（检测技术与自动化装置专业论文）具有数字图像识别的电器安全检测嵌入式系统.pdf

摘要 摘要 本文基于一套多功能智能电器安全测试仪，在低压启动，功率测量两个方面 在原有的基础上重新设计了硬件，不但精简了原来的硬件电路而且提高了电路 的稳定性。重新设计了软件，使其电压，电流，和功率的测量精度都不超过千分 之二的量度标准，还对整个系统作了联锁保护的设计，并且做出了样机。整个系 统的上位机采用a t m e l 公司的m e g l 2 8 芯片为主处理芯片，下位机采用m e g 8 芯片为主处理芯片。由于低压启动和功率测量两功能模块是单独设计出来的，要 与其它四功能仪器组合在一起，因此，我们整个电器安全测试系统在硬件和软件 上都建立了平台，便于组合，这样也便于后续更多功能的扩充。但是如果有不同 类型的系统也要增加到本系统中的话，就需要重新设计软硬件，工作量很大，还 容易产生不兼容等问题，针对这种情况，本文设计了一套数字识别的电器安全测 试嵌入式系统，可以面向多台仪器装置，不采用电气的连接，即是不改变原来的 仪器装置，通过电压耦合元件摄像头和视频捕获卡从测量仪器的显示屏幕获取测 试信息，再把信息传送到原来系统，从而组成了一个新的系统。这样做也可使那 些没有标准接口或者是互不兼容的测试仪能组成一个系统。 在对功率测量和低压启动两个功能模块设计时，针对原有的测量方案，本文 采用了以c s 5 4 6 0 功率芯片为主芯片的测量方案，提出一种新的数据采样方法， 在硬件设计上，以提高精度为目的同时还精简了原硬件电路；，对功率，电压， 电流进行准确而快速的测量，通过重新设计提高了其测量的精度和实时性。 本文在对得到的数字图像进行处理和识别的算法是关键的部分，由于工作环 境的光线强弱不同，和噪声等等因素，采集到了图像不规范，要在对其进行处理 之后才能实现准确的识别，本文对处理和识别的步骤为：滤波，增强，分割，等 处理之后再对图像用特征匹配的算法识别而得到准确的信息。最后讨论了对缺笔 画的数字校正识别。 关键词：电器安全测试仪；组合；低压启动；功率测量；数字图像处 理与识别 三垂三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 a b s t r a c t b a s e do nas e to fm u l t i - f u n c t i o n i n t e l l i g e n ts e c u r i t ya p p l i a n c e ，t h i s t e x t r e d e s i g n e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo nt h ep a r to fl o wv o l t a g es t a r t u pa n dp o w e r t e s t i n g ，n o to n l yc o n d e n s e do l dh a r d w a r ec i r c u i tb u te n h a n c e dt h es t a b i l i z a t i o no f t h e h a r d w a r ec i r c u i t , a n dm a d et h et e s t i n gp r e c i s i o no fv o l t a g e ，c u r r e n ta n dp o w e rn o m o r et h a n2 0m e a s u r e ，d e s i g n e di n t e r l o c kp r o t e c to ft h ew h o l e s y s t e m ，a n df i n i s h e d t h ee x p e r i m e n t a la p p l i a n c e t h em a i n p r o c e s s o rw a s m e g l 2 8m a d e b ya t m e l a n d s u b - p r o c e s s o rw a sm e g 8 o fa t m e l d u et ot h es o l e - d e s i g n e do ft h el o w v o l t a g e s t a r t u pa n dp o w e rt e s t i n g ，f o rc o m b i n e d 丽也t h eo t h e rf o u rm o d u l e s ，w eb u i l tt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef i a t s ，i tw a sa l s oc o n v e n i e n tf o rc o n t i n u e de x t e n s i o n b u t ，i f t h e r ew a sd i f f e r e n ts y s t e mw a n t e dt oc o m b i n e di nt h i ss y s t e m ，w em u s t r e d e s i g n e da l l t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i tw a sav e r yh a r dw o