（控制理论与控制工程专业论文）多路数据采集器系统与智能仪表的研究和设计.pdf

摘要 摘要 目前国内工业电力监控行业中生产的单相、两相或三相的测量仪表，已经不能满足 企业和用户多回路电力参数测量的需求，仪表测量的功能、速度及精度对于飞速发展的 智能仪表行业已经相对落后。 电力自动化仪表行业虽已研制和开发各种功能的多回路数据采集器，但此类数据采 集器主要是应用于民用脉冲电表、水表、燃气表、热量表的多用户数据采集器，因此， 为了满足工业电力监控行业多回路交流电流等参数的测量需求，提出了一种基于 a t m e g a l 2 8 单片机的新型多路数据采集器，具有多回路交流电流测量和报警、状态信息 监测的功能，并将p c 主机控制有机结合在一起，具备远程操作能力。 本论文在对智能仪器的设计方法深入研究的基础上，分析了多回路数据采集器系统 的功能要求，提出了可行的设计方案。本论文主要内容如下：( 1 ) 论述了智能仪器的发 展过程和发展趋势，从智能仪器的输入通道、输出通道、人机交互通道和通信接口角度 介绍了智能仪器的硬件设计的典型结构和方法，分析了智能仪器软件设计，并论述了高 速数据采集器系统的原理和基本理论。( 2 ) 详细介绍了多回路数据采集器系统的硬件电 路研制和软件设计过程，解决了系统的测量问题，并对系统设计过程中软硬件抗干扰技 术方面应注意的问题进行了说明。全文的重点是数据采集部分的硬件设计和软件实现。 数据采集部分的硬件设计主要完成了以a v l t 高速嵌入式单片机为核心，模拟输入输 出和通讯接口部分的电路设计；通过软件编程设计，实现了八回路交流电流的动态高速 巡检采集，同时采用m 0 d b u 非1 r i7 作为传输协议，实现了仪表与p c 机的通信功能。 基于a 、瓜高速嵌入式单片机的新型多路数据采集器系统的实现，可直接应用于电力 行业的各相关企业，将会大大减少仪器成本，提高参数测量的速度和精度。本设计已经 实际装机使用，产品已经通过了有关部门的鉴定，并且得到了大量应用。 关键词：智能仪表，多回路，高速采集巡检，单片机，m o d b u s 爪t i ，协议通信 a b g m l c t a b s t r a c t c u r r e n tm e a s u r i n gi n 鲫m m e n tl e s st h a j l t h r e e - p h a s ec a n n o tm e e tr e q u i r e m e n tf | 0 r m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ni nh o m ee l e c t r i cp o w e rm 砌t o r i n gf i e l d c o m p a r e d 诵t h h i 曲一s p e e dd e v e l o p i n gi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，t l l em n c t i o n ，m e a s u r i n gs p e e da i l d p r e c i s i o na r er e l a t i v e l yb a c l ( 、删 a l 1 0 u 曲m a n y v 撕o u sm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u is i t i0 n sh a v eb e 鲫d e v e l0 p e d ，t h e ya r e u s e dm a i n l yi n c i v i lp u l s eb l o w a t t - h o u rm e t e r ，w a t e rm 鼬e r 凡e lg a sm e t e r 锄dh e a te n e 唱y m e t e r a sar e s u l t ，t k sp a p e rd e v e l o p san e w t y p eo fm u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o nb 弱e do n a t m e g a l 2 8 ，霄h i c hc a nm e a s u r ea cc u r r e n t ，m o n i t o rt h ei n f o 肌a t i o no fa l a r ma n ds t a t e a n d c o m b i n e 谢t hp e r s o n a jc o m p u t e rc o n t r o l 锄dl o n g 面s t a n c ec o n t r 0 1 b yt h o r o u 曲s n j d y i n gt h ed e s i g l lm e t h o d0 fi n t e l l i g e n ti n 咖m e 咄t l l i st h e s i sa n a l y s e s m n c 缸o n a lr e q u i r e m e n to fm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o n ，a n dp r o p o s e sf e a s i b i l i 桫d e s i g i l m e t h o d t