，采用复化梯形求积公式，经准同步迭代处理后，得到【8 j 而= 4 + 薹( 叫协争( 2 - - 1 5 ) 其中： = 1 。，s i n p 拿) c 喀( 朋三冬笋) ( 2 1 6 ) i vv 显然，f ( x ) 的准确度取决于衰减因子( ) ”可以忽略的近似程度。在常用的三 种数值积分算法中，复化梯形公式的衰减因子是最小的 2 5 1 ，即在相同条件下( 同 信号，同，同采样安排) ，经过相同次数的运算，采用复化梯形算法能达到最好 的准确度，所以我们采用了复化梯形算法。 准同步采样的数据处理过程有两种，一种就是图2 1 中所示的分组分次递推， 另一种是一次加权处理，其基础是通过式( 2 1 3 ) 的递推运算成为 ：j 一争d 。 兰尼台户 - - z 碾，( 葺) 上等。f 一 兰只轳1 tt 2 玄驴吉善 n 8 。 n 5 。 暑厂。 ( 2 1 7 ) 式中，n n + 1 个数据仅需加权一次求和就可得到f ( x ) 的估计，这样将复杂的迭 代运算过程变成了一次加权处理，减少了数据运算的工作量，并大大简化编程难 度。下面推导次加权处理方法的系数r l i 。以复化梯形求积公式为例，设n = 3 ， n = 3 ，参考图2 1 可推得： 车= 4 ( i 2 ，野) 7 = 4 4 ( 1 1 ，f ) 7 = 4 4 4 ( f , ，。) 7 ( 2 1 8 ) 其中4 ：； o 0 o o 0 o 他 o o o o o他， o o o o坦， o o o 他，他 o o他他o o佗他o o l l他佗o o o 心0 0 o o i 2 ，o 0 0 o o 1 2 o 0 0 0 o 0 多功能电参数测量仪 鸣= ； 1 21 0l 2 00 o0 a 3 ：如l 2 11 ll 2 oo0 111 2oo 1 2111 20 0】2l1l 2 1 2 l o 由式( 2 1 7 ) 可得：誓3 = 吼z = 哺 ，- l ( 2 一1 9 ) 比较式( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 可知：【吼。】= 4 彳2 a ( 2 2 0 ) 由此可以看出，计算一次加权系数，关键就是要构造递推矩阵。构造递推矩 阵的框图如图2 2 所示。其中的f ( f ，t ) 的第一维i 表示递推的次数，和4 中的i 意 义相同。只要计算出f ( 1 ，：，：) f ( 2 ，：，：) x f ( n ，：，：) ，取出所得的工工矩阵中的第一 行并除以n ”就得到一次加权系数向量【叩i ，吼】。整个计算程序用m a t l a b 语言编 程易于实现，将计算出的加权系数r d 存入e p r o m 的数据表中，从表中查找响应 的加权计算，即可求出迭代结果。 输入递推次数n 和每周期采样点数n 由 建立矩阵并清零f ( n l ，l ) = 0 + i初始化 j f ( f ，j ，七) = 1 ( ，；1 ，2 ，一，；j = 1 ，2 - 三一? ；k = j ，j + 】，一，+ ) ff ( i ，j ) = 1 2 ，f ( i ，j ，j + n ) = 1 2 ( i = 1 ，2 ，月；= 1 ，2 l i 十) i 图2 , 2梯形积分法递推矩阵产生流程幽 由一次加权公式可以得到电压有效值、 无功功率、功率因数的公式分别如下： k f 一 电压有效值： u = 1 仇以 y 女- 0 而f 一 电流有效值： ，= 矾 电流有效值、有功功率、视在功率、 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 第二章系统设计原理鼓其方法 有功墉p = 跖 视在功率： 无功功率： 功率因数： s = u i q = s 2 一p 2 p c 0 8 妒2 i ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 对选择每周期采样次数n 和递推次数( 即采样周期数) n 起主要作用的因素 有：准确度要求； 被测信号情况( 最高谐波次数、信号是否稳定等) ： 采样时可能产生的最大周期偏差一； 选用的数值求积方法； 当采样复化梯形求积公式，实际应用可采用如下的估算公式删】。