（测试计量技术及仪器专业论文）智能微伏表软件系统的研制.pdf

abs tr act i n t h i s p a p e r , f i r s t l y , i t s i n t r o d u c e d , t h a t t h e f u n c t i o n a n d t h e d e f i c i e n c y o f t h e f i r s t g e n e r a t io n o f i n t e l l i g e n t mi c r o v o l t i n s t r u m e n t ( i m i ) a n d w h a t t h e s e c o n d g e n e r a t i o n i mi h a s b e e n i m p r o v e d i n h a r d w a r e . t h e s e c o n d g e n e r a t i o n i mi u s e s h i g h l y a n t i - j a m m i n g m i c r o p r o c e s s o r i n t e l 8 0 c 1 9 6 - k b a s k e r n e l a n d g e t s a / d r e s u l t f r o m s u c c e s s i v e - a p p r o x i m a t i o n a d c ma x 1 2 1 b y d m a ( d i r e c t me m o r y a c c e s s ). t h e d o u b l e w a y s s a m p l i n g s p e e d o f t h e in s t r u m e n t c a n r e a c h 3 1 2 . 5 k s p s a n d t h e b a n d w i d t h o f mi c r o v o l t c h a n n e l c a n r e a c h 2 0 0 h z . s e c o n d l y , s o f t w a r e s y s t e m s o f t h e s e c o n d g e n e r a t i o n i mi a r e i n t r o d u c e d , i n c l u d i n g e m b e d d i n g s y s t e m f o r t h e i n s t r u m e n t a n d c u r v e - d r a w i n g s y s t e m f o r p c . t h e e m b e d d i n g s y s t e m i s m e n t i o n e d e s p e c i a l l y . t h i s s y s t e m e l i m i n a t e s t h e i n t e r f e r e n c e o f 5 0 h z s i g n a l b y m e a n s o f d i g i t a l i n t e g r a l , a n d t h e a c c u r a c y o f d c m e a s u r e m e n t c a n r e a c h 1 p v. i n a c m e a s u r e m e n t p r o g r a m , f o r a v o i d i n g t h e i n t e r f e r e n c e o f s m a l l p e r t u r b a t i o n , fu z z y - e s t im a t i o n m e t h o d i s a d o p t e d t o a n a l y z e d a t a , a n d m e a s u r i n g a c c u r a c y o f s i g n a l s f r e q u e n c y , p e a k - p e a k v o l t a g e a n d p h a s e d i ff e r e n c e i s i m p r o v e d . i n s p e c t r u m a n a l y s i s p r o g r a m , c o n s i d e r i n g t h e c a l c u l a t i o n a b i l i t y o f 8 0 c 1 9 6 k b , p o l y n o m i a l a l g o r i t h m ( a l s o c a l l e d g o e rt z e l a l g o r i t h m ) i s a d o p t e d t o p e r f o r m d f t ( d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ) ， w