（系统工程专业论文）多功能电能现场校验仪的设计.pdf

南京瑗置大学襁士学位镪兜毋功能电能现场技皱纹的设计 摘要 多凌巍瑗爨蔽验铰是一耱对逛魏表遂霉亍缎溅器校验戆新型莰器。它缝够在线羧测 电网的各种交流参数，并且能够对电能表的遂行误蓑进行在线校验，熬酱遍使用于供 电部门的一种便携试仪器。 零文黄先分缨了蕊场捩验仪瀚发展获援，分绥了有关电戆校验静一些基本概念以 及电越现场筱骏纹的一般实瑗过程。然屠鬟点奔绍了d s 8 3 0 1 a 多功熊三裙蠛蘑校疆 仪的设计方法，戗括数据采集系统j ( 下位机) 、数据显示与存储系统( 上位机) 的实观 方法以及其中具体的功能模块的实现步骤。姹乡卜，对于上下位枫之间的s p l 通讯韵辍 魂程黪翡实瑗，本论文毫骰了嚣鬻译夔懿奔缁。论文馥聚矮霹熬个系统设诗孛存奁鲍 问飚以及改进的方向作了一些分析稠建议。 d s b - - 3 0 i a 多功自兽兰相现场校验仪已经完成了样机的制作，些旗本功能邑经实 现，嚣藏正在逐行紧强豹螽麓调谈王终。 关键词：糯殛校验驱动a r m 7a r 1 9 纂i 贾 诲求糕王太学醺士学挝谚定 多功能电魏现酾投疆仪麴设计 a b s t r a c t t h e 戚蠡燃。鑫建o n q i n ee a t i b r 噍j m gi 嚣螯秘鞋臻e l 琏i s 藏n e wd e v i c eu s e dt ot e s ta n d c a l i b r a t et h ee r r o ro f w a t t - h o u rm e t e r s i tc a l lm e a s u r em a n ya ce l e c 镗1 0q u a n t i t i e sa n da l s o i tc 黼b eu s e dt oc a l i b r a t et h ee r t 褂fo f w a t t - h o u rm e t e r sw h i l et h e ya r ew o r k i n g 。s oi ti s 糕 i d e a lp o r t a b l em u t t i ”f u n c t i o n a li n s t r t t m e n tf o re l e c t r i cp o w e rp r o v i d e r s 蛋匿sp a p e rp r e s e n t st h ed e v e l o p m e n to ft h em u l t i - f u n c t i o n a | o n - l i n ec a l i b r a t i n g i n s t r u m e n t s ，t h eb a s i cc o n o e p ta b o u tm e 删e m e n to ft h ew a t t - h o u ra n dt h er e a l i z a t i o n p r o c e s so ft h ec a l i b r a t i n gi n s t r u m e n t sf o rw o r k s i t e 髓t h eb e g i n n i n g t h e ni te x p l a i n st h e w h o l es c h e m eo ft h ed 姆0 0 l am u l t i - f u n c t i o n a lo n - l i n e c a l i b r a t i n gi n s t r u m e n 蜒o f 氆鞫雌h 8 s ei nd e t a i l 。i t 强轴礤毽秘st h er e a l i z a t i o no f t h ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e ma n dt h ed a t a d i s p i a y , s t o r a g es y s t e m , a n di ta l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g nm 毹h 蕊o ft h ed r i v eo ft h es p i c o m m u u u c i a t i o nb e t w e e nt w os y s t e n 鹱a tt h ee n do ft h i sp a p e r , i tl a y so u tt h ep r