若 叫。 孝2 石，( 毒 1 2 肘 则 h l 善 下面用估算公式( 2 - - 2 7 ) 、( 2 - - 2 8 ) 确定本设计中的n 、n 问间隔e 和总采样次数三。 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 从而确定采样时 工频情况，电流与电压通过抗混叠滤波器后最高谐波均为2 0 次，信号的频率 变化范围在4 9 5 1 h z 之间，需要确定电压有效值和有功功率( 功率因数大于o 2 ) ， 要求测量误差 1 0 。( 假定采样保持、模数转换、数字运算等不产生误差) 。 e e 心频率厶= 5 0 h z ，选择采样时间间隔i = 古，使对，实现同步采样， ”jn 从而。“= 旦掣2 g = 0 0 4 厅，按式( 2 2 7 ) 取善= 0 0 2 ： 取测有功功率和电压有效值时可能的最高谐波次数m = 4 0 ，取n = 5 0 ，按 式( 2 - - 2 8 ) 有i n j 匿 路 开 关 rf 一 l 图3 3 多通道同时采样数据采集系统 这种方法既可达到同时采样的目的，又节约了一片较昂贵的a i d 转换芯片， 降低了成本。但这样处理也加大了对a d 转换器转换速率的要求，因此选用了转 换速度较高的a d 5 7 4 为数模转换芯片。 a d 5 7 4 是美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ) 生产的1 2 位逐次逼近型快速 a d 转换器。转换速度最大为3 5 ，t s ，转换精度为兰o 0 5 ，因此其转换速度和转 换精度都能满足系统的要求。a d 5 7 4 片内配有三态输出缓冲电路，因此可直接与微 处理器直接相连而无须附加逻辑接口电路，且能与c m o s 及t t l 电平兼容。由于 a d 5 7 4 片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和 时钟信号的情况下完成一次a d 转换功能，应用非常方便。下面介绍a d 5 7 4 与单 片机的硬件接口及应用特性。 a d 5 7 4 的工作状态由c e 、c s 、r c 、1 2 8 、4 五个控制信号决定，这些控 制信号的组合控制功能见表3 1 。 表3 1a d 5 7 4 控制信号功能组合表 一 c ec sr c1 2 8 4 ：l ：作状态 0 禁i l j 1 禁i h 1oo0启动1 2 位转换 1o01启动8 位转换 接 1o11 2 位) i ：行输“j 柑效 v c c io1接地0高8 位并行输山有效 lol接地l低4 位加上尾随四个0 有效 由表3 1 可见，当c e = 1 ，z 季= o 同时满足时，a d 5 7 4 刊。能处于工作状态。当 a d 5 7 4 处于工作状态时，r 石= o 启动a d 转换；r 刁= 1 时进行数据读出。1 2 8 和 端用来控制转换字长和数据格式。4 0 = 0 时启动转换，则按照完整的1 2 位 a d 转换方式工作，如果按4 = 1 启动转换，则按8 位a d 转换方式工作。当a d 5 7 4 2 0 多功能电参数测量仪 处于数据读出工作状态( r c = 1 ) 时，1 2 8 和4 端成为数据输出格式控制端。 