i t h i n 2 0 0 h z b a n d w i d t h . t h e p o l y n o m i a l a l g o r i t h m im p r o v e s s p e e d o f s p e c t r u m a n a l y s i s o v e r 1 t i m e . me a n w h i le , a c a l c u l a t i n g m e t h o d , c a l l e d o v e r l a p s p e c t r u m a n a ly s i s i s u s e d , w h i c h i s : s e t t i n g s a m p l i n g t o t a l t im e f i x e d ; c h a n g in g t o t a l n u m b e r o f s a m p l i n g d a t a a n d s a m p l i n g i n t e r v a l t o d i v i d e t h e a n a ly s i s c y c l e i n t o s m a l l s u b - c ir c l e s ; c a lc u la t i n g f o r m h e a d s u b - c i r c l e t o t a i l s u b - c i r c l e c i r c u l a r l y t o a c h i e v e q u i c k c a l c u l a t i o n a n d s h o w i n g r e s u l t a t r e a l t i m e . t h e i n s t r u m e n t s a c c u r a c y o f s p e c t r u m a n a l y s i s c a n r e a c h 0 . 5 h z . a l l t h e s e p r o p e r t i e s i m p r o v e t h e c a p a b i l i t y o f t h e s e c o n d g e n e r a t i o n i mi m o r e g r e a t l y t h a n t h e f i r s t g e n e r a t i o n . f in a l ly , s o m e p r o b l e m s o f t h e s e c o n d g e n e r a t i o n i mi a r e d i s c u s s e d , in c l u d i n g h a r d wa r e d e f i c i e n c i e s a n d s o ft wa r e d e f i c i e n c i e s . k e y w o r d s :i n t e l l i g e n t mi c r o v o l t i n s t ru m e n t , s i m p s o n i n t e g r a l f o r m u l a , f o u r i e r t r a n s f o r m , g o e rt z e l a l g o r i t h m , s p e c t r u m a n a l y s i s a 3 f 竺至 t丝 i 垫 一 智能仪器及其发展概况 智能 仪器 ( i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t s ) 是随 着测试计量技 术和计 算机技术的 发展而 产生并在近几年随着计算机技术的飞速发展而获得迅猛发展的电子仪器。它的主 要特点，或者说它同前几代仪器的主要区别，在于仪器内含有了微处理器或微控 制器 ( 单片机) ，从而将软件也就是人工智能引入了仪器。可以说，智能仪器就是 由硬件和软件共同构成的仪器，由于智能仪器内含有了软件，它具有了如下一些 突出特点( 1- p 5 1 . 1 .仪器的功能多，适于极其广泛的应用场合。 仪器的发展最初只是硬件的发展，这样的仪器功能有限，只能完成很小范 围内的任务。 智能仪器内部包含了软件， 可以通过数据处理实现间接测量， 在很大程度上增加了扩展仪器功能的灵活性。 2 . 智能仪器具有先进的人机对话方式。 智能仪器的面板控制多采用为数不多的单触点功能键和数字键。面板显示 多采用七段l e d显示、点阵式字符显示或c r t显示。它们在监控软件的 作用下，通过键语使仪器以使用者的愿望实现某项功能或某几项功能的组 合。与此同时，仪器还可将自身的运行情况、工作状态、测量数据及处理 结果及时告诉使用者，从而更加密切了人机之间的关系。 3 .智能仪器具有远程控制和数据传输能力。 智能仪器一般配有一种或几种外部接口总线，可以和计算机连接或纳入自 动测试系统中工作。 4 .