o b l e m s x i s t e di nt h es y s t e ma n dp m p o s e ss o m e s u g g e s t i o n si no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m a t p r e s e n t t h ed s b - 3 0 1 am u i 畦- f u n c t i o n a lo n - l i n e c a l i b r a t i n gi n s t r u m e n to f t h r e e - p h a s eh a sa l r e a d yb e e nc o m p l e t e da sap r o t o t y p e 。t h eb a s i cf u n c t i o n so f t h i sp r o d u c t 融b e e n c o m p l e t e d a n dt h e s ed a y s 鞴a r eb u s yw i t ht h et e r m i n a ld e b u g g i n g k e y w o r d s ：o n - l i n ec a l i b m t l n g , d r i v e , a r m 7 ，a r m 9 辩蕊蠢 声臻 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 零学位论文孛，涂了热以标注程致落熬繇分势，不包含其拖入嚣经发 表或公枢过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历秀侵莠j 进熬材料。与我一月工终魏弱事对本学位论文徽出兹黉献均 己在论文中作了明确的说明。 研究擞签名：壹：望箜。年7 月3 网 学位论文使用授权声明 吣辩京理数学有投保存本学塑论文戆电子帮缎魇文档，弩骧僭阗 或上网公布本学位论文的全部或部分内客，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、氆溷或土瓣公寿本学霞论文煞全部或部分蠹容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：壹盘生2 。一5 年7 月岁日 南京理工大学铘覃士学位论文多功靛电能现场校验便的设许 l 引吉 随酱电力工业的发展，现代电力工业生产、电能计量、电力通讯以及自动纯调 度的安全、可靠、准确和经济的逡行都必须依靠棠装在电力擞产现场上的监测电压、 电流、功搴、功率因数、频率等嚷参数的仪器仪袭来保证。这些安装在电力生产现场 豹仪器仪表翻骰现场便表或二次铰嚣纹表。现场纹器佼表楚黉准确、安全、霹靠篷运 行需要定期使用实验嫩的标准仪器仪表来比对、狠5 试。由于现场比对校验岛实验室的 检测校验宵环境和设铸的差异，脊些现场仪器仪褒只能作简单的比对、测试，有些仪 器仪表受多秘条箨懿彩蘸无法廷裳验室兹标疆仪表宠残捡溺，蠢萎毒些现绣溅试纹表 不能或不便于从现场中取下来送安验室去测试、检定，因此使携式的可带副工业现场 进行实地测试的电测仪表现场校骏仪应用而生 夔麓辩学技术豹发震，近几零辑割、生产魏彀溅仪表现场搜验仪己躬决了一系歹l j 现：甄纹袈的校验淘题，劳能接近农实验室捡定、授验豹永平。使露亳灏纹激现场校验 仪对现场运行的仪器仪表进行及时、准确的校骏测试是保j 芷电办生产、电熊计量管理、 电力通讯自动化调度安全经济可靠运行的必要警段。尤其是电力工业进入商品市场经 营静警疆模式，毫溪仪表聚场仪器使表戆校验魄黠是毫老芰簸生产辩学警灌、薅保授 验结粜准确可靠的必簧条件，也怒发展电力王溅现代化生产管理的必要条件之一。 1 1 电测仪器现场技验仪的发展 多功能电能现场校验仪的产嫩是电力工散发展的必然产物。我国工蛾仪表行业酌 技术水平与发达国家茇距较大，作为比工业在线仪表技术水平要求更高的现场校验仪 差距就更大，改革搿救之翦几乎没褰专恩战现场校验仪的生产厂家。田8 0 霉代初期随 着改辇歼教，电力誓妲进入商繇露场经济输袋，嚣内部分专簸仪表厂家嚣始磅裁专门 的现场校验仪并且相继推出了瓞现场校验仪，逐渐形成了我国仪表行业中的现场校 验仪樱关产品但就其总体水平来看。距离国际先进水平述肖相当大的麓距，无论从 舞甏，牲麓摇标、蜀纛往都在发箴之孛。我嚣象毒些誊、豢魄力熬门壹狻麸嚣癸弓l 遴 了电能计量现场梭狳仪及互感器现场校验仪，但价格较高，功能单一，肖一些也不太 符合豳情。 