1 2 8 = 1 ，列应1 2 位并行输出，1 2 8 = 0 则对应8 位双字节输出。其中4 一o 时 输出高8 位；鸽= l 时输出低4 位，并以4 个0 补足尾随的4 位。幽于1 2 i 端与 t t l 电平不兼容，只能通过布线直接接到+ 5 v 或o v 上。另外要注意的是4 在数据 输出期间不能变化。本设计中，a d 5 7 4 与8 0 3 1 单片机的接口电路如图3 4 所示： 图3 ，4a d 5 7 4 与8 0 3 1 单片机的接口电路 单片机采用查询方式读取a d 5 7 4 的转换结果数据，将a 1 ) 5 7 4 的转换结束状念 线s t s 与单片机的p 1 4 口线相连。当8 0 3 1 单片机执行对外部数据存储器的写指 令，使c e = 1 ，c s = o ，r c = o ，4 l - - - - 0 时，便启动转换。然后8 0 3 1 单片机通 过p 1 4 口线不断查询s t s 的状态，当s t s 为低电平时，表示转换结束，8 0 3 l 单片 机通过两次读外部数据存储器，读取1 2 位的转换结果数据。这时，当c e = 1 ，c s = 0 ，r c = 1 ，4 = 0 ，读取高8 位；c e = 1 ，c s = o ，r c = 1 ，4 0 = 1 ，读取 低4 位。由图3 4 可知，a d 5 7 4 的片选端c s 接译码器7 4 l s l 3 8 中地址8 0 0 0 h 的输 出，r c 接锁存地址第0 位a o ，以接地址锁存线第l 位a 1 。因此，启动a d 5 7 4 的端口地址为8 0 0 0 h ，读高8 位数据的端口地址为8 0 0 1 h ，读低4 位数据的端口地 址为8 0 0 3 h 。只要通过对相应端口地址的读写就可以完成a d 5 7 4 的启动和数据读取 过程。 电压信号u 、电流信号以一次完整采样、模数转换过程如下。8 0 3 1 单片机通 过p 1 ，5 口线发低电平，控制两个采样保持器l f 3 9 8 保持信号瞬时值。同时通过8 0 3 1 的扩展口g o 、g i 选通多路模拟开关c d 4 0 5 2 将电压信号瞬时值接到模数转换器 a d 5 7 4 。接着，对外部数据存储器地址8 0 0 0 h 进行写操作，启动模数转换。p 1 4 日 不断对a d 5 7 4 的s t s 端口进行查询，直到s t s 为低电平，说明转换过程结束。接 第三章系统的硬件设计2 着对外部数据存储器地址8 0 0 1 h 进行读操作，读取转换后1 2 b i t 数据的高八位， 然后在对外部数据存储器地址8 0 0 3 h 进行读操作，读取转换后1 2 b i t 数据的低四 位。到此，电压瞬时信号u 采样转换已经结束。此后，改变多路模拟刀：关c d 4 0 5 2 的选通地址，把瞬时电流采样值u ，接入a d 5 7 4 ，重复上述的启动a d 转换器和读 敬转换数据的过程。 上述两个数据的采样转换过程组成了一个采样周期。由于准同步采样法划第 一次采样的起点无任何要求，因而可以在任意时刻接通信号丌始采样，这大大简 化了硬件同步采样电路的设计，这也是采用准同步采样法的突出优点之一。因此， 只要在定时器的控制下，按事先确定的采样周期连续采样1 5 1 个点，整个采样过 程就结束了。准同步采样法整个采样过程的采样间隔和采样点数都是固定值，不 随被测信号周期变化的影响。 3 4 人机接口单元 智能仪器要有人机对话功能，这个功能有两方面的含义：一是人对仪器进行 状态干预和数据输入；二是仪器向人报告运行状态和处理结果。实现人机对话功 能的部件有键盘、显示器等，这些部件与仪器主体电路的连接是由人机接口电路 来完成的。下面分别介绍本设计中的键盘和显示单元。 键盘接口 仪器的按键共有4 个，它们分别是：下翻页键、上翻页键、电参数测量、频 率测量键。