仪器性能有很大的提高。 智能仪器通过自调零、自 校准、自 检、自 动改换量程等特有的技术手段， 大大提高了仪器的性能并扩大了量程范围。在智能仪器出现之前，人们为 提高仪器的精确性、稳定性和可靠性付出了巨大的努力。智能仪器的出现 使这些问题获得了突破性的解决，其根本手段就是依靠电脑的智力自 动校准和自 动检验。这是智能仪器在功能上优于传统仪器的两个主要方 面。此外，非线性校正、数字滤波等数字处理方法，都是提高仪器性能的 _ _一 一a 二竺巡竺丝些u 一 一 一 强有力的手段。 总之，智能仪器内部引入了计算机技术，使测量过程改用软件控制。这不仅 简化了硬件结构，缩小了体积及功耗，提高了可靠性和灵活性，而且使仪器的自 动化程度更高。 商品化的智能仪器出现于 1 9 7 3年，此后发展极为迅速。1 9 7 5年时大约有七、 八十种，1 9 7 9年猛增至六百种左右，八十年代以后，在高准确度、高性能、多功 能的测量仪器中已经很少有不采用微计算机技术的了。 智能仪器的发展前景是极其乐观的。随着计算机技术的迅速发展，微处理器、 微控制器 ( 单片机)以及其他大规模集成电路的功能不断增加，性能不断提高， 而价格不断下降。同时软件技术、计算机应用技术的飞快发展也都为智能仪器的 发展提供了优越的条件。 展望智能仪器未来的发展，以下几项技术的发展是重要的方向 )b ) - )8 ) 1 ，传感器技术。目前传感器正在朝着小型、固态、多功能、集成化方向发展。 大力发展传感器技术，提高传感器的性能和稳定性，是提高智能仪器性能 的基础。 2 .虚拟仪器 ( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ) 。虚拟仪器是更新一代的电子仪器，它把计 算机和测试系统更紧密地集合了起来，融合为一体，软件在系统中发挥着 更大的作用。仪器中的一些硬件甚至整件仪器都从系统中 “ 消失”了，而 由计算机和软件来完成它们的功能，形成了 所谓的 “ 虚拟仪器” 。近年来， 软件技术的飞速发展，有力地推动了虚拟仪器的发展。目前虚拟仪器还处 在发展的开始阶段，仍存在工作频率不够高的缺点。但它的出现已引起了 人们的极大的兴趣，是电子测量技术发展的一个重要方向。 3 . a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e d c ir c u i t ， 专 用集成电 路) 芯片的 使用。 虽然仪器功能的软件实现方案有许多优点，但也有工作频率低等缺点。随 着超大规模集成电 路工艺的 成熟与 稳定， 随着电 子 c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ， 计 算机辅 助设 计) 技 术的 完善， a s i c技术发展得很快， 为仪器设 计专用的a s i c芯片提高仪器的速度， 改善其实时性， 而且可缩小仪器体积、 降低生产成本、提高可靠性、降低功耗、增强保密性。 一 一止塑坠竺匹进竺it s c 二 第一代智能微伏表的性能 2 . 1第一代智能微伏表简介 第一代智能微伏表是我系实验教研室在参考国内外虚拟、智能测量、控制 和微弱信号检测技术的基础上，与新颖的单片机智能监控、数字信号处理、滤 波与相位跟踪软件相结合而制作成功的一种新型智能仪器。 它的硬件是由8 0 9 8 单片机系统 ( 包括两路微伏输入通道， 两路毫伏输入通道， 一路模拟输出通道， 步进电机驱动信号输出，3 2 k的r a m数据存储器，1 6 k的ep r o m程序存储 器，r s - 2 3 2 c串行通信口，八位数码管显示，2 0位薄膜键盘等)和宽量程微 伏放大器组成。其结构紧凑，体积小，功能强大。 微伏表作为一种新型智能仪器，具有如下优点: 1 灵敏度高。智能微伏表的微伏通道灵敏度为 l u v 。该灵敏度远高于一 般的毫伏表等仪器，与精密数字电 压表相同。 2 .具有适中的精度。智能微伏表的直流测量精度为 0 . 1 %，这一精度能 满足绝大多数场合的要求。 3 输入阻抗高。智能微伏表微伏通道使用的斩波自 稳零放大器的输入阻 抗大于1 0 12 0。可用于对仪器输入阻抗有苛刻要求的场合。 4 有很强的数据处理能力。智能微伏表内的 8 0 8 9单片机的一大特点是计 算速度快，远远优于 5 1 系列单片机。 5 .有d / .a 输出和高速输入/ 输出端口，便于自 动化测量和控制。 6 .可与计算机联机。将数据送给计算机，做数据处理、存储;图形显示、 打印等功能。 7 .具有独特的磁测量和频谱分析功能。 8 .价格适中，性价比高。 口.曰. 一 一 一 一一一 一 一 一 一 rv a 3 f ) * nt i s * t i些 k 一一一 智能微伏表的使用场合很广， 无论是对教学还是对科研都有很好的现实意义。 总结起来，智能微伏表可用于以下领域: 1 .物理实验教学。 随着实验物理教学的发展，毫伏精度的测量手段己经不能满足全部实验教 学的需要。为了更深入精确地解释物理现象的本质和内在规律，需要更高 精度的实验手段。智能微伏表正可满足上述要求。它己应用于物理实验中 的磁学实验、近代物理实验中。