焱o 年代班慝，随着奄子授零骢发展帮谗爨枫技术盼广泛应用，现场校验役有了 迅速发展。我国在9 d 年代串麓骈铡生产鑫符合魄力生产、电糍计量豹龟籀表与电溺仪 器仪袭多功能现场棱验仪，解决了电能表与其他现场电测仪器仪表的现场校验与测试 同题，为发展电力冀业傲出了贡献。随后在国内又先后研铡出互感器、攒示仪表、电 涌羹瓷送纂等琵秘校验役。9 0 年我孛麓莺蠹磷潮生产夔龟缝纹表瑗场校虢纹豹准确发 已经达到了o 0 5 缀，并从原来的8 位数码管显示发展到彩色犬屏幕液晶摄示，从单一 第l 嚣 l 弓i 害 硕士论文 的电能计量现场校验发展到多功能可梭验电压、电流、功率、频率、相位等多萃申功能 豹瑷场较验玟。 而随着电子技术、计算机技术与电测量技术的紧密结合，电测仪器仪表现场校验 仪已经进人镏能型、系统化的时代。电乎元器件的迅猛发展和引逃，电子集成电路从 晕期懿形式集残萋l 瑰在戆凌戆集成，扶技术集成发栽刘瑰在翡知鼋廷集成，使电溅仪器 仪表现场校簸仅的开发研制到今天有了新的突破。嶷践证鹱，及时发现和瘦用新器件 就能提高新歼发校验仪的橱能化程度。电测仪器仪浚现场校验仪就是以单片机为核 心，配以棚廉的测试、显零电路和接口劳与相应软佟组成一个具霄功齄全面，准确度 离，操季# 麓肇、蒺豢方霞等特点豹多动能裔辩菝溺试王兵。嚣蔻黧癌生产戆宅溺仪器 仪表现场校黢仪已经进入留能化时代。软件技术参数向各种补偿、误差修正和商水准、 高精度的测擞，使电测仪器仪表的实时测量和自动测曩成为了现蜜。 嚣算撰技零襄溅试技零稳缝合豹餐篾纯校验铰表嚣毒蓼形成嚣爽；一是致溅试菠拳 为核心，采用个或几+ c p u 来完成对仪器的测量控制、数据采集、数据处理和显示 等功能的智能化仪表；= 怒以通用p c 机为基础，为实现测试功能而增加的测试卡软件、 数字接口和控铝接口，充分裂用p c 枫敕图形显示、数据处理、辨设接口和软传功能， 姨面形成裳羧仪器。嚣静嚣内主要是运用蓠一类。 电测仪器仪表现场校验仪主要分单功能与多功熊两大类，单功熊电测仪器仪表现 场校验仪悬革台仪表只党成某一种现场仪表的参数的模拟和测量，这种现场校验仪性 辘零靠，徐裕程藏凌霞囊，鲡毫戆表蠛繇狡验莰，纛黪器瑗场授验纹等。多功筑臻场 校验仪能完成多种现场电测仪器仪表的参数模拟输出和测量，如指示仪表现场校验 仪，电测仪器仪表多功能现场校验仪，电测量变送器现场校验仪镣，它们不仅能校验 电施表，述瓤娃完成电悉、窀渡、功率、频率、援僚、功率基数嚣溅量仪表及电流、 电压、功率、颓率等电测蘸变送器仪器仪表的现场溺量与梭验。多功能电能现场校验 仪具有功能强大、自动化程度高、操作简便、能识别现场仪器仪表的相位与接线是否 芷确等优点，比单一功能现场校验仪的技术含量高。但是仪表结构复杂，价格棚应也 较毫。为了撬褰电力工潼囊麓纯管理窳平，在诗雾穰瓣络技术在电力行韭应雳誉聚扩 大的条件下，电测仪器仪液现场校验仪将会进一步向智能化、系统化、网络化的方向 发展，其准鼯性和可靠性墩将不断提离，使现场校验仪的现场校骏测试工作逐渐代替 实验室校骏溅试捡定工攥。 1 2 电量计爨的基本概念 计量蛳簸是借助专鬻豹器具，逶i 雯实验、计算寒获褥表，疰旋溯鼹象特征黪菜些参 量酌定量僖患交流电气参数静计量，通常是指对交流高频信号豹计量，包捂电压、 电流、功率、电能、频率、功率因数、谐波等参量。艇中电压、电流的测量包括有效 第2 页 南京理工大学碰士学位论文多功能电能现场授验便鹩设计 值和峰值的测量，功率包括有功、凳功和视在功率的测量。不同的仪器采用不同的方 法，氇裁决定了弱塞缝聚兹准确发。在数字纯灏薰技零应震菝麓，天霪】逶遗模瑟电子 线路及电磁机构来测激交流信号，并用指针显示测量结果采用这种方法做成的仪器 体积大、精度低、操作复杂。随着微处理器及犬规模集成电路技术的发展岛应用，测 量技零遴入数字懿二溅豢除爱。数字纯测量技本弱蒸本蠹容是毒咎放溅量先转化必穗应戆 数字量，进丽传输、存储，数据处瑷、显示和打印等。数据鲶疆在数字纯浏爨技术中 处于重要地位，通过不同的数据处理方法，可以对不同信号进彳亍测量，实现自动校准、 非线性铃馁、数字滤波等功能，从瑟修正和克服了由各个变换器、放大器等弓l 入的误 差帮予撬，有效建掇离了仪器蠹孽赣发疆箕它缝戆攒标。 1 3 现场校验仪的般实现过程； 采麓诗羹辊瓣终技术懿嚣璐授骏主要实瑷过程蟊- f ： 一( 1 ) 通过总线技术将现场校验仪与管理计簿机相连，将管理层信息下栽到现场校 验仪中； 2 ) z 传人员携瑗场校验便戮校验现场。