由于只有4 个键，所以采用了非编码键盘系统，其结构采用了独立按 键结构，每个键单独占用一根i 0 口线，这样每根i o 口线上的按键工作状态不 会影响其他i o 口线上的状态。为了保持交流采样的连续性和实时性，采样时会 关闭外部中断，所以键盘采用了查询的工作方式，在c p u 完成测量任务后再调入 键盘扫描程序，以响应键输入要求。键盘程序包括键盘扫描、去抖处理、键处理 等工作，这部分在下一章的软件单元中介绍。 显示接口 液晶显示器l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 具有功耗低、体积小、显示信息量 大等其它显示器无法比拟的优点而得到了越来越广泛的应用。 本设计中采用了信利公司的内藏k s 0 0 7 0 b 控制器的字符点阵型液晶显示模块 ( m t c c 1 6 4 d p l y 一2 n ) ，此液晶显示模块可以显示每行可以显示1 6 个字符， 总共可以显示4 行。k s 0 0 7 0 b 具有内部字符发生器c g r o m ，它内部1 6 0 个不同 的点阵字符图形。并允许用户自定义8 个图形字符的字模数据存在c g r a m 中。 浚模块适宜与8 位单片机接口，共有1 4 条引线，其定义如表3 2 所示。该模块提 供了内部上电自动复位电路，当外加电源电压超过+ 4 5 v 时，自动对模块进行初始 多功能电参数测量仪 化操作，将模块设置为默认的显示工作状态，因此接口线中没有复位信号线。液 晶模块的读写时序图如图3 5 所示。 管脚号符号功能 】v s s电源地( g n d ) 2v d d 电源电压( + 5 v ) 3v e e l c d 驱动电压( 可调) 输入口，输入m p u 选择模块内部寄存器类型信号： r s = 0 当m p u 进行写模块操作，指向指令寄存器； 4r s 当m p u 进行读模块操作，指向地自l 计数器： r s = i ，无论m p u 读操作还是写操作，均指向数据寄存器 输入口，输入m p u 选择读写模块操作信号： 5r wr w = o 读操作 r w = i 写操作 输入口。输入m p u 读写模块操作使能信号： 6e读操作时，信号下降沿有效 写操作时，高电平有效 7 1 4d b o d b 7输入输山口，m p u 与模块之间的数据传送通道 表3 2 液晶显示模块接口表 n s ：二二 媳；妥二：二：二：二：_ ： 亩 高黼r 啪匙否赢 第四章系统的软件改汁2 9 主监控程序的流程如图4 1 所示。程序首先自检，之后对液晶模块进行显示功 能初始化设置；对单片机内部的特殊功能寄存器进行设置；对中断进行初始化设 置；内存中功能状态标志区设置为电参数测量状态。值得注意的是，在程序的丌 始不要立刻对液晶模块进行操作，因为液晶模块的复位过程比较慢，在其未完全 复位时就进行读写操作将得到不稳定或不正确的结果。可以用软4 - i = d n 一延迟再进 行操作。进入主程序流程后，程序根据功能标志，分别进入相应的测量程序。接 下来工作流程进入判按键程序，这部分程序检查是否有键按下，如果有键按下就 设置浚键对应的功能标志。如果功能标志是翻页键，则进行翻页显示，流程再次 进入判按键程序；如果是测量键，就转到判断功能标志程序。 4 2 2 功能模块 测量电参数模块 陔模块完成电信号的采集、计算、显示等任务，流程如图4 2 所示。进入测量 功能模块，为了保障数据采样的实时性，需要将其他中断关闭，只开放软件定时 器中断，并在主程序中，用简单的w h i l e 循环等待，保证中断请求时，准备工作 所用时间相同。采集完毕，打丌串行接受中断以响应上位机请求。再根据h 1 - 同步 法的一次加权系数进行计算，可以得到电压有效值、电流有效值等参数。