h et h e s i s m a i nc 伽t 锄t ：( 1 ) i td i s c u s s e sa b o u td e v e l o p m e n t a lp r o c e s sa n d 饥m d0 f i n t e l l i g e n ti n s t m m e n t ，i n 仃0 d u c e sm 劬o d ，h i c hi n c l u d e sh a r d w a r ed e s i g f l i n g 觚ds o f h a r e p r o g r 锄m i n gb a s e d 0 ne o n s t i t u l i o no f i n t e l l i g e n ti n s t m m e n ti n d u d e di n p u t o u t p u t m 卸- m a c h i n ei n t e r a c t i o n 锄dc o m m u n i c a t i 伽i n t e 概c e ，t h e nd i s c u s 始sa b 伽t 研n c i p l ea n d t 1 1 e o 叮0 fm u l t i - c h a i l n e ld a t aa c ( 1 u i s i t i o ns y s t e m ( 2 ) t h et i l e s i sd e t a i l so nh a r d w a r e d e s i g n i n g a i l ds o f h a f e p r o g r a m m i n g ， s o l v e s m e a s u r i n gp r o b l e m ， a n d e x p l a i n s 锄t i - i n t e 疵r e n c et e c h o l o 科w h i c hs h o u l db ep a i da t t e n t i o nt oi nt h ed e s i g n i n gp f 0 c e s s t h e s p e c 讯cs u b j e c t0 ft 1 1 et 1 1 e s i si sh a u r d w a r ed e s i g l l i n ga n ds o f t w a r ep r 0 莎a m m i n go fd a _ t a a c q u i s i t i o np a n i t sh a r d w a r ed e s i g n i n gr e a l i z e s 锄a l o gi n p u 讹u t 卸dc o m m u n i c 撕o ni n t e m c e ， w h i c hc e n t e ra r o u n da v rh i g h s p e e de m b e d d e ds i n 舀ec h i pc o m p u t e r b y l o r o u 曲s o m a r e p r o 争锄m i n g ，i ta c h i e v e sd a t aa c q u i s i t i o no fe i 曲t - c i f c u i ta cc u 盯e mw h i c hm a l ( e sr o u n d s d y n 锄i c a l l ya tl l i g hs p e e d a t 小es a m et i m e ，i ta c c o m p l i s h e sc o m m u n i c a t i o nb 嘶v e e n p e r s o n a jc o m p u t e r 锄di n 咖m e n tb yu s i n gm o d b u 删a s c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 1 1 1 en e w 哆p eo fm u l t i - c h a n n e ld a t aa c q u is j t i o nh a sb e 朗d e v e l o p e db a s e d0 na v i t h i 曲s p e e d 锄b e d d e ds i n 西ec h i pc o m p u t e r i tc a nd i r e c n yb eu s e di nt h ee n t e 甲r is ei nh o m e e l e c t r i cp o w e r 行e l d nw i n 伊e a t l yr e d u c ec o s ta n di m p - d v es p e e da n dp r e c i s i o no fm e a s u 订n g p a r a m e t 盯t h es a m p l eh a sb e e nc o m p l e t e d 锄dp a s s e dr e l e v a i l to m c i a ld e p a r t m e n ta p p r a i s a l a l a 玛en u m b e r h a v eb e e np r o d u c e da n du s e d k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n