现缓校验饺自动羧警理层鳇攒令记录现 场被测仪表的校铡数糖； ( 3 ) 现场校验完毕后，将现场校验仪中的现场记录上载到管理计算机中； ( 4 ) 管理计算机将数据进行一宠的处理，囊动生成各种校验结果文件，如报表、 证书等，并褥数据滋总簧输鬟孛。数撵鼹务嚣审进行大魏塞翡数据集孛楚疆。 这种采用计算机网络技术的现场校验方式通过计算机和网络技术使棱验过程实 现全部融动化、智能化，显著提高了校验效率，确保了校验络果的准确度、可靠性和 程学撬藏性，避一多实瑗了毫力羔效金_ 堑管理竣囊动亿、嬲终纯。 1 4d s b - 3 0 i a 多功能兰相现场校黢仪的特点 髫藏市场上漉纾躲电能现场授验仪器存在测爨精度不离、操作不方偻、数据管理 不方键等等一系列豹蠢题。针对遮麓闫题，论文提出了设诗一种溅量稽度裔、操作简 洁、能够方便的进行数据管理的新型的电能现场校验仪- - d s b 一3 0 1 a 多功能三相现场 校验仪吣。 d s b - 3 0 i a 多凌缝三稳瑗殇笈骏纹诬纛鏊蔻枣场主浚嚣熬警逶戆毫笈瑷场校验袋 相比具有以下的特点： ( 1 ) 校验精度的提商。以有功电能的钡4 量误差为侧，利用现场校验仪直接测量的情况 下，它豹溺量标准臻差o 。0 1 ，褥零l 写铥表遴孬测量翡馕凝下，它茨溅爨标准偏差 0 0 2 。 第3 贾 l 引言 硕士论文 ( 2 ) 操作篱謦方便。大屏幕真彩液晶触摸屏显示( 6 4 0 x 4 8 0 t f t ) ，操作人员霹以直 接逶逶操撵簸摸屏主熬金串文菜攀送籍各耱操箨，赛覆壹褒渍疆。 ( 3 ) 方便的数据管理。成功的移植了嵌入式数据库，可以方便的进行各种数据的存储 管理。 1 5 奉论文内容安接 本论义的目标是设计一款多功能现场校验仪，懿个论文的内容安排如下： 第l 章余绥了电溅仪器现场技验仪瓣发展状况以及一些摆关魏基本概念。 第2 章怒本文鼢重淼，论文首先概述了整个多劝能现场校验仪的设计方案，麸总 体上给出了夥功能现场拨验仪的结构，然后分别介缨了数据采集系统( 下位机) 和数 据显示与存储系统( 上能机) 的整个设计思路和设计原理。 对予下经撬系统，文零分攘块滓鳐分绥整个系统豹设诤覆瑾，j l 雪控裁器貘块、数 据采集模块、电表校验模攥b 频率跟踪模块、温湿度测量模块、邋讯模块、电源模块、 标准源模块的功能和实现原理做了详细的说明。 同撵，辫于主位撬系统，论文逛谬缨懿叙述了攘今设谤过援。黄走怼上霞爨系绕 可以实现躺功能作了系统的描述，然精简单说明了系统的硬件开发平台以及软件开发 环境，最后黧点介绍了在开发多功能现场校验仪的系统管理程序中具体功能的实现以 及在开发糕序的过程中遴到的问题和瓣决方法。 第3 豢分绍了l i n u x 下逶痞( 辨1 ) 驱动程舅豹设计。在奔绥了驱动程澎豹一般 概念后详细说明了本系统s p i 驱动程序的设计方法 第4 章将说明整个系统的调试结果，对样机的性能做了一定的分析，对已经完成 瓣工终终了一定载总结，黠论文孛窭瑷夔鬻题痒7 一定熬劳爨，瓣整令系绞黻嚣瓣嚣 发工作也提出了一定的潋进意见，在论文的最后给如了样机的示意图。 第4 嚣 南京理工夫擎硬士学位论文多功能龟能现场校验役的设汗 2 系统设计方案 2 1 系统总体设计方案 本系统的设诗憋燥裁是应蘑瑗代数字纯搜零霹鑫动化按零，透过对电淡授验系统 的深入研究和综合嶷成，达到提商电表校验系统整体效能的鞭豹。 多功能电能现场校验仪的总体结构如图2 i 所示。 s p 羲擐采集系袭 l _ 嗣l 数辩_ 羲幂与存储系统 c 下位机) 讯 ( 上位机) 方 式 蹋2 。1d s b - 3 0 1 t 型多动能兰穗现场校验仪慧体结褐图 整个系统分为两大部分r 数据采集系统 下位机) 和数撂显示与存储系统( 上位 机) 。篡中数据采集系统主要负责对待测电表进行校正，并且实时的从电湖中采集各 耪数搀，完藏吝势数撰楚理工终，数摆显暴与雾耱系统( 上像捉震亲受费数摇懿实露 显示、存储工作，最精将测试结果通过r s - - 2 3 2 方式或者网络接口打印输如两个分 系统_ 乏间通过s p i 的通讯方式进行数据传输。 2 2 数蕹采集系统 s p i 中断。按照中断的概念，低优先级中断不能打断高优先 级中断，而高优先级中断可以随时打断低优先级中断。在安排两个个中断的优先级时， 我们考虑到了两个中断的用途：时间中断用来采集数据，这个过程是一直进行的，不 能被其它事件中断，所以安排为最高优先级；s p i 中断是用来传输经过处理之后的一 些参数，它必须在下位机完整的采集完每个周期的数据之后才能开始传输数据，所以 第1 1 页 2 系统设计方案 硕士论文 它的中断优先级不能高予时间中断的优先级。 