计算出 的参数送到液晶显示器进行显示，由于显示的参数较多，我们设计每屏显示一组 参数，通过按键盘的上翻页和下翻页键，可以显示另外一屏。显示完毕，再进入 键盘扫描。 测量频率模块 本仪表采用第3 章中介绍的计数法进行频率测量。这是通过单片机外部中断 i n t o 控制定时器t o 实现的。t o 设置为定时器方式，并设置定时器计数器的运行 受外部输入引脚的控制。在i n t o 为低电平时开启定时器开关t r 0 ，出于置位了定 时器t o 的g a t e 位，仅当7 n t 0 输入高时才能进行计数，所咀此时计数器并没有 开始计数，而是等待i n t o 上跳沿的来临，等i n t o 为高电平后计数器丌o f i t l 数， i i 而为低时停止计数。停止计数后清t r 0 位，从计数器寄存器中读取计数个数， 并根据时基频率计算出信号周期，通过运算转化为频率值，送入显存进行显示。 程序流程图如图4 3 所示。 竺 兰竺壁! ! 兰塑型兰竺 、 ( 洲量电参数模块 图4 , 2 测量电参数模块流程图 设置定时器t 0 工作 。 t 方式字 i i f o u 为低电平? 至 清定时器寄存器值 、卜 ii l 关闭定时器l l 否 i n t o 口为低电幸i 。 j 0 是i 读定器值寄存l 开启定时器 计算频率 + 足 、 i n t o 口为低电平? l 显示频率 l 否 圜4 3频率测量模块流程幽 第四章系统的软件世计 4 3 中断管理 在本软件中使用了两个中断：软件定时器t o 溢出、串行口接受t t ，断。程序刀： 始禁止所有中断，开放与禁止的情况在各功能模块巾不同，具体情况为： 测量电参数模块中，为了保证采集的实时性，采集数掘时只开放软件定时 器中断。采集完毕后丌放串行口中断。 测量频率模块中，采用查询方式查询i n t o 口的电平，为了保证能及时采样 至l j i n t o 的上跳沿和下跳沿，关闭所有中断。测量结束后，开放串行1 5 中断。 下面介绍本软件的中断所对应的处理程序： 软件定时器中断：数据采集中用到了定时器t 0 复位，当t o 复位时便触发软 件定时器中断。在中断中，先设景计数器寄存器的初始值，然后启动定时器并开 放定时器中断。然后单片机通过p 1 5 口线发出低电平，控制两个采样保持器l f 3 9 8 保持信号的瞬时值。同时控制多路模拟开关地址线先接通电压信号，接下来顺序 启动a d 读取采集数据。电压信号采集完毕后改变多路模拟开关地址接通电流信 号并进行采集。两路信号都采集完毕后，进入等待状态，等下一次中断的到来， 重复上述过程，直到采集完规定的点数后，整个数据采集过程结束。 串行接收中断，在4 6 节介绍。 4 4 键盘管理模块 键盘管理模块包括键盘扫描、延时去抖、键处理等子模块。山于我们采用的 是独立式键盘结构，每个按键占用一根测试线，这些测试线相互独立无编码关系， 因而键盘软件不存在译码问题，一旦检测到某测试线上有键闭合，便可直接转入 到相应的键功能处理程序进行处理。键盘软件的流程图如图4 4 所示。 首先判断有无键按下，若检测到有键按下，就延时1 0 m s 避了 ：抖动的影响，查 询足哪一键被按下并执行有关测操作。然后再用软件查询等待按键的释放，当判 明键释放后，用软件延时1 0 m s 后再返回。第二次延时的作用是：一方面避丌键释 放时触点抖动的影响；另一方面也具有防连击的功能。该软件对两个以上的键被 同时按下具有判低序号按键有效的功能。 多功能l 乜参数测量仪 皇 读p l li1 i 叫慧蒡鏊篓萎翥錾卜 。 叫铹嚣卜- 叫设惹凳望篓妻标卜 i 叫跬鬈凳竿餐妻标卜 。 l 读p 1 口 f 否i l 一诬已释放? 掘 延时1 0 秒 图4 4键盘接口软件流程 4 5 显示模块 本设计所用的液晶模块的字符发生器r o m 里已经存储了1 6 0 个不同的点阵 字符图形。