ti n s t m m e n t ，m u l t i c h a n n e l ，h i 曲一s p e e da c q u i s i t i o no fd e t e c t i o n ，s i n g l e c h i pc 伽叩u t e r ，m o d b u s 瓜n7c o m m u n i c a 6 0 np r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是拳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的地 方外，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 本人为获得江南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作了明 确的说明并表示谢意 签 名：二名嶂日 期：筮咝二孚二一 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名： 导师签名： 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 第一章绪论 智能仪表1 1 1 是7 0 年代提出的新概念，自美国b o o n t o n 公司于1 9 7 3 年开发出第一 台内装4 位微处理器的电容电桥智能仪器以来，各种智能仪器大量涌现。数据采集器是 种具有现场记录、分析功能的智能设备或现场记录、离线分析机器设备等状态数据功 能的便携式分析仪器。它能和计算机一起组成独立的监测诊断系统，是一种同时具有多 种功能的智能化仪器。由于数据采集器具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统 方法不能完成的数据采集和测量任务，因而得到了初步的认可。 随着微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国内外数据 采集技术已经较初期有了很大的发展。近年来，国外公司的数据采集器新产品不断的涌 现。国外数据采集器的主要发展趋势可以概括为功能多样，体积减小和使用方便等三个 方面。此外，数据采集器的特点还反映在以下几个方面：它既是一台数据采集器，又是 一台功能较全的机器状态分析仪，还可以兼做其它仪器来使用；储存量大，频率测量范 围宽，能适用机器的各种监测范围需要；可利用各种传感器输入多种物理量，形成多参 数监测系统；元器件高度集成化，仪器体积减小，抗干扰性能强。目前国内一些仪器厂 已研制出了多种数据采集器，这些数据采集器基本已经达到了国外数据采集器的初期水 平。目前国内数据采集器与国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定的差距。国 内数据采集器测量分析频率范围不宽；仪器的内存不大，信号处理功能不强，现场监测 和精密诊断功能较弱；设备的软件水平不高。 在工业电力监控行业中，各种不同功能的数据自动采集仪器的更新和研制，进一步 提高了电力系统管理的实时性和自动化程度。国外仪表中有代表性的s c h n e i d e r e l e 嘶c 的p m 5 0 0 仪表，可测量单相，两相或者三相电流、电压、频率、功率等电力参数，然 而必须选配m o d b u sr s 4 8 5 模块及1 0 2 2 控制、报警模块后，才可实现远程操作和报警、 控制功能，价格昂贵。而且要实现多回路测量，需采用多个p m 5 0 0 表。国内也有不少 厂家生产单相，两相或者三相测量仪表，但仍不能满足用户多回路各参数测量的需求。目 前，国内电力自动化仪表行业虽已研制和开发各种功能的多回路数据采集器，但此类数 据采集器主要是应用于民用脉冲电表、脉冲水表、脉冲燃气表、脉冲热量表的多用户数 据采集器，在工业电力监控行业需要研制新型多回路数据采集器，具有多回路电流测量 和报警、状态信息监测以及反馈控制有机结合在一起、具备远程操作能力等功能。新型 多回路数据采集器是一种智能多功能仪表，可直接应用于电力行业的各相关企业，进行 多回路交流电流等测量，这样可以大大减少仪器成本，提高测量的精度和速度。 江南大学硕士学位论文 1 2 智能仪器及数据采集系统的发展和现状 仪器仪表1 2 l 是在人们认识客观世界、探索自然规律和进行工业化生产中必需的工具 和物质手段。仪器仪表技术既是现代科技的前沿技术，也是信息产业的关键技术、基础 和源头。在现代科学领域中，离不开先进仪器仪表的应用。 仪器仪表作为信息工业的源头，是以电脑和微处理器的技术为核心技术，以计算机、 网络、系统、通信、图像显示、自动控制理论为共性关键技术基础。这些信息技术应用 到仪器仪表中，促成仪器仪表升级为智能仪器仪表，发展成为信息工业领域中的一大群 体。 1 9 世纪以来，出现了许多描述物理现象的定律，它们都需要相应的电测仪器、仪表 来定量地加以验证，因此发明了基于物理定理的模拟式仪表。这些仪表中最典型的有伏 特表、安培表、功率表和测温表等磁电式模拟仪器仪表。2 0 世纪初至5 0 年代，出现了 电子仪器仪表，产生了以记录仪、电子示波器、信号发生器等为代表的电子式模拟仪器。 这些磁电式和电子式模拟仪器仪表统称为第一代仪器仪表模拟式仪器仪表。 随着集成电路的出现，数字技术在测量中获得了成功的应用。