r ka n dc o u l db r i n gi n c o m p a t i b i l i t y f o rt h i si n s t a n c e ，t h et e x td e s i g n e das u i to f n u m b e r d i s c r i m i n a t i n ge m b e d d i n gs y s t e m t h e s y s t e mf a c e d t od i f f e r e n ta p p l i a n c e t h ec o m b i n a t i o nw a sn o te l e c t r i cc o n n e c t i o n ， n a m e l y , i tg o tt e s t i n gs i g n a lf r o md i s p l a ys c 化e nb y c c dc a m e ma n de z c a p t u r ei m a g e c a p t u r i n gc a r d ，t h e nc a r r y i n gt h es i g n a lt oo l ds y s t e m s oi t w a san e ws y s t e ma n d k e e p i n g o l ds y s t e mu n t o u c h e d i ta l s ow a sc o n v e n i e n tf o rt h ea p p l i a n c e st h a th a dn o t s t a n d a r di n t e r f a c eo rw a si n c o m p a t i b i l i t yt ob u i l d u pan e w s y s t e m f a s t t h et e x tu s e dc s 5 4 6 0c h i pa sm a i nc h i po fm e a s w e m e n ts c h e m e ，f o u n dan e w d a t es a m p l i n gw a y w h e nd e s i g n e dt h eh a r d w a r e ，w ei m p r o v e dm e a s l l r ep r e c i s i o na t t h es a m et i m er e d u c e dh a r d w a r ec i r c u i t w h e nd e s i g n e ds o r w a r e ，w eu s e dm e g 8 a s p r o c e s sc h i p ，m e a s l l r e t h e p o w e r , v o l t a g e a n dc u r r e n tf a s ta n de x a c t l y s ow e a d v a n c e dt h ep r e c i s i o na n dr e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i co f m e a s u r e m e n t t h e p i v o t a lp a r to f t h i st e x tw a st h ep r o c e s sa n di d e n t i f i c a t i o no fn u m e r a li m a g e t h ei m a g ew e g o tw a sn o ts t a n d a r dc a u s e db yb e a m c o n d i t i o na n dy a w na n ds oo n ， w em u s t p r o c e s st h e m b e f o r ei d e n t i f i e d t h ep r o c e s so fi m a g et r e a t m e n ti sa sf o l l o w ： f i l t e r , e n h a n c e ，m a k i n gb i n a r yi m a g eb ya d a p t i v et h r e s h o l da n ds oo n w eu s e dt h e a r i t h m e t i co fc h a r a c t e r - s u i tt og e te x a c ti m a g es i g n a l a tl a s tw e h a dd i s c u s s e dr e v i s e d i d e n t i f i c a t i o na b o u tl a c k s t r o k e sn u m e r a li m a g e k e y w o r d s ：e l e c t r i o a l s e c u r i t ya p p il a n c e ：c o m b i l 3 e ：l o wv o i r a g es t a r t u p p o w e rt e s t i n g ：p r o c e s sa n di d e n t i f i c a t i o no fn u m e r a l i m a g e i i 第一苹绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式系统的发展与应用 以信息家电为代表的互联网时代，嵌入式产品不仅为嵌入式市场展现了美好 前景，注入了新的生命；同时也对嵌入式系统技术，特别是软硬件技术提出新的 熬羧。