显示时，只要根据所要显示的字符散转到字符发生器中的字符代码， 再把字符代码送到d d r a m 的地址( 实际上就是待显示的字符显示位簧) 就可以 了。实现中主要要处理的问题是浮点数的显示处理，要将显示的浮点数每位数字 分离出来才能进行显示。 第叫章系统的软仆址计 4 6 通信模块 传统仪器的一个很大的不足就是它不能进行数据通信，这在很大程度上限制 了自动化程度的提高。为了实现电力系统的远程监控、遥测等功能，提高自动化 程度，要求仪器必须具备通信功能。本仪器主要进行数据的采集、电参数计算等 工作，同时可以响应来自微机串口的指令将测量值送至上位机，而后上位机可以 通过打印机或显示器，向用户随时提供各种统计报表。这样做，是为了仪器既可 以单独使用，也可以作为网络的一个节点，增强仪器使用的灵活性。 4 6 1 通信协议 为了保证通信的可靠、准确，要求通信双方必须同时服从一套约定好的数据 传输格式、顺序等方面的一系列规则。并能实现传输差错的检验和校f 。我们在 比较了多利t 成熟的通信规程基础上，采用了适合本系统的、简单、可靠的通信曲。 议。通信协议如图4 5 所示。 上位机 ( 主机) 仪器 ( 从机) 图4 5仪器通信协议 通信开始由上位机发出呼叫( 一组字符串信号) ，包括呼日q 字符和被呼目q 仪 表的地址码。对于分布式测控系统，每台仪器都分配唯一的地址码，以免引起系 统的通信混乱。仪器接收到上位机的呼叫信号以后，首先判断是不是一个完整的 呼叫信号，然后检查是不是自己的地址，如是自己的，则发出呼n u 回答信号，否 则不予理睬。上位机在收到呼叫回答信号之后，即可确认该仪器已做好了数据通 信的准备，向仪器发出通信要求字符串。通信要求包括了以下内容： 传送方向( 写入数据：上位机向仪器传送数据) ( 读出数据：仪器向上位机传送数据) ( 状态设定：由上位机发出指令使仪器处于某种状态) 传送数据地址 传送数据长度 因为本仪器有三种通信情况：上位机读数据、上位机写数据和上位机设定仪 器状态。针对三种不同情况，通信要求格式有三种。 3 4多功能f 乜参数测量仪 上位机读数据 上位机写数据 上位机改定状态 数据起始符 传送方向 |功能转换字i结求符i校验年i l 其中校验和是为了检查数据传输的正确性而设的，仪表对接收的数据进行正 确性检查( 包括地址范围的检查、设定值的检查、数掘校验和的检查) 。检查证确 后，按照通信要求的地址、传送长度等要求，将数据写入内存。如果仪表对接收 数据检查不通过，则向数据传送方发出数据传输错误信息，重新进行数据发送。 若通信要求中传送方向是读出数据，单片机从相应内存中组织数据块发送给 微机。微机收到单片机的回答数据后，同样先进行正确性检查，如果检查通过， 则发送数掘正常接收信号。检查不通过，则重新进行数据读取操作。 此后，单片机和微机分别发送通信结束信号，标志着一次完整的数掘交换结 束。 作为一个完整的通信协议，只有上述的约定是不够的，必须在发送和接收数 据的时间上加一限制，否则，很可能因为某些原因无限制地等待对方的应答，使 整个系统处于工作不正常的状态，或者延迟其他动作的处理。具体的时问限制要 根据通信内容、c p u 的处理速度再加上适当的余量来确定。在本仪器通信软件中， 仪器在接收到呼叫信号并返回呼叫回答的处理比较简单，微机发出乎叫信号后等 待呼叫回答的时间较短，而仪器在接收到微机的读取数据指令或微机向仪器写入 数据时处理的时间较长，双方等待时间较长。 4 6 2 上位机通信程序的实现 w i n d o w s 以其高级图形用户界面、多任务、自动内存管理等特点，倍受用户 青睐。v i s u a lb a s i c 以其友好的界面、简单易用、实时性强等优点、得到了广泛应 用。