2 0 世纪6 0 年代出现 了以集成电路芯片为基础的第二代仪器仪表数字式仪器仪表，如数字电压表、数字 电流表、数字频率计、记忆示波器等。这类仪器仪表的特点是将模拟信号的测量转变为 数字信号的测量，并以数字方式显示和输出测量结果，适用于快速响应和高精度的要求， 还可以将数据通过接口输入计算机处理。 随着单片机的问世，2 0 世纪7 0 年代出现了内含微处理器的第三代仪器仪表智 能仪器。智能仪器仪表不仅能完成某些测量任务，还能进行各种复杂的数据运算处理， 且能适应被测参数的变化，进行自动补偿，自动选择量程、自动校准、自寻故障、自动 进行指标判断与分选以及进行逻辑操作、定量控制与程序控制等工作。随着新型单片机 和大规模可编程集成器件的出现，新研制生产的智能仪器仪表不断产生，并且正在逐渐 取代传统的仪器仪表。 随着微电子技术与计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合正引起 仪器仪表领域里的一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致第四代仪器仪表虚 拟仪器仪表和网络化仪器仪表的出现。虚拟仪器就是以通用计算机为基础，加上特定的 硬件接口设备和实现特定功能而编制的软件而形成的种新型仪器。其中，硬件接口模 块包括数据采集卡、串并口、i e e e 4 8 8 接口( g p l b ) 卡、v 控制器以及其他接口卡。 它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换以及输出信号的数模转换等功能。 当硬件确定以后，用户可以通过不同的测试功能的软件模块的组合来实现不同的功能。 软件是虚拟仪器的关键，因此从某种意义上可以说：“软件就是仪器 。 通用仪器总线g p m 实现了将多台仪器连接成为一个系统，这可以说是网络化仪器 2 第一章绪论 系统的雏形。以后又出现了v 总线、现场控制总线等，将更多的仪器连成一个测控系 统。在测量测试领域，可以将仪器、昂贵的外围设备、测试对象以及数据库等资源纳入 网络，实现资源共享，共同完成测试任务。网络时代测量仪器的特点之一就是，人们可 以把信息系统与测量系统通过网络连接起来，做到资源共享，高效完成复杂艰巨的测量 控制任务。 测量系统一般由数据采集、数据分析和数据表示三个部分组成，当将这三个位于不 同地理位置的部分由网络连接起来完成测试任务的时候，就可以形成网络化仪器。在网 络化仪器中，被测对象可通过测试现场的数据采集设备，将测得的数据或信息通过网络 传输给异地的微机化仪器去分析处理，分析后的结果又可被执行机构查询使用，使数据 采集、传输、处理分析成为一体，甚至实现实时采集、实时监测。这里，测试网络的总 功能将远远大于系统中各独立个体仪器的功能之和。 世界近2 0 年来，由于微电子学、网络技术的进步以及计算机应用的日益广泛，智 能化测量控制仪器仪表已经取得了巨大的进展。近l o 年来，由于包括纳米级的精密机 械研究成果、分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果，以及高精密 超性能特种功能材料研究成果和全球网络技术推广应用成果等在内的一大批当代最新 技术成果的竞相问世，使得仪器仪表领域发生了根本性的变革。通过分析可以看出，高 科技化不但是现代仪器仪表的主要特征，也是新世纪仪器仪表及其产业的发展主流。智 能仪器仪表正向着微型化、网络化、多功能化和虚拟化方向迅速迈进。 1 3 智能仪器仪表的基本结构 智能仪器实际上是一个专用的计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。 1 3 1 智能仪器的硬件结构 硬件结构1 2 1 包括微机系统、输入通道、输出通道、人一机对话通道及通信接口，其 基本组成如图1 1 所示。现对图中主要部分分别表述如下： 江南大学硕士学位论文 图1 1 智能仪器的硬件结构基本组成 ( 1 ) 微机系统 单片机芯片配以必要的外部器件就能构成最小微机系统。对于较复杂的智能仪器， 需较大的存储器容量和较多的i o 接口，单片机能提供很强的扩展能力，可以直接与外 部存储器和接口电路相连接，构成功能较强、规模较大的微机系统。单片机将采集 转换获得的数字信号进行运算和处理，可将结果显示或者打印等。 ( 2 ) 输入通道 输入通道是微机系统与采集对象相连接的部分。由于所采集的对象不同，有开关量 信号、频率量信号、模拟量信号。而这些信号都是安放在测量现场的传感器或变换装置 产生的，许多参量信号都很微弱，通常只有u v 或m v ，不能满足微机系统输入的要求， 必须用高输入阻抗的运算放大器对它们进行放大，使达到一定的幅度( 通常为几伏) 。 还要进行滤波，选择信号中一定频率范围的成分，去掉各种干扰和噪声。若信号的大小 与刖d 转换的输入范围不一致，须进行电平转换，必要时要加程控增益放大器对信号分 段放大以保证转换精度。一般被测量为几路或几十路，采用多路开关对被测信号进行切 换，使各路信号共用一个a d 转换器。若模拟信号变化较缓慢，可以直接加到a d 转 换器的输入端。如果信号变化较快，为了保证a d 转换的正确性，要加采样保持器。转 换后的数字信号送入单片机。 ( 3 ) 输出通道 根据输出控制的不同，输出通道电路是多种多样的，有d a 转换电路、放大隔离电 路等，其输出信号有模拟量信号、开关量信号和频率量信号。 ( 4 ) 人一机对话通道 智能仪器中的入一机对话是用户为了对智能仪器进行干预及了解智能仪器运行状 态所设置的通道。