这主要惫据：酲趋增长翡凌戆扩充、灵活戆舞终联接、轻褒豹移动应霜_ 帮 多媒体的信息处理。 1 嵌入式应用软件的开发需熏强大的开发王具和操作系统的支持。随着因特 瓣羧零静藏熬、渗宠瓣提裹，i c p 彝a s p 在鼹上舞供瓣售惠内骞强憝丰富、应 用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备的 功熊不再单一，电气结构也熨为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一方 霖采耀更强大戆焱入式照瑾嚣鲡3 2 经、雒经r i s c 芯茂菠售号建璎耩d s p 灌强 处理能力；同时述采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂 性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 2 ，骏鹚或秃豁然麓势。为遮凌嵌久式分鸯处理结祷黧藏溪上阚需求，瑟蠢2 l 世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接1 ：3 。针对外部联网要 求，嵌入设备必潜配有通信按口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；融于家用电 嚣耨互关联( 翔黪盗报警、露淹能源控裁、彩褫设备移繁患终溃交换僚怠) 及实验 现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入斌设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、 b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，阉时也需要撼供相应的通傣组网协议软件和物理层 驱动软俸。为了嶷持应霜软彳串躲特定编纛壤式，如w e b 或无线w e b 编程模式， 还需要相应的浏览器，如h t m l 、w m l 锌。 3 支持小型电予设备实现小尺寸、微功耗翻低成本。为满足这种特性，要求嵌 入式产品设幸 者稠应降低处壤器的性髓，限铡内存容薰耨复用接口蕊片。这藏裙 应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最佳的编程模型和不断改进算法， 健褥软 牛具有继承性和模块化。因此，既骚软件人员有丰富经验，更鬻要发展先 遴嵌入式软律技零，如j a v a 、w e b 帮w a p 等。 4 提供精巧的多媒体人机界谳。嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要 因素之一是它 f 与使用者之闼豹亲和力，爨然的人规交甄界面，如司机操纵高度 垂三些奎兰三兰堡圭兰堡篁苎 自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交 互要求以g u i 屏幕为中心的多媒体界面。 1 2 电器安全检测技术的发展现状 电器安全检测系统在国内外已经研究发展二十多年了。 中国仪器仪表行业协会对国内仪器仪表业科技现状及发展趋势进行了如下 分析： 1 仪器仪表行业整体综合技术水平达到国际2 0 世纪8 0 年代中期水平。微电 子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，约1 5 的产品实现了智能化， 达到国际9 0 年代水平；3 0 的产品实现了数字化，达到国际2 0 世纪8 0 年代末 期水平。综合服务能力显著提高；可以承接3 0 万“o 万千瓦火电站、核电站、 3 0 万吨合成氨、1 2 0 吨转炉、日产3 0 万立方米城市煤气站工程、成套大型炉窑 等大型工程成套控制项目。 2 大类产品满足需要程度中高档科学测试仪器国内市场满足率为3 0 ，中 低档科学仪器满足率6 5 ：生产过程测量控制仪表及系统产品在大型工程项目 中的品种满足率达5 0 ，中小型工程达7 0 。进口产品往往是科研、生产所需 的重大、关键设备，技术含量大，附加值高。 3 产业从无到有、从小到大，初步形成了门类比较齐全的仪器仪表生产、科研、 营销体系。建成了一批科研开发机构，其中机械系统的仪器仪表专业科研所 2 0 家，国家级工程研究中心3 家、企业技术中心5 家，国家级产品质量检测中 心9 家；培养了一批专业的经营、管理、技术人才。特别是部分中低档产品形 成了自己的优势和特色，各种数字万用表、电能表、水表、煤气表、水准仪、中 低档光学显微镜、望远镜等产量居世界前列，在基本满足国内需要的同时，大量 出口。 4 通过科技攻关、联合开发、合资合作和引进技术、消化吸收、实现国产化等 多种形式，使我国仪器仪表行业部分中高档主导产品缩小了与国际先进水平的差 距，并形成生产能力。