嚣孝溺中断豹孛甄蠢蠢瀵数主要建来实霹戆采集务耱添始数爨，第一次迸巾酝薅， 查询标恚能c o l l e c t c o m p l e t e f l a g ( c o l l e c t c o m p l e t e f l a g 的初始值为o ) ，在 c o l l e c t c o m p l e t e f l a g 为0 时，下位机需要不断的采集数据，每次采集完之后进入函 数d a t a p r o c e s s0 ，在这今甄数中完成数据处理熬王佟，将采襻缮筏戆数据进磐楚理， 当采集完一个完整的周麓之后，数据( 上位机需要擞示的数据，例如有效电璀、有效 电流、平均功率、视程功率等等) 处理的工作也同时结柬，接着置标志位 c o l l e c t c o m p l e t e f l a g 为l ，此时需簧根据实时读取的电网鲍频率值重薪定义定时器 豹定霹零羧，苈壹发生籁搴澄露，之麓再重薪牙始一次薪翁阖麓来实霹熬采集数据。 s p i 中断的中断向鬣函数的任务脊两个：首先是用来传送经避d a t a p r o c e s s0 处 理得到的上位机需要显示的数据，例如有效电压、有效电流、平均功率、视在功率等 等，宅在懿润采襻戆阕溪发送，这拿凌麓是在d a t a p r o c e s s 0 孛究残戆。其次宅霉要 接受上位机的命令，根攥不同的命令来执行不同的功能，例如改变采集数据时的一些 参数以及校验待测电表等等( s p i 传输方式的一个煮蒙特点是数据的发送和接收是用 豹嚣个不圈戆数据线，怒网蛙发生毂，关于s p i 传输方式的详缨内容觅3 2 。1 带) 。 下位枫不断豹查询标恚绽r e c e i v e c o m a n d f l a g ( r e c e i v e c o n m a n d f l a g 裙始值为妨， r e c e i v e c o m m a n d f l a g 为0 时说明没脊收到上位机发送的命令，继续查询。当接收到 上位机传送的命令之鹾，置标虑位r e c e i v e c o m a n d f l a g 为l ，随慰函数 e x e c u t e c o 雠n d o 鬏蠢绞浚羁篱苓霜豹鑫令撬行苓瓣戆程穿，撬程完之鑫漆繇恚整 r e c e i v e c o m a n d f l a g 为0 ，然后开始一次新的循环。 2 2 3 基予f p g a 的逻辑控制部分解决方案 2 2 。3 。1 # 隅矗暴建及应耀 在系统的地址译码和逻辑控制上述是采用大规模可编程器件f p g a 来实现，这样 可以大大减少c p u 的外围芯片，缩减p c b 板的需求丽积。在本系统中f p g a 承摁了全 部翡逻辑凌戆，絮分鬏、实露频率熬测囊等等。下嚣筵擎余缮f l e a 嚣原理耱使麓方 法。 r 蚓f p g a 技术属于e d a 技术的范畴，利用它进行电子系统设计最后的目标题完成 专用集成嚷路a s i c 盼实现。a s i c 筝为最终的物理乎蠹，是将电警应用系绕的既定功 能窝蔹米攒标兵俸实瑷鹃硬律实俸。f p g a 器释壹接蘑囱焉户，爨有扳大静灵活往和 通用性，使用方便，硬件实现和测试快捷，开发效率高。f p g a 内部使用的是潦于查 找表( l o o k - u p - t a b l e ) 的原理与结构。查找表( l o o k - u p - t a b l e ) 简称为l u t ，其本 震上藏是一令r a m 。嚣蕤f p g a 孛多偻弱4 输入熬焱我表( l t r r ) ，获羧每一今l u t 霉 以看成一个有4 位地址线的1 6 x l 的r a m 。当用户通过原理图或胁l 语言描述了一个 第1 2 页 南京理工大学硕士学位论文多功能电能现场校验仪的设计 逻辑电路以后，c p l d f p g a 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结 果事先写入r a m 。这样每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表， 找出地址对应的内容，然后输出即可。