人一机对话通道所配置的设备主要有：键盘、显示器、开关、按钮和 4 第一章绪论 打印机等。 ( 5 ) 通信接口 智能仪器仪表可以与p c 机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测 量信号和数据，通过串行通信接口将信息传送给上位机广p c 机，由p c 机完成更复杂的 数据处理或进行全局监控。通信接口的作用就是实现智能仪器与外部系统相联系，需符 合通信总线规定的标准。通常采用r s 一2 3 2 标准、r s 4 8 5 标准和e e 一4 8 8 标准。具有 远距离数据通信功能，便于组成测控网络。 1 3 2 智能仪器的软件结构 智能仪器的软件【3 1 包括实现特定功能的算法、程序以及与它们有关的数据等。 ( 1 ) 算法顾名思义，即计算方法。也就是为求得某种特定的计算结果，而规定的一套 详细的方法和步骤。算法是解决问题的基本环节，是程序设计的核心。 算法具有如下特点：算法是一种详细规定毫不含糊的过程( 方法和步骤) ，可以表 达为数学公式( 数学模型) 或操作流程。对同一问题可以采取不同的算法达到同一目的。 算法的确定通常包括如下过程：问题的描述，数学模型的选择，给出实现算法的具 体步骤并验证其正确性，以及算法的程序实现，最后还要做好算法的分析，才能确定一 个算法的特性和好坏。 ( 2 ) 智能仪器软件结构的程序部分主要包括监控程序、接口管理程序和数据处理程序 三部分。 监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序，其内容包括：通过键盘输入数 据和命令，以对仪器的功能、操作方式与工作参数进行设置、控制；根据仪器设置的功 能和工作方式，控制i o 接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集 的数据进行相关处理；以数字、字符图形等形式显示测量结果、数据处理结果及仪器的 状态信息。 接口管理程序是面向通信接口的管理程序，其内容是接收并分析来自通信接口总线 的远控命令，包括描述有关功能、操作方式与工作参数的代码；进行有关的数据采集、 数据存储、通信等；通过通信接口送出仪器的测量结果、数据处理结果及仪器的现行工 作状态信息。 数据处理程序主要完成数据滤波、运算、分析等任务，采用各种方式提高采集数据 的精确性和可靠性，从而达到系统有关的技术指标。 5 江南大学硕士学位论文 1 4 智能仪器仪表的特点和基本功能 1 4 1 智能仪器的特点 智能仪器将人工智能的理论、方法和技术应用于仪器，使其成为具有类似人的智能 特性或功能的仪器。为了实现这种智能特性或功能，智能仪器中一般都使用嵌入微处理 器的系统芯片( s o c ) 、数字信号处理器( d s p ) 或专用电路( a s i c ) ，仪器内部带有处 理能力很强的智能软件。仪器仪表已不再是简单的硬件实体，而是硬件、软件相结合的 新型仪器，软件在仪器智能高低方面起重要作用。 仪器与微处理器相结合，取代了许多笨重的硬件，内部结构和前面板大为改观，节 省了许多开关和调节旋钮。智能仪器不再是简单的硬件实体，而是硬件与软件的结合， 微处理器通过键盘或遥控接口接受命令和信号，并用来控制仪器的运行，执行常规测量， 对数据进行智能分析和处理，并对数据进行数字显示和传送，软件在仪器智能化高低水 平方面起着重要作用，这些都是传统的模拟方法很难做到的。智能仪器通常具有以下几 个特剧4 l ： 1 、开发性强，可靠性高 在不增加硬件设备的情况下，以软件代替硬件，通过开发不同的应用软件使检测系 统实现不同的功能，使得智能仪器仪表的研制开发费用低、周期短。由于“硬件软化 ， 简化了硬件电路，减少了元器件，也就减少了故障发生率，提高了仪器仪表的可靠性。 2 、性能好，精度高 利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以消除由于漂移、增益变 化、干扰等因素引起的误差，提高仪器的测量精度。同时还有利于传感器的非线性校正 和动态特性补偿，改善了仪器的性能。 3 、具有数据处理功能 数据处理功能是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制 器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或者根本无法解决的问题，现在可以用软件非常 灵活得加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻，交直流电压、电流等，而智 能型的数字万用表不仅可以进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、 取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，使用户从繁重的数据处理中解放 出来。 4 、智能化 智能仪器仪表不仅可以对被测信号进行测量、存储和运算，还具有自校准、自动调 零、量程自动转换、故障自诊断等功能，大大地改善了仪器的自动化水平。与些仪器采 用了专家系统技术，可根据控制指令和外部信息自动地改变工作状态，并进行复杂的计 6 第章绪论 算、推理。 5 、具有友好的人机对话能力 操作人员可通过键盘输入命令，控制仪器完成某种测量和处理功能。