自主开发的主要产品包括中小型d c s 、现场总线智能 仪表、总线式测试系统、汽车专用检测试验设备、超声诊断仪器、微波等离子 光谱、新型扩散硅敏感元件等；引进技术国产化的主要产品有记录仪、精小型调 节阀、新型变送器、光谱、色谱、扫描电镜、水质分析仪、专用复合材料等：合 资台孬懿主要产赫毒太墅d c s 、e j a 、滚激毒 、逛子经终纹、囊孚爨试验裁、亵 低温试验仪器等。 5 一批国有、黛体、民营、兰资企业和科研院所在市场竞争中脱颖而出。 翻悉经显嚣窭螽好夔发震势头帮磊蘩，势避形纛主导、较心力量。 1 2 1 电器安全检测仪中的组合问题 它 对于仪器缀合问题，各个领域都在对葵进行研究，本谍题所涉及的领域也不 例外，即使具有标准接口的仪器或功能之间的组合，也骤在程序上进彳亍重新设计， 露郑些没有标凇接日或者不蔑骞豹设备之间互相组合起寒就根困难了，要在硬 牛 软件上重薪维合，而那些非彀气的与电气设备之阉的述接，将更为麻颓的，魄稚 本文所讨论的电器安全测试仪，如果存在个测量电器阻燃率的设备，如何将它 与嬲些测量电气撰椽豹设备缀合在一起裁槌当困难，瑟 枣舞寒，三表含一闷题， 大勰实验设备缀含等问题都蕊对着这样一个亟待解决的问题的。 1 2 2 图像识别在本文中应用 针对上面所提出的问题，本文采用了一种利用c c d 摄像头把单个仪器的屏 幕鼹示数据读取到另外一套系统中去的方战，通过这种方式，可以进行非电气的 逐接，这样上麓掰提静阔瑟藏帮i 篷刃露麟。 1 ，3 本课题的选题意义及研究的内容 研究本课题的意义一一本文着重于通过读取图像信号的方式来把若干单 个功能或仪器组成多功能独立系统的此种方式至今国内还没有，在国外所见不 多，魏法建设备秘裁豹扩展，骇及缝合都蠢缀努戆灵溪瞧，菝干扰戆力强。对本 系统的研究就照得非常有意义。因此，很脊必要在使用单片机嵌入式系统中对此 法加以运用 本文戆嵌入装系统中努鞠，遥控，l e o 嚣示夔数撂愁毽蓑终乎套楚逶过单片 机来实现将接口标准化，不同于现在常见的微机系统的软件平台，多年以来，人 们程单片机嵌入式开发过程中很少能将这几样功能的软件标准化，更虞于将实际 要求豹功戆宠成嚣忽蝰了继 】豹爵扩蓑魏秽接疆蠡整化，鳃采麓壤这豆襻功糍或 奎三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 功的规范化，并运用于本文所讨论的课题中也将有一定的意义 研究本课题的主要内容本文在对原安全检测仪进行了软件和硬件上 的改进，对原仪器的尺寸进行了精简的同时，提高了系统的测量精度和测量稳定 性，建立了软硬件平台，便于以后功能的扩充和系统维护，提出以数图像识别的 方法来组合不兼容的系统，并对图像的识别上提出了一种适合嵌入式系统的简捷 的算法，最后对故障显示数字图像的识别作了进一步的研究。 4 第二章蒜统通讯总线及功率低启模块和联镄的设计 第二章系统通讯总线及功率低癌模块和联锁的设计 2 1 系统通讯总线的特点和设计 2 ，1 1 串行通讯的特点 睾蠡逶 鬏懿基零壤念；与终赛兹售惠交羧髂秀遥谯。一条覆怠熬各整鼗撂被 逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：成本低但传送速 度相对较慢，w 实现热插拨。 一般擎蔑礁骞一卞全双王拳嚣口。全双工戆率霉逶谈炙零要一壤羧遗线_ 稷一 椴输入线。数据的输出又称发送数据( t x d ) ，数据的输入又称接收数据( r x d ) 。 融行通讯中主鼹有两个技术问题，一个是数据传送、另个是数据转换。数据传 送主要簿决黉邀孛静标准、辏式及工终方式等藤瑟。数瓣转换是搔数器懿率著孬 转换。具体说，在发送端，灏把并行数据转换为串行数据；而在接收端，却要把 接收到的串行数据转换为并行数据。 2 1 2 本系统的上下位机的通讯 零文在蒙来缮梅豹基礁上，实现了软传鞠疑 孛翦摸块纯，本系绞袋建通用串 目通讯的方式，魑串行通讯的种，可以嶷现热插拔，邵可即插即嘲，在具体硬 件上我们采用标准s t d 板，将各个功能分到各个模块板上面去，便于以后的拆 装缀合静缨护，凌上燕规与下继掇之闽兹邋滚鞋我 | j 采翔了基予c m o s 器终( 蓑 容性比较好而艇电压范围宽) 的串行总线，可以根据驱渤芯片的负载容量，以及 所驱动对象的分布电容，来计算可以驱动的点数，考虑划传输的波特率，理论上 霹疆驱动熬点数逸运多子现实翁特嚣，峦予实舔逶痿茧囊离短，我们袋翅了两令菲 门涟接在上位枫与下位机之间的r x 和t x 端，利用举片机( m e g 8 ) 的串口， 再通过驱动，本文电路选取丁高速c m o $ 管斯密特反棚器7 4 h c l 4 作为驱动， 蕊片魏器反狸蘩埝窭戆毫平蜀达嚣稷磐黪效榘( 基本上低电乎鸷o v 左右，毒电 平为5 v ，考虑憔价比，没有必要选用较贵m a x 2 3 2 ) ，并在上下位机之问采用两 个光电耦合器( 6 n 1 3 7 ) ，实现上下位机之间的电源隔离，增强系统抗干扰性能， 只愆嚣冀竞藕裁一片7 4 h c l 4 ，便实瑷了上下位极之蠲瓣递谖。具传耀关熬毫臻 广东工业大学工学硕士学位论文 图如下 v c c 3 图2 - i 通讯部分电路图 f i 9 2 - 1c i r c u i to f c o m m u n i c a t i o n 2 2 功率低启模块的设计 2 2 1 功率低启模块的特点 对原来整个系统软硬件模块化的基础上，本模块要在原来功率测量和低压启 动测量部分的基础上，在精确度和实时性上都要求有所提高，尤其是在对原来系 统在硬件上进行简化，因此只有在硬件上重新设计来简化原来的电路，相应软件 上同时进行改进，才能在硬件，软件上得到同时的提高。 