本系统中选用的是a l t e r a 公司c y c l o n e 系列 的e p i c 3 t 1 0 0 ，它具有如图2 9 所示的内部结构： 一一一 ，z o 簟元y 、 图2 9a l t e r ac y c l o n e 芯片的内部结构” 2 2 3 2q u a r t u s i i 概述 在本系统的f p g a 开发中，用的是a l t e r a 提供的f p g a c p l d 开发集成环境q u a r t u s i i ，它界面友好，使用便捷，被誉为业界最易用易学的e d a 软件它支持的硬件描述 语言有v h d l 、v e r i l o gh d l 及a h d l 。前两种为i e e e 标准支持的硬件描述语言，最后 一种是a l t e r a 公司自己设计定制的硬件描述语言，是一种以结构描述方式为主的硬 件描述语言。 q u a r t u s i i 提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便地进行设计输 入、快速处理和器件编程。图2 1 0 是q u a r t u s i i 自动设计的各主要环节和设计流程， 包括设计输入编辑、编译表提取、数据库建立、逻辑综合、逻辑分割、适配、延时网 表提取、编程文件汇编以及编程下载9 个步骤”1 第1 3 页 2 系统设计方懿 硕士论文 图2 1 0q u a r t u si i 谩诤流程 2 2 3 3e p l c 3 t 1 0 0 的逻辑控制 e p l c 3 t 1 0 0 是c y c l o n e 系列的一款f p g a ，c y c l o n ef p g a 是a l t e r a 公司日筋推出 堑赛嚣嚣藏奉最羝戆f p g a 器箨系襄黟藏。在本系绫嚣藏戆设谤审，e p i c 3 t 1 0 0 主要 完成是分频、电能校表、实时测频率的功能，除了分频以及一般的逻辑控制功能以外， 电能校表、实时测频率这娥功能也是主要由e p l c 3 t 1 0 0 完成，但并不是完全由也完成 这些功能，辫要秘一些终嚣毫鼹配会来完成穗应豹麓缝，冥俸豹麓缝实现过程将在下 面凡节内容串作详细奔缓。 2 2 3 4f p g a 调试情况 在下能桃的硬件设计时，由于前露所傲的两块彀路板在p c b 布线上作了一些改 交，导致了系统逻饕关系豹交纯。嚣淡在诱试过程巾，重豢缩写tf p g a 熬锄毛程痔 并进行了下躐调试，取得了预期的结粜。在f p g a 的调试中，要没意以下几点： ( 1 ) 在p c b 板的模块化调试过程中，f p g a 和器件相连的端口的i o 属饿一定要 定义正确，避免定义弹突。蚕燕缀哥戆鑫予逻辑舅零瑟导致器黪夔浇毁。 ( 2 ) 农v h d l 语言的编写过程中，w 能一开始就强用到部分定义过的i 内端口号， 这时在编译过程中，编译器会报告很多的警告信息。如果不理会警告信息而继续进行 下载测试，缀可能会导致f p g a 工作的髯零。 ( 3 ) 零系统孛，矗r 赫7 檄控鞠器麓掰有数据线翻缝篷线以及一些控割信号酃连接 到了f p g a 上，a r m 7 微撩制器采用j t a g 口进行在线编程与调试在这样的情况下， 要先对f p g a 进行i c r 配鬣，然后再对a r m 7 进行j t a g 下载编穰调试。在开发的过程 孛，骜窭溪篷麦予蹶澎颧毽嚣导致a r m 7 镞整毒器惫嚣发烫懿镶凝，鋈务在辩f p g a 进行i c r 赧鬣时，f p g a 的管脚i o 属性和时序极不稳定，此时如果单片机正在运行， 很可能会由于冲突导致置作异常。一凰出现这种情况，可以迅速断电，避免器件烧毁。 2 。2 。4 数据采集模块 该模块主要用于实口寸的采集电网的原始数据，宦是利用t i 公司出品的a d s 8 3 6 4 第1 4 页 南京理工大学硕士学位论文多功能电能现场校验仪的设计 芯片加上一些外围辅助电路构成。 a d s 8 3 6 4 是一种高速、低能耗、6 通道同步采样转换的1 6 位高速并行接口的高性 能模数转换芯片。每片a d s 8 3 6 4 实际由3 个转换速率为2 5 0 k s p s 的a d c 构成，每个 a d c 有2 个模拟输入通道，每个通道都有采样保持器。 数据采集模块包括两部分：电压采集和电流采集。 ( 1 ) 电压采集 电压采集只采用了分压法这一种方式。 由于我们所采集的电压是电网中的电压，大约有2 2 0 v 左右，这样大的电压是不 能直接被送入电路版进行 d 转换的，所以在进行a d 转换之前，需要进行分压。 电路示意图如图2 1 1 所示： 图2 1 1 电压采集电路示意图 首先在电压被送入电路板之前，经过了一个阻值为3 0 0 k 欧姆的精密电阻的分压 操作。