仪器还可以通 过显示器显示仪器的运行状况、工作状态以及对测量数据的处理结果，使仪器的操作更 加方便直观。 6 、具有可程控操作的能力 目前的智能仪器仪表都配有g p m 、r s - 2 3 2 c 、u s b 等通信接口，可以很方便地与 计算机联系，接收计算机的命令，使其具有可程控操作的功能。与计算机或其他仪器构 成的集散控制系统可以完成更复杂的测试任务。 1 4 2 智能仪器的基本功能 可进行多通道、多参数巡回检测。 能进行数据采集、分析和处理。 提供多种形式的数据输出，可方便与网络、外设及其他设备进行数据交换。 可作为自动控制的信息反馈环节，把检测与控制结合起来。 可通过改变程序或采用可编程的方法增减仪器功能和规模来适应不同的环境和对 象。 自校准、自诊断、触发电平自动调整、量程自动调整和各种报警功能。 1 5 数据采集的概念和基本理论 将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据采集1 6 j ， 而相应的系统则为数据采集系统。数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信 息数据的采集、存储、处理及控制等工作，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技 术一起构成了现代检测技术的基础。 由于数据采集技术可以使许多抽象的模拟量数字化，进而给出其量值，或通过信号 处理对该模拟量进行分析。与模拟系统相比，数字系统具有精度高、可靠性高等优点， 因而，数据采集技术的应用越来越广泛，如温度、压力、位置、流量等模拟量，可以通 过不同类型的传感器将其转换为电信号模拟量( 如电压、电流或电脉冲等) ，再通过适 当的信号调理将信号送给模拟数字转换器，使其转换为可以进一步处理的数字信号送给 数字信号处理器或微处理机。反之，数字信号处理或微处理机可通过数字模拟转换器将 其产生的数字信号转换为模拟信号，再通过信号调理进行输出。 随着微电子学的进步以及计算机应用的日益广泛，数据采集系统取得了巨大的进 7 江南大学硕士学位论文 展，主要得益于硬件集成电路的不断发展。工业计算机、单片机和大规模集成电路的组 合，加上用软件管理，使数据采集系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加。同时由 于科学技术的发展和数据采集技术的广泛应用，对数据采集系统的许多技术指标，如采 样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要 求。 数据采集是整个企业实现工业行业自动化的最前端，数据采集系统的测试精度、数 据处理速度以及实现这些功能的成本是几个重要因素，数据采集器也正朝着高精度，高 速度，低成本，小型化的智能化方向发展r n 。高速、实时数据采集在工业自动化领域有 着非常重要的应用。用户的需求促进了技术的发展和新产品的出现，对高速数据采集仪 器的需求远远超过目前实际可以实现的程度。 1 6 论文的总体结构 第一章是绪论部分，介绍了课题的研究背景和意义，通过分析智能数据采集器的发 展和现状，指出与国外智能仪表相比，国内智能数据采集器的差距和不足。介绍了智能 仪表的软硬件基本结构、特点和基本功能，并简述了数据采集的概念和基本理论知识。 第二章是主要工作和任务，根据系统设计需求，明确主要工作和设计任务，制定详 细的设计计划，并介绍了系统设计所需仪器和设备。 第三章是多回路数据采集器系统的结构和性能分析，介绍了系统的总体结构和组 成，包括系统的整体制版结构和各功能模块的划分，分析了系统的功能要求和性能指标。 第四章是系统的硬件设计与实现，本章详细介绍了各功能模块硬件的选择，硬件接 口电路和抗干扰设计，主要包括了微处理器模块、数据采集模块、参数设置模块、输出 单元模块、l e d 显示模块和通讯接口模块。 第五章是系统的软件设计与实现，本章设计内容包括系统主程序、数据采集与预处 理模块和通信模块的软件设计。介绍了系统的整体工作过程，详细描述了数据采集模块 的采集和处理，设计了系统主程序和数据采集处理程序。还介绍了m o d b u s 承nj 通信协 议，根据系统的通信功能要求，完成了通信协议的定制，建立了主从机的通信机制。 第六章测量问题与抗干扰措施，介绍了电流有效值的计算公式，讨论了电流测量时 出现的关键问题，并给出了解决方法；本章还介绍了系统设计过程中的抗干扰措施，包 括硬件和软件方面。 第七章结论与展望，介绍了样机验收情况及批量运行结果，并通过了有关部门的鉴 定，具有良好的应用和发展前景。 8 第二章主要工作和任务 第二章主要工作和任务 引言：由于所选择的课题是公司的项目，所以在设计时必须本着产品设计的原则，根据 系统设计需求，明确主要工作和任务，制定详细的设计计划，严格按照计划进行系统的 软硬件设计、调试和测试，最终达到系统的功能要求和技术指标。 2 1 主要工作 1 、根据现有相关标准和存在的问题对多回路数据采集器系统进行研究，提高系统采集 数据的速度和精度，进行分析和系统设计，划分各个功能模块，明确各个模块功能和相 互关系。 2 、根据系统的功能要求和性价比，进行微处理器、多路选择开关、运算放大器、通信 接口芯片等主要部件的选型，通信协议的选定。根据系统的技术指标和安全性能要求， 设计完善的系统，实现系统功能可扩以及具有状态检测和报警功能等。 