实践表明效果良好，满足了实验教学的要 求。 7 .应用离子选择电极的相关领域(9 ),( 10 j 离子选择电极是六十年代后期以来迅速发展起来的一种新的分析技术。利 用它，可通过简单的电势测量直接测定溶液中某粒子的活度。具有设备简 单、操作方便、能现场快速连续测量的优点。对工业自动分析、环境监测、 科学考察及理论研究等均有重大的价值。广泛应用于海洋、土壤、地质、 化工、化学动力学、电分析化学、生物学、医学等领域。离子选择电极的 输出信号在 0 . 1 m v - 1 v范围内。由于当测量回路电流不为零时，伴随着电 化学反应的发生，测量数据会发生变化而使测量失去意义，所以它要求测 试仪器的输入阻抗特别高。另外，它还需要做计算、校正、作图等数据处 理工作。 这使得离子选择电 极分析技术近年来向智能化、自 动化方向发展。 无论从离子选择电极的哪个角度看，智能微伏表都十分适用与使用它的场 a j .磁测量与磁性材料磁特性测量。 智能微伏表具有灵敏度很高的磁测量功能，配合其强大的数据处理能力与 计算机联机做存储、绘图等能力。可方便地测量相关的磁学量和磁性材料 的磁特性参数。 4 .生物电信号的测量。 生命科学的发展将电测量仪器引入了其领域。生物电信号是复杂多样 的，从总体上看，它有如下特点:幅度强弱不一。有的为几十毫伏，有 的只有十几微伏;频率波形不一。大部分生物电信号频率比较低，约在 南开大学硕 卜 学位论义 2 0 0 h z以 下。 其波形各不相同: 有的信号是 瞬间的、非周期的信号; 其测量条件多种多样。第一代智能微伏表灵敏度高，具有一定的带宽 ( 2 0 h z ) ,输入阻抗高，有强大的数据处理能力的优势，在此领域有较广 的应用前景。 5 .测量热释电输出等含有干扰、噪声的信号。智能微伏表具有的频谱分析功 能可将干扰与噪声排除掉，有效地测出有用的信号。其典型应用是测量热 释电探测器的输出信号。热释电探测器具有灵敏度高、对光的波长不敏感 的优点，在光谱仪、辐射仪、量能仪等仪器上有广泛的应用。因为热释电 探测器的输出中含有严重的噪声 ( 热噪声、j o h n s o n噪声等)和千扰，其 输出信号都用锁相放大器做测量。智能微伏表可代替锁相放大器取出热释 电信号。同样，它也可用于其它带有干扰、噪声的测量场合。 2 . 2第一代智能微伏表的 不足之处 第一代智能微伏表具有诸多优点，同时，也有一些缺点。它们是: 1 .内部使用的 8 0 9 8单片机对电源的稳定性要求较高，当电源有短时间的士 0 . 2 5 v 的起伏时单片机就会复位，抗电源干扰能力差。 2 .仪表的两路微伏( 或毫伏 ) 测量通道共用地线。这要求两路信号必须共地， 而实际待测信号往往不是共地的，具有一个电位差，这时仪表只能分别作 单路测量，不能进行双路测量。 3 仪表的微伏通道使用 i c l 7 6 5 0组成的微伏放大器，后接低通滤波器。由于 工 c l 7 6 5 0 的斩波频率低， 所以整个微伏通道的带宽只有2 0 h z . 4 .仪表使用 8 0 9 8单片机内部的 a / d转换器，它只能转换正电压信号。因此， 仪表不能测量负电压信号。 5 . 8 0 9 8单片机内部a / 。 转换器的转换时间长，为2 2 . 4 h s 。在双路测量时， 两路各采样一次需要时间 5 0 4 s o 这使得仪表的毫伏通道在双路测量时带 宽只有 4 0 0 h z o 这些硬件的缺陷大大限制了第一代智能微伏表的使用范围。 南开大学4 0卜 学位论文 三 第二代智能微伏表硬件系统 3 . 1 第二代智能微伏表的硬件系统改进 针对第一代智能微伏表的缺陷，我们设计了第二代智能微伏表。第二代智能 微伏表在硬件上变化很大，与第一代智能微伏表相比，共有如下几处不同: 1 .考虑到简化设计和提高性能两个因素，第二代智能微伏表内部的单片机选用 8 0 c 1 9 6 k b a c 1 9 6系列单片机是m c s - 9 6的一个 c h m o s分支，与 m c s - 9 6系列兼容，而 1睦能更优。c 1 9 6系列单片机的品种很多，其中的早期型号 8 o c 1 9 6 k b与 9 6系 列单片机相比， 具有以下几个主要优点 , 8 , t w t ( 1 ) 时钟频率是晶振频率的二分频，与 9 6系列的三分频相比，计算、运行速 度较快。 ( 2 ) 可动态配置总线宽度 ( 9 6 系列中的8 0 9 6 b h 亦有此功能) 。在开机运行时， 数据总线宽度可由1 6 位变到8 位，也可由8 位变到1 6 位。 ( 3 ) 具有总线出让功能，使用起来十分灵活。 ( 4 ) 具有闲置 ( i d l e ) 和掉电 ( p o w e r d o w n )两种低功耗工作方式。 ( 5 ) 中断系统大大增强。 ( 6 ) 由于以c h m o s 工艺制造，功耗低且具有较强的抗电源千扰能力。 2 第二代智能微伏表内部有隔离电路， 解决了输入通道的共地问题。仪表使用高 速光电隔离器 6 n 1 3 7进行隔离。6 n 1 3 7加在 a / d转换器之后，它不会影响测量 精度。 