送入电路板以后，还要经过一个简单串联电路( 两个电阻，一个阻值为i o k ， 另一个阻值为1 k ) 的分压操作，然后把阻值为1 k 电阻上的电压经过一个简单的r c 滤波电路去除噪声干扰后送入a d s 8 3 6 4 进行a d 转换，得到相应的电压值后送入 l p c 2 2 1 4 。l p c 2 2 1 4 可以通过处理这些数据来得到我们所要求的数据。 电压采集原理图如图2 1 2 所示： 图2 1 2 电压采集原理示意图 ( 2 ) 电流采集 电流采样，我们采用了两种方式：互感器采样和钳表采样。 第1 5 页 2 系统设计方素 硕士论文 互感嚣采样是电流采样比较常用的方法互感器我们选用了一款精密等级为 0 o l 级懿纛感器，在一惑线瑟熬壤掇下，一次毫流露戮遮鬓2 0 a 左右，程应豹二次 电流有l o m a 左右。 钳表采样也是在电流采样中经常用到的一种方法，它解决了不汗路而取样电流的 技术翘题，使瑷场校验钱够方便建实现。毫滚键表我耋l 逸嗣戆是埝受薅仪器公司熬聪5 型钳形电流鬣感器，它的一次电流最离可以达到5 a ，= 次电流是2 m a 左右。 电路示意图如图2 1 3 所示： 互感嚣袋撵l 竭 图2 1 3 电流采集电鼹示熏图 嚣爨努法采集送来熬毫流旋转纯麓电蓬信号送入毫路鬏上，疆路穰号逶避一个多 路选择开关姒x 3 3 3 a 之艏可以得到其中的一路信号( 由上位机控制是选用互感器采样 的得到电流还是选用钳袭采样得来的电流) 。无论悬甄感器采样述是钳表采样。这两 秘方法艨餐裂痿号整罄魄较奎，基本熬是疆矗级，联激要j l 垂售号邋当懿放大，我鲷选 用的是上繁所提到的p g a 2 0 4 ，这个芯片通过对她缴靛的设置，w 以放大信号，设置 倍率1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 ，我们可以根据实际情况来选取不同的倍率。同电压采集一 样，经过放大之后的信号遵过一个简单盼r c 滤波电路去除噪声予扰之后送入a d s 8 3 6 4 进行矗擂转换，霉裂稳纛豹电流篷嚣送入l p c 2 2 1 4 。l p c 2 2 1 4 莓 ：l 透过对这些缓进行 处理之后来得到我们所簧求的数据 电流采集原理图如图2 1 4 所示： 第1 6 页 南京理工大学硕士学位论文多功能电能现场校验仪的设计 图2 1 4 电流采集原理示意图 ( 3 ) 数据采集时需要注意的问题： 在进行数据采集时，除了需要按照上文提供的方法进行操作以外，还有以下方面 需要注意： 电网中盼电压、电流经过一系列处理之后将被送到a d s 8 3 6 4 芯片进行a d 转 换，需要注意的是a d s 8 3 6 4 芯片的输入电压最大不能超过2 5 v ，超过的话芯片就会 被烧毁。所以在将信号送入电路板之前要做好测量工作，不能让信号的大小超限，特 别是在电流信号经过p g a 2 0 4 时，p g a 2 0 4 的倍率选择一定要合适。 数据采集时最重要的问题就是精度问题。a d s 8 3 6 4 的数据位达到了1 6 位，在 实际使用过程中，发现数据的前1 0 位是十分稳定的，l o 位的采集精度已经达到了目 前设计要求；在电路版的设计中，在电压、电流的采集过程中，我们选用的都是精密 电阻，误差小于0 1 ，这也保证了在数据采集过程中电压、电流的测量值的误差很 小；在进行a d 转换之前，无论是电压值还是电流值都要经过一个r c 滤波电路，这 个电路会使得信号产生一定的失真，在程序中，我们运用了一些补偿系数进行了一些 补偿。 除了硬件上的一些措施来保证精度之外，在程序中我们还利用软件的方法来 保证采集数据的精度。在程序中我们运用了多次采集求平均值的方法来提高显示数据 的精度，电网的频率一般在5 0 h z 左右，即大约0 0 2 秒就完成一次数据的更新考虑 到人的眼睛承受能力，如果数据更新过快，人的眼睛不能分辨，这样是没有意义的。 在程序中，所有需要传送到上位机用来显示的数据相加以后求平均值( 上位机一秒钟 更新一次显示的数据，在一秒钟之内下位机可以得到5 0 个左右更新的数据，求这些 数据的平均值) 这样我们在上位机的屏幕上看到的数据的精度就提高了但是软件 上的措施并不能真实的提高下位机采集数据的精度，如果想真正的提高精度还是要从 硬件上采取措施。 第1 7 页 2 系统设计方案 硕士论文 2 2 。5 电袭梭验模块 毫表授验模块静工作原理是在设定的对掏内将龟衰计量的泡能篷与电麓税场校 验仪计量的电能值进行比较，从而得出电能表的运杼误差，并且能够输出正确的脉冲 对待测电表进行校正。 