3 、硬件设计，每个功能模块的电路原理图和p c b 的设计，包括系统的微处理器模块、 数据采集模块、参数设置模块、输出单元模块、l e d 显示模块、通信接口模块、系统的 电源模块和j t a g 测试接口等功能模块的设计，以及元器件的采购、焊装和电路板调试， 4 、软件设计，主要包括系统监控主程序、数据采集与预处理程序和通信程序三部分的 设计。系统监控主程序部分完成系统的初始化、各接口部分的状态参数设定、巡检控制 和数据接收的通信控制等；数据采集及预处理部分实现a 仍初始化、信号a d 采样、 软件滤波及数据预处理、存储和传送等；通信部分通过标准通信m o d b u s 瓜t u 协议实现 微处理控制器与p c 主机之间的信息传递。 5 、系统测试，根据相关的标准和规范，对系统功能和性能进行测试，完善整个系统的 性能和技术要求。 2 2 设计计划 第一阶段工作：收集资料，进行相关的调查研究，阅读相关的文献资料，进行课题的分 析，明确课题进行的途径、步骤的设想、需使用的仪器，以及课题进行时可能出现的问 题及准备采取的应变措施。 第二阶段工作：系统设计，将整个系统划分为各个模块，制定每个模块的功能和接口， 设计系统原理图。 第三阶段工作：进行各个功能模块的硬件设计、电路调试和驱动程序的设计和硬件的准 备工作，通过硬件设计的完善实现系统的技术指标。 第四阶段工作：进行各个模块的软件设计，完成单板软件调试工作，进一步通过软件操 9 江南大学硕士学位论文 作达到系统的性能要求。 第五阶段工作：进行系统的整体调试( 通讯调试、功能调试和性能测试等) ，最终进一 步完善整个系统。 2 3 所需仪器和设备 l 、嵌入式工业计算机 2 、单片计算机 3 、c o d e v i s i o n a v rc c o m p i l e r 用于编写和编译a t m e g a l 2 8 微控制器的代码 4 、a 、瓜s m d i o 程序调试器 用于调试a r m e g a l 2 8 微控制器的代码 5 、普通p c 和笔记本电脑( 便于调试) 6 、程序仿真器和系统在线仿真器 7 、s l a 、爪开发下载实验器。 8 、其他各种元器件 1 0 第三章多路数据采集器系统的结构和性能分析 第三章多回路数据采集器系统的结构和性能分析 3 1 系统的总体结构和组成 多回路数据采集器系统主要由微处理器模块、数据采集模块、参数设置模块、输出 单元模块、l e d 显示模块、通讯接口模块和电源模块等功能模块组成。系统的总体结构 如图3 一l 所示。 嚣譬 开关电llr 源模块广 厂一 数据采 集模块 微处理器 c p u 盯a g 接 口模块 l e d 显 示模块 输出单 元模块 通讯接 口模块 图3 1 系统总体结构框图 1 微处理器模块 微处理器模块是整个系统的核心部分，微处理器选用a 、瓜系列单片机中功能最强 的a t m e g a l 2 8 单片机，该处理器具有运用灵活、高速、低功耗的优点。主要特色是自 带看门狗、多种通讯接口、模拟比较器，片内集成8 位和1 6 位定时计数器，并附带同 步串行接口s p i 等。由于a t m e g a l 2 8 单片机内部包含一个8 通道复用的1 0 位d 转换 器，系统的电路设计可省去a d 转换电路。通用i o 接口具有很强的驱动能力，灌电流 不需要驱动电路可以直接驱动继电器、l e d 等外接器件，可省去一部分驱动电路，节约 了系统成本。采用j t a g 测试接口来实现程序的下载和系统的调试，因而，系统的开发 调试十分方便，即使已被应用于现场随时进行一定程序的修改也是可以的。 2 数据采集模块 数据采集模块是该系统设计的关键部分，它需要采集8 路输入信号，每路输入信号 包括：1 个电流有效值，两个有源开关量输入。其中测量的每路交流电流的有效值范围 是o 6 a ，要求测量精度为o 5 级，两个有源开关量输入是指报警信号输入和状态信号输 入。 江南大学硕士学位论文 3 参数设置模块 参数设置模块主要实现本设备地址和通讯波特率的设置，可设置本设备地址范围为 1 6 3 ，通讯波特率范围为4 8 0 0 1 9 2 0 0 波特，从而实现与主机通信时的参数设定，以满 足用户多种不同需求。这一功能实现在系统软件部分作具体介绍。 4 输出单元模块 输出单元模块同样有8 路输出，每路有2 个开关量输出，用继电器提供两个无源触点 来实现。为了避免外部干扰对信号影响，信号的输入和输出单元使用高速光电耦合电路。 5 l e d 显示模块 显示部分用l e d 显示报警信号与状态检测信号输入、系统电源的通断信号以及通 讯信号的工作情况，实时反应系统的工作状况。 6 通信接口模块 通信接口模块采用r s 4 8 5 接口电路，r s 4 8 5 接口芯片采用s i p e ) 【的s p 4 8 5 e e n ， 这是一款工业级带高静电保护的芯片，使通信更可靠。系统采用m o d b u s 瓜t i7 作为传输 协议，通过软件编程设计，完成系统的微处理c p u 与p c 机或者其它微处理器之间的通 信，实现实时监控和资源共享等。 7 电源模块 实现交流2 2 0 v 、5 0 h z 到直流电源的转换，同时发出电源工作状态信号，转换获得 的直流电源提供整个系统各个模块的工作电源。由于整个系统由c p u 主板和i o 板构成， 设计时开关电源模块放置在c p u 主板上，电源需要连接到怕板，提供报警与状态信号 灯的工作电源。 3 2 系统的性能分析 新型多回路数据采集器的主要技术和功能要求是： 基于a 、瓜高速嵌入式芯片的开放式系统，要求系统功能可扩。 