2 2 2 模块的组成 本模块主要由两大部分组成，在硬件上和软件上两个功能的相对独立性突显 了它的特点，在硬件上本模块的强信号采集主要使用了电压互感器和电流互感器 作为强信号采集的输入，信号采集进来后，再由弱电部分将信号送入功率芯片 c s 5 4 6 0 ，由m e g 8 芯片作为单片机来控制整个采集过程，得到采集处理后的信 号，再由单片机送到上位机去。整个模块的组成如下： 6 第二章系统通讯总线及功率低启模块和联锁的设计 强信 | 信号输出部分 信号 号处 采理 集 - l 控制驱动部分 图2 - 2 整个模块的组成 f i 9 2 - 2c o m p o s i n g o f w h o l em o d u l e 2 2 3 模块的硬件设计 本模块主要使用了c s 5 4 6 0 a 是美国c i r r u sl o g i c 公司最新推出的带有串行接 口的单相双向功率电能计量集成电路芯片，现主要应用在单相电子式电能表和 三相电子式电能表中。不同于以前流行的c s 5 4 6 0 芯片，该芯片特有的自动引脚 模式功能，能使芯片独立工作，得电时自动初始化，由外部的e e p r o m 引导开 始工作，并从中读取数据，如果用于高容量或用在家庭时，为了降低成本，此模 式下，该型片可以不用微控制器独立工作，除此之外，该芯片的性能优于其它计 量芯片，主要表现在 1 转换精度高，测量功能强：自身转换精度达到0 1 级，可以实现0 2 级 的测量仪表。可测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电流有效值、电压有效值、 功率有效值和电能计量，这在电力系统的测量芯片中是不多见的； 2 外围器件少，具有片内看门狗定时器( w a t c hd o gt i m e r ) 与内部电源监视 器。该芯片只用很少的外围器件即可实现转换功能，确保了仪表的转换精度及稳 定性； 3 接口方便。器件本身形成双向串行接口，双向串行接口与内部寄存器阵列 可以方便地与微处理器相连接，并有功能很强的内部寄存器数组，仅用5 6 根连线 即可方便地与单片机接口【”。 针对这些特点，我们选用了c s 5 4 6 0 芯片，收到了很好的效果。单片机采用 的是a t m e l 公司的m e g 8 芯片。该芯片是一款高性能，低功耗的r i s c 结构的8 位机，在16 m h z 下，最高能完成1 6 m i p s 的数据处理能力，只需要两个时钟的 硬件乘法器内置8 k b y t e s f l a s hr o m ，i kb y t e ss r a m ，使用c 语言编程更 容易，独特的加密设计等优异特性。( 由于篇幅限制图中只给出与m e g 8 的连接) ， 垂三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 在参考电压输入上采用了l m 33 6 - 心h - 片，无论是温漂，还是零漂都比原来直接与 芯片参考电压输出端相连要在精度上高出许多，提高了测量的精确度。下面给出 基本电路图： 图2 - 3c s 5 4 6 0 外围电路 f i 9 2 3 e n c l o s u r ec i r c u i to f c s 5 4 6 0 2 2 4 模块的软件设计 2 】【3 】 c s 5 4 6 0 a 的串行接口部分集成了一个带有发送接收缓冲器的状态机，状 态机在s c l k 上升沿解释8 位命令字。根据对命令的解码，状态机将执行相应的 操作，或者，为把寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区，写操作在数据传 输前要等2 4 个s c l k 周期。通过寄存器读写命令，数据可被写入或从c s 5 4 6 0 a 中读出，图2 - 6 、图2 - 5 为读、写时序。数据的读、写通过向串口s d i 引脚写入 相应的8 位命令字( 高位在前) 来启动。需要注意的是：一些命令字在执行时受周 期计数寄存器和配置寄存器内容的影响，需要先对周期计数器和配置寄存器内容 进行正确设置。寄存器写指令后必须跟2 4 位数据，先写命令字启动写操作，然 后随着2 4 个连续的串行时钟脉冲，c s 5 4 6 0 a 将从串行输入引脚s d i 接收串行数 第二章系统通讯总线及功辜低启模块和联锁的设计 据，一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器并返回到命令模式。寄存器 读指令可以终止在8 位的边界上。通过s d i 引脚写入命今后，可从s d o 引脚读 出数据，根据c s 5 4 6 0 a 的时序特点，尤其值得注意的是，在读取数据的同时必 须向s d i 口写一个0 x f e 字节，本文软件部分采用c 语言编程，它较之汇编语言 来说，可读性，可移植性都比较强，是可实现汇编语言中对硬件的操作等一些功 能的高级语言，具有高级语言和低级语言的共同优点。下面依照时序分别给出读 写的基本c 程序。这些程序可以作为基本读些源程序加以运用。 