3 第二代智能微伏表使用专用的中高速a / d 转换器m a x 1 2 1 ， 以增强数据采集能力。 m a x 1 2 1 的特点如下: ( 1 ) 输入电压范围是士5 v 。这样使仪表能测正、负信号。 ( 2 ) 输出结果为 1 4位。高于第一代智能微伏表的 1 0位。保证了仪表的测量 南开大学硕 卜 学位论文 精度。 ( 3 ) 双路 转换时间为3 . 2 h s 。 比 第一 代智能 微 伏表( 双路 测量时 转换时间5 0 ja s ) 缩短了十多倍。 ( 4 ) a / d 转换结果串行输出。其数据线只有一根，大大简化了隔离电路。 4 .第二代智能微伏表内部有 d m a控制器。使用m a x 工 2 1 做 a / d转换时，单片机来 不及将 a / d 转换结果传送到 r a m存储器。仪表以d m a方式将两路交叉 a / d 转换 结果及时存入r a m 里。d m a 控制电路利用了8 0 c 1 9 6 k b 单片机的总线出让、闲置 方式、动态总线的功能，d m a 控制器8 2 3 7 a - 5 与a / d 转换器均工作在最快速度。 芯片的功能发挥充分。 5 .第二代智能微伏表使用了由斩波自稳零运放 t l c 2 6 5 2构成的新型程控微伏放大 器。t l c 2 6 5 2斩波频率为4 5 0 h z ，它的输出接一个四阶c h e b i s h e v 低通滤波器， 截止频率为2 0 0 h z 。这样，微伏通道的带宽是第一代的1 0倍，扩大了仪表的使 用范围。 6 .第二代智能微伏表内部有毫伏放大器。第二代智能微伏表 a / d转换器的一个 l s b (最低有效位 ) 为 0 . 6 1 m v ，比较大。使用低噪声、低失调的精密运放 ( 如 o p 0 7 )组成放大器加在毫伏通道上，可使通道的分辨率达到 0 . 1 m v 。由于使用 了较高速的a / d 转换器，第二代智能微伏表毫伏通道的的带宽达到8 k h z ，是第 一代的2 0 倍。 7 .第二代智能微伏表使用m a x 7 2 1 9 驱动l e d 数码管。与8 2 7 9 相比， m a x 7 2 1 9 驱动 l e d 时功耗小，可由软件控制亮度，显示效果也好，没有 “ 闪烁”现象。 8 .第二 代智能微伏表串 行口的电平转换电路使用m a x 2 3 2 。它使用+ 5 v电源，与单 片机相同。 9 .第二代智能微伏表的d / a 输出口没有使用运算放大器，其电源只需要+ 5 v , 3 . 2第二代智能微伏表的硬件系统结构 第二代智能微伏表的硬件系统结构如图3 - 1 所示。它由8 0 c 1 9 6 k b系统和信号 预处理系统电路两大部分组成，两部分电路之间用隔离电路连接。 8 o c 1 9 6 k b 系统由以下几部分组成: 南开大学( i)( 1 十 学位论文 1 . 8 o c 1 9 6 k b单片机。这是整个仪表的核心. 它既负责控制仪表各部分的运 行，又负责处理数据，计算出结果。 2 . e p r o m 程序存储器和r a m 数据存储器。e l p r o m 容量为1 6 k ，由两片2 8 6 4 组 成， 采用8 位数据总线:r a m总容量为4 0 k ， 其中3 2 k 用一片6 2 2 5 6 ， 采 用 8 位数据总线，另外的8 k由两片6 2 6 4 组成， 3 . 8 2 3 7 d m a 控制器。仪表用d m a 方法取a / d 结果时 采用 1 6 位数据总线。 8 2 3 7 负责控制两路a / d 结果的d m a 传送。 计算机 键 盘 串行口 日 d / a输出 ep r om 存 储 器 s r am 存 储 器 8 2 7 9 8 0 c 1 9 6 kb 微 处 理 器 7 2 1 9目l e d显示 8 2 3 78 2 5 5 7 4 hc5 9 5 隔 离隔 离 程控微伏放大器 低 通陷 波公 曰m a x 1 2 1 adc 毫伏放大器 3 - 1 :第二代智能微伏表结构框图 4 . 8 2 7 9 键盘控制器。8 2 7 9 是一种专用的键盘和显示管理芯片。在仪表里它被 用来控制2 0 键薄膜键盘。 5 . m a x 7 2 1 9 显示控制器。仪表专用的l e d 显示管理芯片m a x 7 2 1 9 控制八位l e d 数码管。 6 . 8 2 5 5并行工 / 0 口 。仪表用8 2 5 5 并行工 / 0 芯片控制程控微伏放大器。 7 .串/ 并数据转换芯片7 4 h c 5 9 5 。仪表a / d转换器的结果以串行数据的形式输 一 一 二 塑 型 进 竺1 : 巡 s c 一一一 出。7 4 h c 5 9 5 用于将其改变为并行数据， 送上数据总线。 8 . e i a / t i a - 2 3 2 e ( r s - 2 3 2 c )串行通信口。8 0 c 1 9 6 k b单片机具有一个全双功 e i a / t i a - 2 3 2 e串行通信口，它可以通过这个串行口与计算机联机通信。串 行口的电平转换使用专用芯片m a x 2 3 2 实现。 9 . d / a转换电路。