和d o s 操作系统通过执行中断调用实现串行通信的方法不同，在w i n d o w s 操作系统中提供了专门的a p i 函数，通过调用a p t 函数实现更高层次的串行通信， 同时也保证了多个应用程序调用串口资源。 w i n d o w s 的通信函数是通过中断驱动的。也就是，进来的字符迅速地中断当 前的程序，以便w i n d o w s 接收从通信接口传来的字符，该字符存放在一个缓冲区 内( 该缓冲区由w i n d o w s ) 维护，以供响应的应用程序读写。写出字符的操作方 式与读入字符大致相同，w i n d o w s 从应用程序取得字符，存放在缓冲区，当通信 第列章系统的软件鞋计 3 5 端口准备好后，w i n d o w s 就以没定好的波特率传送。这一切都在后台发生，且非 常快，不用用户直接介入。v b 将上述通信函数的机制封装在一个串行口通信控件 - - m s c o m m o c x 中，通过该控件可以方便地编制上位机软件。 在仪器软件中，利用串行控件编制了读取数掘函数、写入数据函数、状态设 罱函数在应用程序中调用。这三个函数是上位机通信软件的核心，分别介绍。 读取数据函数流程图如图4 6 所示： 在程序中用到了很多的通信控制字符，主要包括呼叫字符、通信要求和传输 数据块的开始结束符、数据正常接收回答字符和通信结束字符。在通信的过程中， 因某些原因不能保证每次通信成功，遇到这种情况，简单地宣斫i 通信失败或通信 线路故障是不合适的。程序设置了通信重复次数计数器，只有在同一通信失败了 规定的次数后，才宣布通信失败或通信线路故障，从而大大提高通信的成功率和 系统的容错能力。而且根据不同的通信情况将标志置位为相应的值，在主程序中， 根据不同的通信标志显示不同的通信结果信息( 如线路故障、校验和出错、通信 j 下常等) 。 写入数据函数和状态设置函数的编制流程和读取数据函数雷同，此处略。 4 6 3 下位机通信程序的实现 仪器绝大部分时间处在被动的响应之中，即时刻准备接收数据。基于此种考 虑，程序种只用了串行口接收中断，并没有串行口发送中断，并且所有的通信过 程都在此中断处理程序中完成。 中断处理程序的流程图如图4 7 所示。仪表响应上位机请求进入中断服务程 序，将所有中断关闭直至跳出处理程序。处理程序边接收上位机发送来的字符边 进行判断，根据相应位置字符的取值进行相应的处理( 如出错跳出、程序散转执 行读取、发送和设置操作) 。 多功能l 乜参数测量仪 图4 6 上位机读取仪器数据流程 第四章系统的软件设计 图4 7 仪器通信流科 第五章实验结果和误差分析 第五章实验结果和误差分析 5 1 实验结果 根据已有条件，通过和0 1 级仪器测量结果对比，有如下结果： 表5 1 频率测量结果 测量次数 0 1 级仪器读数( h z )本仪器读数( )相对误差( ) 15 2 + 4 1 25 2 1 4 10 5 2 25 1 9 2 15 2 1 1 30 3 7 35 2 1 8 55 2 4 9 4o 5 9 45 1 8 3 35 2 0 1 60 3 5 表5 2 电压测量结果 测量次数 o 1 级仪器读数( v )本仪器读数( v )相对误差( ) 12 2 8 1 7 12 2 7 2 3 7- 0 4 1 22 2 7 1 9 32 2 8 2 2 30 4 5 32 2 8 3 6 42 2 7 9 6 9o 1 7 42 2 9 2 5 12 2 8 6 5 20 2 6 表5 3 电流测量结果 测量次数 0 1 级仪器读数( a )本仪器读数相对误差( ) 10 2 9 5 1 10 2 9 5 8 80 2 6 2o 2 7 2 5 40 2 7 3 5 30 + 3 7 3o 2 6 9 2 3o 2 7 0 5 5 ， 0 4 8 4o 2 6 8 4 70 2 6 9 9 20 5 3 表5 4 有功功率测量结果 测量次数 0 1 级仪器读数f k w )本仪器读数( k w ) 相对误差( ) l0 0 4 6 l0 0 4 6 30 4 3 20 0 5 2 80 0 5 3 00 3 7 30 0 5 5 60 0 5 5 7 o 1 8 4o 0 6 0 20 0 5 9 9- 0 5 4 从以上数据看出，基本达到了设计要求。 