图2 - 4c s 5 4 6 0 的写时序 f 蟾2 4 w r i t e c y c l et i m i n gd i a g r a m o fc s 5 4 6 0 v o i di c w r i t e c s 5 4 6 0 ( u n s i g n e dc h a rc d a t a u n s i g n e dc h a ri ； c s 5 4 6 0s c l k0 ；时钟置零 c s 5 4 6 0c s 0 ；片选置零 f o r ( i = o ；i 8 ；i + + )开始一个字节的c d a t a c s 5 4 6 0s c l k0 j时钟置零 d e l a y _ u s ( 5 ) ； 相当于5 个n o p c s 5 4 6 0s c l k1 ；时钟置1 d e l a y _ u s ( 5 ) ； 相当于5 个n o p i f ( c d a t a & 0 x 8 0 ) c s 5 4 6 0 s d il j ) 判断要写入的内容最高位 是否 e l s e c s 5 4 6 0s d l0 ；为1 ，是1 写1 ，不是写0 ， c d a t a + = c d a t a ；再左移数据，循环写8 次。 ) ) 9 = = = = = = = = = = = = = = = ：! ：i 些奎耋三兰堡圭兰堡篁兰 a 广、一一一一一r 一 毒d * j u _ l n ，u 饥一一一 ，1 一九n h 蚰l _ - - - - 4卜卅嗍 一。 锄争车工z 盈匹z ：了； 卜一翻卡h i 叫 图2 5 c s 5 4 6 0 的读时序 f i 9 2 5 r e a d c y c l et i m i n gd i a g r a mo fc s 5 4 6 0 一般读出3 个字节，根据需要可以只读两个字节，第三个可以只读不放入返回值。 u n s i g n e di n ti c _ r e a d c s 5 4 6 0 ( u n s i g n e dc h a r d 1 d a t a ) u n s i g n e dc h a ri ，j ； u n s i g n e di n td a t a ；要返回的内容 d a t a 2 0 ； 要返回的内容先清零 i c w r i t e c s 5 4 6 0 ( d i d a t a ) j 写入程序状态字 c s 5 4 6 0 s c t , x _ _ o j时钟置零 f o r ( j 2 0 jj 2 j j + + j 两个字节的循环，根据需要可以该成3 字节 d a t a + = d a t a ； 先循环要返回的内容( 左移一位) f o r ( i = o ；i 7 ；i + + ) 以下开始读出一个字节的8 位循环 ( c s 5 4 6 0s d i1 ； s d i 口置1 c s 5 4 6 0 一s c l k _ 0 ；时钟置零 d e l a yu s ( 5 ) j 延时5 个微秒 c s 5 46 0s c l k1 ；时钟置1 d e l a yu s ( 5 ) ；延时5 个微秒 i f ( p i n c & ( 1 p c 2 ) ) d a t a = d a t a + 1 j ) j 判断要读的内容最高 位为1 ， d a t a + = d a t a ； 则写1 ，否则写0 。再左移 c s 5 4 6 0 一s d i 一0 ；s d i 口置1 c s 5 4 6 0 一s c l k 一0 j 时钟置零 d e l a yu s ( 5 ) j 延时5 个微秒 c s 5 4 6 0 一s c l k l j 时钟置1 d e l a yu s ( 5 ) j 延时5 个微秒 1 0 第二苹系统通讯总线及功率低启模块和联锁的设计 i f p i n c & ( 1 p c 2 ) ) d a t a = d a t a + i ； ；读一个字节最后位 时单独处理，是1 则补1 ，不是则跳到下一步，回到上面左移一位，相当于补零 c s 5 4 6 0s c l k0 ；时钟置零 c s 5 46 0s d i1 j s d i 口置1 d e l a y u s ( 2 ) ；延时2 个微秒 c s 5 4 6 0c s1 ；片选置零 r e t u r n ( d a t a ) ；返回要读的内容 2 3 本系统强弱电继电保护的设计 基于本系统的特点和要求来设计继电保护系统，本系统的六项功能独立的仪 表综合在一起，其中耐压测试时最高电压达到5 0 0 0 v 属于中强电，要在一个系 统中互相独立安全的工作，就要求它们必须严格保持独立，如果有任何两项功能 同时工作则会导致很严重的后果，基于这个特点在考虑到优先级别时也要把高压 部分作为最重要的级别嗍。 2 3 1 继电器的选择 面对纷繁复杂的现代继电器产品，如何合理选择、正确使用，是直接影响整 机性能与实用可靠性的至关重要的问题，当然也是整机设计、研制人员密切关注 并且必须优先解决的实际问题。鉴于系统各个功能部分在运行过程中的特殊性， 以及万一发生短路后果特别严重，要做到合理选择，正确使用，就必须充分研究 分析整机的实际使用条件与实际技术参数要求，按照保护优先级别和顺序，恰如 其分地提出入选继电器产品必须达到的技术性能要求。具体说来，大致可按下列 要素逐条分析研究，确认所要求的等级以及量值范围，再根据所需完成的目标选 用不同功能的继电器。 在选择高压继电器时候，自西门子2 0 年前生产出第一个真空管高压继电器 之后，国产的类似产品发展迅速，由于所测的电流不大，对电流选择的要求不高 ( 测试击穿电压，电流不超过2 0 安培) ，我们选择了国产真空的玻璃管继电器， 我们要求的额定的高压是5 k v ，在实际的应用中，能工作正常，满足使用要求， 奎三些奎兰三兰堡圭兰堡篁兰 其响应时间也能达到指标。