8 o c 1 9 6 k b有一个 p w m输出口，它输出的 p w m信号经过 r c 低通滤波后就变成了模拟信号，用于输出正弦波信号，并可作为频谱分析 测量的驱动信号。 信号预处理电路包括以下几部分: 1 .程控微伏放大器.由斩波自 稳零放大器t l c 2 6 5 2 和模拟开关4 0 5 1 组成， 通 过4 0 5 1 的三个输入端，单片机可控制放大器的增益。 2 .低通滤波器。斩波自 稳零放大器的输出带有严重的斩波信号干扰，必须加 上低通滤波器滤掉它。仪表使用的滤波器为四阶切比雪夫 ( c h e b i s h e v ) 型低通滤波器，具有过渡带狭窄、下降沿陡峭的特点。 3 . 5 0 h z陷波器。 仪表测量回路往往会引进较大的 5 0 h :工频干扰，为测量微 弱信号，必须加以抑制。如锁频振幅测量中，只有 5 0 h z干扰信号和微弱 的待测信号叠加后的最大幅值必须低于 8 m v ，微伏表的放大器才能进入最 大增益量程，继而进行数字滤波得到待测信号的幅值。仪表采用的是双 t 桥式 5 0 h z陷波器，基本上保证了对微弱信号的高灵敏度测量( 待测信号 频率不能在5 0 h z 附近，否则也会被衰减 ) 。 4 .毫伏放大器。微伏放大器的频率上限为 2 0 0 h z ，比较低，测较高频率的信 号时使用毫伏放大器。它由精密运放o p 0 7 构成。 5 . a / d转换电路。 a / d转换电 路对经放大、滤波后的信号做 a / d转换 ( 精度 为1 4 位) ，将结果送入8 o c 1 9 6 k b 系统进行处理。 南开大学硕 卜 学位论文 四 第二代智能微伏表软件系统 第二代智能微伏表的软件系统由两部分组成。一部分是运行在单片机上的低 端数据采集处理系统;另一部分是运行在计算机上的高端曲线绘制系统。 4 . 1 低端数据采集处理系统 第二代智能微伏表的低端数据采集系统主要由汇编语台 编制，嵌入在仪表主 板上的8 k 程序r o m 里，仪表开 机即自 动进入采集处理系统。该系统采用分级信息 菜单提示、数字按键项目 选择和字母按键功能设定的操作方式。整体软件的设计 采用模块化结构，按照仪表的功能分为直流测量模块、交流测量模块和频谱分析 测量模块。其中频谱分析测量模块由汇编语言和c 语言混合编制而成。 4 . 1 . 1 直流测量模块程序设计 4 . 1 . 1 . 1直流测量的算法原理 直流测量是智能微伏表的一项基本功能。由于所具有的高输入阻抗和 l u v的 高分辨能力，仪表可广泛用于测量微弱的直流或渐变电压信号 ( 如热电偶的输出 信号) 。 一个实际的测量系统，其输入信号中总会带有干扰和噪声。要获得符合要求 的测量结果，就必须消除干扰和噪声的影响。千扰和噪声有以下特点: 丁 d (t)d t = “ 扣 (t )d t = 0 ( 4 . 1 . 1 . 1 ; ( 4 . 1 . 1 . 2 ) d ( t ) 为干扰信号的幅度， t为其周期，n 为正整数;n ( t ) 为噪声幅度。 所以对于直流测量而言，消除干扰( 大多是 5 0 h z工频干扰) 、 简单有效的方法是对信号作积分。智能微伏表用软件进行积分 噪声影响的一个 即可消除干扰和 南开大学硕 卜 学位论文 噪声。 在 t o a , b 区间建立对 v = v ( t ) 作数值积分会引进计算误差。为了保证积分的 精度， 最 方 便的是 使 用 抛 物线 法进 行 积 分 ii . u 2 1 ， 其 积 分 公 式 称为 复 合s i m p s o n 公 式: 】一 _13 一 v (to) + 4y v (t2】一 ， 2y v (t,.) +v (t=l 小 = n/2 (4 “ 3) 其误差 为: e ” = 一 牛华些 v 141(t1) ， 。 e a , b t s u ( 4 . 1 . 1 . 4 ) a t 一 b - a 。 抛 物 线 法 的 积 分 精 度 很 高 。 如 果 积 分 时 间4 0 。 二 n 那么对 5 0 h z 的正弦信号的积分精度位可达5 . 5 x 1 0 - e 采样数目1 0 0 0 点， 在实际应用中，抛物线法的精度能满足绝大多数场合的需要，它同时又具有 计算量小、稳定性好的优点，因而应用十分广泛。 4 . 1 . 1 . 2直流测量的汇编程序实现 直流测量的程序设计最主要的就是 s i m p s o n积分运算，而用汇编语言实现的 技术难点是精确定时采样。因为实际微弱信号测量中的干扰信号主要是 5 0 h z交流 成分，为了消除它，积分时间应取其周期的整倍数，最小为 2 0 m s ，这样才可以有 效地消除 它。 程序设定 采样时间间 隔为4 0 0 1t s ， 采样 数目 为1 0 0 0 次， 积分时间为 4 0 0 m s ，使得直流测量结果的变化可维持在 1 l s b以内，同时每 4 0 0 m s显示一次测 量结果。 单片机通过软件定时器实现精确定时采样有两种方式，一种是利用中断服务 程序:另一种是通过中断标志查询。我们在程序当中采用的中断标志查询方式。 