多功能电参数测量仪 5 2 误差分析 仪器设计时，以简化硬件电路、降低成本，充分利用微处理器为指导思想， 因此仪器中硬件带来的误差不再成为仪器误差的全部来源。在误差构成中，除硬 件带来的误差外，测量方法和软件实现上带来的误差占了很大一部分。仪器的误 差主要表现在以下几个方面： 互感器引起的测量误差 在仪器中被测信号是通过互感器实现信号的变换和隔离的，互感器的误差直 接影响仪器的精度。本仪器采用的互感器比值差为0 1 级。 数据采集系统的量化误差 在数字化测量中，测量系统的系统误差来源于a d 转换的量化误差，量化误 差的大小直接影响到数字化测量的精度。 数字测量的最大相对量化误差为： e 一0 5 l s b 一2 一( “1 l式中：n 为a 1 1 ) 转换位数 数字测量的量化单位为： q - 等 、 式中：【，矿为a d 转换的参考电压 若被测量信号的幅值为u 。，则量化误差带来的幅值最大相对误差为： ，r l 吒l l 挚x 2 一“”x 1 0 0 v m 本仪器中，a d 转换为1 2 位，a d 转换的参考电压为u ，d = 1 0 v ，u 。= 9 v rr 所以 l u 。i _ 挚x 2 叫肌”x 1 0 0 - 0 0 1 4 o 1 u m 上式中的误差是在输入信号为满量程的情况下推导出的误差范围。当输入信 号较小时，会引起较大的测量相对误差，但引入误差不会变大。m _ k 面的计算可 知，增大a d 转换位数，可以减小量化误差。 采样方法引起的误差 2 3 节已经得出当信号频率变化范围在4 9 5 1 h z 之间，采用准同步算法进行3 次迭代误差小于o 0 0 1 。但由于软件定时是由微处理器的定时中断形成的，系统 进入中断的延时时间是个随机数，故对采样误差留1 0 倍余量，即采样误差应小于 o 0 1 ，可以满足设计要求。 结束语4 1 结束语 本文论述了单相多功能电参数测量仪的设计，并对仪器的误差补偿方法、准 同步采样算法及其在单片机系统中的具体实现进行了深入的研究。文中在对仪器 自校准、准同步采样算法理论分析的基础上，进行了多功能电参数测量仪的软硬 件设计和调试。最后对仪器进行了实验和误差分析，给出了实验结果和误差分析。 现将本文的有关结论总结如下： 多功能电参数测量仪具有仪表多用的特点，是适合基层供电部门使用的一 种新型电工仪器。 仪器采用了准同步交流采样技术，省去了复杂的同步采样装置，简化了电 路，降低了成本，并能获得接近理想同步采样的测量精度。该技术的应用可实现 仪器对电网波形畸变大、非纯正弦电气参数的测量，扩大了仪器的使用范围。文 中对复杂的迭代用一次加权代替，并推导出了收敛速度最快的复化梯形积分的一 次加权系数，简化了程序设计，减小的运算量。 由于时间限制，本多功能电参数测量仪还存在以下不足： 电参数测量仪一般工作在电、磁干扰比较严重，多种干扰并存的复杂场合。 由于处在试验阶段，本设计并没有详细分析各种干扰源产生的原因和耦合方式， 也没有在软硬件两方面采取特殊的措施，比如采用“看门狗”和设置软件陷阱等 方法防止程序跑飞，这些措施在实际产品化过程是必不可少的。 仪器采集的数据包含所有信号信息，因此，只要增加一些软件功能( 如f f t ) 就可以进行谐波分析。 数谢 致谢 近三年的硕士学习生活即将结束，回顾自己在学业上的每一点进步，都离不 开学校老师、同学们和亲人