再选择2 2 0 v ，弱电继电器时，由于使用频率较高， 所连锁的部分较多，对响应时间和可靠性要求高，我们选择了日本o m r o n 的 继电器。2 4 0 v - 5 0 h z ，h r m l s d c l 2 v 系列的产品，单刀双置，1 2 v 控制电压控 制2 2 0 v 的工作电压。在选择接触器时，由于对电压电流没有特殊的要求，根据 价格和性能的要求，所以接触器采用国产的三相的接触器，由于本系统采用的是 两相2 2 0 v 电压，因此，另外一组触点和其他三个辅助触点，便可以作为联锁使 用。 2 3 2 过程的设计 首先，针对本系统的特点以及输入输出接口的归类，将不同的仪器功能分为 大的类别，再在分开的类别中根据电压等级，找到优先次序，先在大的类别中进 行互锁保护，再在次级类别中进行互锁保护。具体步骤如下： 1 将输入输出接口相同的三个功能模块，功率测量，低压启动，泄漏采样， 由于他们没有高压，电压的等级相当，都在2 2 0 v 左右，因此将他们归为作为保 护的大类。如下图所示： 图2 - 6 功率、低启、泄漏输入接口的归并 f i 9 2 6c o m b i n eb yt h ei n p u ti n t e r f a c eo fp o w e rt e s t i n ga n dl o wv o l t a g es t a r t u p a n dl e a k a g ec u r r e n tt e s t i n g 图中，右下角是三项功能对中间接触器实施联锁控制，其目的是保证三相功能中 有一项工作，确保外部接触器导通，使其线路连通，在功率和低压启动这两项功 能在实施互锁保护，确保他们不会同时工作。 第二章系统通讯总线及功率低启模块和联锁的设计 2 这一步再在上步三项之间作互锁保护，如下图所示 图2 7 功率、低启、泄漏间的互锁 f i 9 2 7i n t e r l o c k e da m o n gp o w e rt e s t i n ga n dl o wv o l t a g es t a r t u pa n d l e a k a g ec u r r e n tt e s t i n g 图中线圈k m 2 。k m 3 ，k m 4 ，分别代表三项功能的输入导通接触器，k r 5 0 1 。 k r 4 0 1 。k r 6 0 ，分别为上三项功能的控制继电器开关，控制三项功能的启动和 停止，进行三级的常闭互锁保护后，确保以上三项功能中只能有一项工作。避免 其中两项同时导通产生短路而造成事故。 3 这一步，我们再对高压部分的两功能和其他部分进行互锁，高压部分的 两项功能模块，一是耐压测试，另一是绝缘电阻测试，如下图所示： 图2 - 8 两功能部分与其他部分的联锁 f i 醇一8i n t e r l o c k e da m o n g t w of u n c t i o n sa n dt h er e s ts e c t i o n s 上面图中k r l ，k r 2 是绝缘电阻测量的高压继电器的线圈，为两相测量，每一 路分别用一个真空管继电器，同样k r 3 ，k r 4 是耐压测量的高压继电器线圈， 图的上半部分是绝缘测量的控制线路，常开触点是绝缘测量的控制信号继电器 ( 2 2 0 v ) 的常开触点，它来指令本部分强电线路接同，常闭触点k r 3 0 是耐压 部分继电器的触点，用来和绝缘部分互锁，常闭触点k m l 5 是接地部分继电器 的触点，用来和接地部分互锁，k m 是第一步三项功能的中间继电器的常闭触 点，这里它代表三相功能与本线路的互锁，同样图中下半部分是耐压部分的互 查三些丕兰三兰堡主堂堡堡苎 锁线路，这样高压部分两功能就分别和其它5 部分进行了互锁，使得他们不可 能同时工作，实践中由于触点数不够，加上上面的线路电压都是2 7 v 控制的， 我们将他们归并一起，如下图： 图2 - 9 两功能的共电源归并 f i 9 2 9c o m b i n e db yp o w e r $ 0 1 1 c c 这样的设计，控制效果与原来的一样，但是充分利用了触点，精简了接触器使 用数量，节约仪器成本，减少空间，使得原仪器更加紧凑。 4 这里我们对接地电阻测量进行互锁保护，由于接地电阻这个模块功能的 输入输出比较独立，不会与其它功能部分产生短路，因此，我们只把与其电压 等级相近的第一步三功能进行互锁保护，如下图： 图2 1 0 相近的互锁 f i 9 2 1 0i n t e r l o c k e do fs a m es o r t 5 最后我们根据安全等级，在弱电控制继电器部分实施了一次联锁保护，如 下图： 图2 一l l 二次互锁 f i 9 2 一l ls e c o n di n t e r l o c k e d 4 篁三耋垂篓鎏銎量堡垒型冀堡星堡竺塑矍墼墼堡些 围巾我稻按安全饶先等级，褒每费藐熬弱蠡继电器线强邀压静输入凝逐行了霞先 联锁的，这样程强弱点两方炎施两次安全赢锁，确保备功能的正常远行。 2 。4 整个系统的布置设计 本系统强电最高可达5 0 0 0 v ，当在生产线上频繁测试时，对弱点部分的数据 采嶷秘液曩聂示带来诲多意慧誉到戆干扰，实际上我们在反复测试务耱组会时， 在布置上充分考虑电磁兼容髓( e m c ) ，找到一种设计方法，将弱电部分和强电 部分分为上下两层，弱电部分放在上层，强电部分放在下层，在综台布线上，也 考攥蹇电压线路辩弱点部分魏手撬，在保 羲系统熬正豢运行瓣壤强下，合理豹毒 羲熬个仪器箱体，使得整个箱体紧凑，重缀分布均匀。