由于积分过程中的信号点的采集是一个循环过程，我们利用 8 0 c 1 9 6 k b的软件定时 器t i 作为实时时钟，其每八个状态周期加1 ，对于5 m h z 的工作频率而言，也就是 每1 . 6 1x s 加 1 。在程序里， 我们通过调整循环过程中的一些语句 ( 即增加空操作， 来微调时间间隔) ， 来 保证每点 采集时 间 精确为4 0 0 1 x s 。 具体直流 测量的 汇编程序 代码见附录 1 . 1 0 南开大学硕士学位论文 4 . 1 . 2 交流测量模块程序设计 4 . 1 . 2 . 1交流测量的算法原理 智能微伏表的交流测量主要用于测量正弦信号的周期、峰峰值电压和两路正 弦信号之间的相位差。第二代智能微伏表的带宽较第一代智能微伏表有了很大的 提高， 微伏通道为2 0 0 h z 毫伏通道的带宽为8 k h z ( d m a 方式) 。 交流测量的原理是先对输入信号进行采样，将结果存储到 r a m存储器里。到 规定容量后停止采样，再对数据作分析、计算。首先是找到信号的所有极值。相 邻的两个极大值或极小值之间即为一个信号周期。为了提高测量信号周期的精度， 每次采集的总点数和采集间隔时间的乘积， 即采样总时间一般为信号周期的1 0 一 2 0 倍，由两端的极大值之间的时间差除以其间的周期的个数，得到平均信号周期。 这样保证了其相对精度在 1 % 以内。具有一定相差的两路相同频率的信号输入时， 我们求出其中一路的周期，并求出两路信号相邻零点之间的平均时间差，该时间 差除以信号周期即可得到两路信号的相位差。信号的极大值与极小值的差值即为 信号的峰峰值电压。 4 . 1 . 2 . 2交流测量的汇编程序实现 我们在交流测量程序里使用了两种测量方式，直接采点方式和 d m a方式。在 直接采点方式下，我们设定采样数目 为2 0 8 0点，并且提供 8档不同的采样时间间 隔，根据不同频率的信号，程序可自 动调节采样时间间隔，保证每个信号周期的 采样数目 在 7 0 - 2 5 0点之间。 这样，虽然信号频率不同， 但是在计算机屏幕上显示 的曲线图形大致相同，有利于不同频率下的信号分析。为了保证测量的准确性， 我们还采用了“ 模糊” 数字处理方法。 a d采集到的输入交流信号，不可避免的存在一些抖动。就是这些抖动现象， 对交流测量过程中的极大和极小值判断带来了一定的困难。所以我们在程序设计 的时候采用了一种 “ 模糊”判断法。首先我们要找一个采集到的交流信号的电压 极小值，那么我们必须先确定一个信号电压值的初始下降趋势，这个趋势的判断 依据是，对至少连续 5点信号电压 a d转换值进行比较，后面的各点的a d转换值 南开大学硕士学位论文 ， 都小于第一个点的a d 转换值，且第 1 个点的a d 转换值比 最后一个点的a d 转换值 大 2 5个 l s b 。确定初始下降趋势后，接着要判断一个初始上升趋势，上升趋势的 判断依据是，对连续 5点信号电压 a d转换值进行比较，后 4个点的a d转换值都 大于第一个点的a d 转换值，且第 1 个点的a d 转换值比第 5 个点的a d 转换值小2 0 个 l s b 。那么初始下降趋势和上升趋势的转折点对应的电压值即为输入交流信号电 压的一个极小值。如果在单路初始的 2 6 0点没有找到一个极小值或初始 5 2 0点没 有找到两个极小值，就自 动换档，增大采样时间间隔，重新测量。同样，一个上 升趋势和一个初始下降趋势的转折点对应的电压值即为输入交流信号电压的一个 极大值。把所有采集数据中的极大、极小值分别累加求和再取平均作为输入交流 信号的电压最大、最小值。同理可求出两路信号相邻零电压的平均时间差，从而 得到交流信号平均周期 我们通过实验确定 相位差和峰峰值电压 将毫伏通道的 8 k h z的带宽分成了两部分，低于 1 k h z的 频带使用直接采点的方式， 采样间隔时间由 定时器决定: 高于1 k h : 的频带使用d m a 采点方式， 单路 采集 和双路 采集的 采样间隔时间 均是3 . 2 h s 。 那么对于8 k h z 的 输 入信号，每个通道在一个信号周期的采点数可达到 3 9点。可见 d m a方式的引入使 得第二代智能微伏表的高频交流测量性能大大提高了。图 4 - 1为在 na方式下实 测的s k h z 高频交流信号。具体交流测量的汇编程序代码见附录 1 . 2 0 1 .!11 1.口. - - 一 尸 - - 一 r . - 一 r 一 户 尸 - 一 ， :八: 人 一 牛 口 .一八曰 一 尸. - 一 户 介 。叮。 户 一 r - 一 一 r价- rr - 肚 - - 一 r - - 一 尸 - - 一 r x 坐 标分 度1 5 点 海 丫 坐 标分 度 : 1 v 1 45: 4 - 1 : r 路8 k h z 交流信号实测曲线 1 3 南开大学硕 卜 学位论文 4 . 1 . 3频谱分析测量模块程序设 计 第二代智能微伏表内使用的 8 o c 1 9 6 k b单片机属于低档微处理器，尽管其计算 速度比第一代智能微伏表使用的 8 0 9 8单片机快一倍。但是由于智能微伏表分析频 率由2 0 h z 扩展到2 0 0 h z ，即分析的带宽增加了1 0 倍，使得原来对离散傅里叶公式 划分成小周期的重叠分析法不能满足实时处理的要求。