八回路交流电流高速采集巡检，电源电压2 2 0 v a c 2 0 。( 每路有1 个模拟量输入， 2 个有源开关量输入，2 个开关量输出) 与标准通信协议( m o d b u s r 1 眦) 兼容的通信功能，波特率用户可自行设置。 ( 4 8 0 0 9 6 0 0 19 2 0 0 波特) 具有状态检测和报警功能。 新型多回路数据采集器系统设计要求处理速度块，满足功能可扩性好，支持八路交 流电流高速采集巡检，要求动态高速巡检软件性能好。系统具有与外部设备、其他系统 1 2 第三章多路数据采集器系统的结构和性能分析 连接的j t a g 接口，不仅与标准通信协议( m o d b u 非n7 ) 兼容，而且可使系统具有软 件在线升级的功能。仪表的波特率可以自行设置，以满足多种不同的功能要求。同时将 电流测量和报警、状态信息监测以及将p c 主机控制有机结合在一起、具备远程操作能 力，它是一种集计算机技术、自动控制技术和仪器仪表技术于一体的先进的自动化智能 仪表。新型多回路数据采集器的设计与开发是电力行业急需的自动化数据采集仪表，既 注重产品的先进性，又关注性能的可靠性和稳定性。 江南大学硕士学位论文 4 1 单片机介绍 4 1 1a v r 系列单片机 第四章系统的硬件设计与实现 a v l t 系列单片机1 1 0 j 是a 刑e i ，公司于1 9 9 7 年推出的s c 结构的、低功耗的、c m o s 技术的八位微处理器，具备m 口s 瑚z ( 百万条指令每秒兆赫兹) 的高速处理能力；采用 h a a r d 总线结构，程序存储器和数据存储器分离，可对具有相同地址的程序存储器和 数据存储器进行独立寻址的功能；a 、瓜单片机具有良好的集成性能，具备在线编程接口， 片内看门狗电路，片内程序f l a s h ，同步串行接口s p l 等功能。筒瓜系列单片机在自动 控制、智能仪表、数据采集系统、家用电器等中有广泛的应用。 趟瓜系列单片机通过在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每m h z 可实现 1 m i p s 的处理能力，这使得设计者可以优化功耗与速度之间的矛盾。a v 】t 内核具有3 2 个通用工作寄存器和丰富的指令集。所有的寄存器都直接与运算单元( a l u ) 相连接， 这使得可以通过在一个时钟周期内执行一条指令来访问到两个独立的寄存器。这种组合 结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器高十倍的数据吞吐 古 牛o a 、佩系列单片机具有以下特征：1 k 1 2 8 k 字节可下载f l a s h 存储器，6 纠k 字节 e e p r o m ，1 2 8 4 k 字节r a m ，5 4 8 条通用的i 内线，3 2 个通用工作寄存器，带模拟 比较器的定时器计数器，可编程的异步u 越玎串行口，内部及外部中断，带内部晶振 的可编程看门狗定时器，一个为下载程序而设计的s p l 串行口，1 0 位刖d 转换器，以 及2 个可通过软件选择的省电模式。闲置模式停止c p u 的工作，而s r a m 、定时器计 数器、片内振荡器( r t c ) 、s p i 口及中断系统继续工作。电源检测功能( b o d ) ，掉点 模式保存寄存器的内容，但冻结晶振，终止芯片的其它功能，直至下一次外部中断或硬 件复位。 该器件的制造运用了a r m e l 公司的高密度非易失存储器技术。芯片内可下载的 f l a s h 存储器可以通过s p i 串行口或通过通用的非易失存储器编程器对程序存储器进行 系统内的重新编程。通过在单一芯片内将一个增强性能的r j s c 8 位c p u 与可下载的 f l a s h 结合，使得a m e l 的a 、瓜系列单片机成为一种适合于许多要求、具有高度灵活 性和低成本的嵌入式控制应用的高效微控制器。 a v r 系列单片机的全套编程和系统开发工具包括：c 编译器，b a s c o n a 、瓜，宏 汇编器，程序调试器程序仿真器，系统在线仿真器和s l a 、佩开发下载实验器。 1 4 第四章系统的硬件设计与实现 4 1 2a t m e g a l 2 8 的特点及其硬件资源 a t m e g a l 2 8 单片机【1 2 】是高性能、低功耗的a 、佩八位微处理器，目前是a 、瓜系列单 片机中功能较强的一个型号。a t m e g a l 2 8 微处理器具有先进的r j s c 结构，具有3 2 个 通用工作寄存器，工作于1 6 m h z 时性能高达1 6 m p s ，具有高速运行处理能力。 a t m e g a l 2 8 微处理器具有如下特点： 1 ) 片内集成了非易失性的程序和数据存储器：1 2 8 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有 在写的过程中还可以读的能力，即r w w ) ，可重复编程1 0 ，0 0 0 次；具有独立锁定位、 可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内可编程；4 k 字节的e e p r o m ， 可重复擦写l o o ，o o o 次；4 k 字节s r a m 数据存储器；多达6 4 k 字节的优化的外部存 储器空间，可以对锁定位进行编程以实现软件加