下面给出强融部分的布置 图； 图2 1 2 强电部分布置图 f i 9 2 1 2l a y o u to f h i g hv o l t a g e s e c t i o n 垂三些奎茎三兰堡圭兰堡篁兰 第三章显示屏图像的采集和预处理 3 1 本系统的图像采集 3 1 1o c d 及其原理介绍 图像的获取的方式会直接影响到图像的质量，一般常用的视觉传感器有电荷 耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) ，位敏器件p s d ，工业电视摄像机t v ， 热像仪等等，针对本文所需采集的图像来源和本系统的特点，选择了c c d 器件， c c d 器件可以按不同的方式配置构成一系列可以应用于电视和图像数字化目的 的小型而稳定的固态摄像机，这类摄像机没有几何畸变，而且对光的响应是高度 线的，它可以以电视速率( 每秒3 0 帧) 或更慢的速率扫描。适合本系统采纳。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，电荷耦合器件，是一种金属氧化物一半 导体结构的新型器件，其基本结构是一种密排的m o s 电容器，能够存储由入射 光在c c d 像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱动下， 把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号到电信 号的转换。这种电信号通常是符合电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原成 物体的可见光像，也可以将信号存储在磁带机内。或输入计算机，进行图像增强、 识别、存储等处理。因此，c c d 器件是一种理想的摄像器件。 c c d 的基本单元是m o s 电容器，这种电容器能存贮电荷，以p 型硅为例，在p 型硅衬底上通过氧化在表面形成s i 0 2 层，然后在s i 0 2 上淀积一层金属为栅极， 当在金属电极上加正偏压时，其所形成的电场穿过s i 0 2 薄层排斥s i s i 0 2 界面 附近的多数载流子一空穴，留下带负电的固定的不动的同样数量的少数载流子， 形成耗尽层( 空间电荷区) 。形象地说，在s i s i 0 2 界面处形成电子势阱，势阱 的深浅取决于栅电压的大小。与此同时，氧化层与半导体界面处的电势( 称为表 面势) 发生相应的变化。表面势正值增加方向朝下，深耗尽状态时表面势u s 特 别大，说明电子在界面处的静电势能。q u s 很低。当金属电极上所加正偏压超过 门限电压u t h 后，界面处的电子势阱就可存贮电子。 c c d 在工作过程中，会往表面势阱中注入电子，这些电子就是信号电荷。势 阱中有信号电荷注入时，耗尽层深度和表面势将随电荷的增加而减少。信号电荷 第三章显不屏图像的采集和预处理 可用光注入或电注入两种方法，图示就是用光注入电子示意图。c c d 器件受光照 后，光子被半导体吸收，产生电子一空穴对。这时，多数载流子( 空穴) 流入硅 衬底内，而少数载流子和电子被吸引，存贮在较深的势阱中，形成“电荷包”。 光线越强，势阱中收集的电子越多。光线越弱，势阱的电子越少，因此势阱中电 子的多少就反映像的明暗程度，实现了光与电子之间的转换。与真空摄像管相比， 固体摄像器件有如下特点： 1 体积小、重量轻、耗电少、启动快、寿命长和可靠性高。 2 光谱响应范围宽。一般的c c d 器件可工作在4 0 0 n m l l o o n m 波长范围 内。最大响应约在9 0 0 h m 。在紫外区，由于硅片自身的吸收，量子效率下降，但 采用背部照射减薄的c c d ，工作波长极限可达l o o n m 。 3 灵敏度高。c c d 具有很高的单元光量子产率，正面照射的c c d 的量子产 率可达2 0 ，若采用背部照射减薄的c c d ，其单元量子产率高达9 0 以上。另 外，c c d 的暗电流很小，检测噪音也很低。因此，即使在低照度下( 1 0 2 1 x ) ，c c d 也能顺利完成光电转换和信号输出。 4 动态响应范围宽。c c d 的动态响应范围在4 个数量级以上最高可达8 个 数量级。 5 可达很高的分辨率。线阵器件已有7 0 0 0 像元，可分辨最小尺寸7um ； 面阵器件己达4 0 9 6 像元4 0 9 6 像元，c c d 摄像机分辨率已超过1 0 0 0 线以上。 6 易与微光像增强器级联耦合，能在低光条件下采集信号。 7 抗过度曝光性能。过强的光会使光敏元饱和，但不会导致芯片毁坏。基 于以上特性，将c c d 用于微光电视系统中，不仅可以提高系统终端显示图象的质 量，而且可以对图像进行增强、识别、存储等操作。c c d 和传统底片相比，c c d 更 接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆 细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。c c d 经过长达3 5 年的发展， 大致的形状和运作方式都已经定型。c c d 的组成主要是由一个类似马赛克的网 格、聚光镜片以及垫于最