这里我们采用了多项式求 值来快速计算离散傅里叶变换，再进行重叠分析处理，实践证明满足了实时处理 的要求。 4 . 1 . 3 . 1频谱分析测量的 信号处理原理 16 3 单频正、余弦信号或频带很窄的信号，属于有限频域信号。由于信号频率固定， 可以 采用滤波等限制测量系统带宽的方法， 把大量带宽外的噪声和干扰信号排除。 在带宽范围内的噪声和干扰信号可以通过数字处理，提取出固定频率信号，即利 用离散溥里叶变换( d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m , d f t ) 得到离散频谱的频域信号。 有限f o u r i e r 离散频谱 变换公 式 17 1 为: n x 洲艺间 2一n x( k ) = 2 令，、 了 丁 2 入k n) e n-a 一 ， 。 _k ns1 n . c o s( 2k n ) 一 i-s in f 2 n k . ) (4 . 1 . 3 . ， ) l又n) 一l n j j 其中k为 频数， 对应的实际 频率为f k= k -f f , = 卫 为 频 谱 分 析 的 基 频 at - n 又称 分辨率;o f 是信号采样的时间间隔; n为采样数目 ;x ( n ) n = 0 , 1 , 2 . . . .n - 1 为采集 到的时域离散信号值。 x ( k ) 为频谱中的f , 分频成分的振幅 ( k = 0 , l , 2 , . . . , n / 2 ) 。 k = 0 时，x ( 0 ) 为频谱的直流成分;k = 1 时，x ( 1 ) 为基频成分的振幅。 4 . 1 . 3 . 2 g o e r t z e l 算法 g o e r t z e l 算法 ( 又称多项式算法)是利用多项式求值来计算 d t f ，算法的实际 意义 在于当 输入序 列 x ( n ) 为实 数 时， 其d f t几乎可以 用实 数 运算 来计 算， 使 乘法 数量几乎减少一半，但该法对全频谱分析不是一种快速算法，仅当需要计算 d f t 的某些频谱分量而不是全部时，才 用到它。 当 计算n点d f t ，由( 4 . 1 . 3 . 1 ) 式可知，当x ( n ) 为实数时，固定k， 计算单 一频谱时，需要 2 n次乘法和 2 n次加法。g o e r t z e l 算法将上述单一频谱计算的乘 南开大学硕 l 学位论文 法次数几乎减少一半。 令 对于固定的 k ， 2 = e一 j 2 x - 1 n k = w ( 4 . 1 . 3 . 2 ) 用式( 4 .3 . 1 ) 为: x ( k ) = . 3 . 2 ) 改写式( 4 . _2n 蕙 x(n )z ( 4 . 1 . 3 . 3 ) 引入多项式 p ( z ) = ( z 一 wk ) ( z 一 w - k ) = z 2 一 a z + 1( 4 . 1 . 3 . 4 ) 、二二， ， ， _ 。 ， ， 。 、 j 2 a k 一 j 2.k_ _ ( 2 n k ) _ 、 ia- - “ 二 .+ w ._) = e ” + e ” = 2 c o s 了j 用 l4 . “ “ ， 式 除 (4 .pop “ 3 ) a 将( 4 . 1 . 3 . 3 ) 式改写为: n n x v白n=0 2一n x (k ) = 是 (z )q (z) + r(z) = ( 4 . 1 . 3 . 5 ) 其中q ( z ) 称为商多项式， 其z 的最高次数为n - 3 , : ( z ) 称为剩余多项式， 其z 的最高次数为 1 e r ( z ) = r ( 1 ) z + r ( 0 )( 4 . 1 . 3 . 6 ) 由于p ( w ) = 0 ，于是( 4 . 1 . 3 . 5 ) 式变成 x( k ) =wk + r ( 0 ) 一 :_2nkn )一 1一 2 7rn k 一 。，卜 i一 灿伴 用(4 1 . 3 . 7 ) 式计算k分量频谱只要 2次乘法一次加法。由此可知求出 要计算量是求( 4 . 1 . 3 . 5 ) 式中的商多项式q ( z ) a 假定多 项式q ( z ) 为: r ( z) 的主 q ( z ) = 艺q ( n )z ( 4 . 1 . 3 . 8 ) 对照( 4 . 1 . 3 . 8 ) 式不难求出系数q ( n ) 和 r l , r 0 为: q ( n - 1 q ( n - 2 ) = x ( n一1 ) ) = x ( n一 2 ) + a . q ( n - 1 ) q ( n ) = x ( n ) + a . q ( n + l ) 一 q ( n + 2 ) n = n - 3 , n - 4 , . . . 1 , 0 1 ) + a . q ( 2 ) 一 q ( 3 ) 0 ) 一 q ( 2 ) _ a 3 f k 14 y 些全l l ir x 一 一一 一一 一一 可见 系 数q ( n ) 是 递归 的， 如 果 采样 的次 序 是 从第。 点 到 第n