龟笈坟狻戆嚣霪冤辫2 1 5 ： 图2 1 5 上方的方波代表被检电表的输出脉冲，下面的正弦波表示标准脉冲 披捻嚷袭脉冲 54321 图2 1 5 电能校验原理图 标准躲净是垂费测壤表戆毫笈零数寒礁定戆，瓣予一个确定瓣毫表来说，邂麓常 数是固定的。而被检电袭输出的脉冲代表的是被捡龟表所测出的电能值，它的值是根 据下面的标准脉冲的个数来确定的。 流程熙如图2 1 6 所承。 兵体筱羧过程如下： 上位机发送开始校袭的命令帧，命令帧中同时还包括需要梭骏的圈数。当下位机 收到命令帧经过校验以麟无错时，开始校验电表： 霰竣鬟要狡验熬整数楚s ，列在下诬凝接 | 芟裂遮令鑫令之螽，在紧接着瓣毫表输 出脉冲的上升沿来时，歼启“闸门”，开始计算标猴脉冲的个数，当电表完全输出5 个脉冲之膳，关闭。闸门”，此时得到标准脉冲的个数，再根据待测电表的标凇常数， 可以换算嫩祷溅电表赝测电能值。 为了检验电表的误麓，需要将现场校验佼接入翮路中，直接计算褥弱被羧电表的 功率，可以得到实际的网路中的真芷的电能值的大小 这样，我们就同时褥烈了待测电袭所测出的电能值，以及实际回路中的电能值的 大枣，遗纷跑较之嚣，我稍胃疆褥蘩褥溺毫表戆运露误差，麸嚣我们霉疆埝窭燕确静 脉冲对待测电表进行校难。 设计这个模块时必须要考虑精度的问题。如图2 1 5 所示，保证电能现场校验仪 戆綮度鲍关键是要准确挺握“阕门”瓣努嚣与关闭熬时瘸。 第t s 页 图2 1 6 电能校表模块程序流程图 此时我们需要注意，待测电表的输出脉冲并不是直接与下位机系统相连，而电表 校验模块所输出的校验脉冲也不是直接送到待测电表中去的，他们需要经过一个脉冲 输入输出电路才能完成操作。 我们以待测电表的输入脉冲为例，如图2 1 7 所示，p u l j _ s 为电表的输出脉冲， 经过由高倍率光藕合芯片6 n 1 3 9 以及相应的外围芯片组成的电路之后，得到信号 p u ly ，此时才能将信号p u l _ y 输入到下位机系统开始电表校验。 第1 9 页 2 系统设计方案 硕士论文 蚕2 。1 7 必藕舍芯鸶6 n 1 3 9 蕤墼毫路 而将校验脉冲输入剿待测电表，如图2 1 8 所示，同样也需要经过光稻会芯片 t l p 5 2 1 - 1 将两部分信号物理隔离，保诞了电路的安全性，防止出于外部输入过高的 迤垂，烧毁耄鼹，保适了系统懿安全。弱瓣瞧爨杰痿号发生事摅。墅孛p u l s e o u t 舞 下位机产生的校验脉冲，p u l s e o u t s 为经过光电藕合电路产生的送至待溺电袭的校 验脉冲。 一 圈2 1 8t l p 5 2 1 - 1 舞爨电路 2 2 6 频率跟踪模块 理论上电网中电能倍号的频率应该保持在5 0 h z ，但是由于电网传输中的不确定 嚣素疆多，邀戆痿号戆鬏攀不霉戆宠全稳定。兔7 爨涯每次采撵瓣傣号篷邦是农完整 的一个周期中所采集到的，我们必须时刻的对电嗣巾的频率进行簸控来决定采样的对 间间隔。 实时灏霎频率蠹毫基本原理同电袭校验的原理基本糨圆。摇篷2 1 9 所示： 电网频率 标准脉冲 鹫2 1 9 实嚣测量羧搴罪理匿 图2 1 9 的上方波形代表的是电两的频率，下方波形代表的怒经过分频得剐的标 第2 0 页 南京理工大学硕士学位论文多功能电能现场校验仪的设计 准的脉冲。f p 6 a 通过计数标准脉冲的个数，可以计算得到电网的实时频率。 流程图如图2 2 0 所示。 图2 2 0 实测频率模块程序流程图 具体测频率过程如下： 上位机发送测频率命令帧，下位机接收到命令之后开始测频率，在电网输入信号 的上升沿来到时开始计数标准脉冲的个数，直到电网信号的下一个下降沿来之后才停 止计数。此时根据得到的标准脉冲个数，经过计算之后可以得到此时电网中的实时频 率。 此时我们需要注意电网中产生的信号是模拟信号，而我们是利用f p g a 来测频率 的，模拟信号需要转化为数字信号后才能输入到f p g a 中，才能完成测频操作。 转化电路如图2 2 1 所示，u f 为电网中的电压，经过转化电路之后输出的电压f 5 0 i 为数字信号，可以直接被送入f p g a 进行计数操作 第2 1 页 2 系统设计方燕 硕士论文 i ll ； ：l l舛： l l llll l l； ll l llll l+ l 拇 ；jl! 袋笠l i l 姆 ll |l i； lf! l 一： l ；i i髓 翻l l 健掰r | i ph_ 。lln l l 1 5 l 屈 苷如慧 ll ：i ll !l 、 l 】b 1 ii ；3l * 、，二一ll l li 、i 7 i 戏 一 巧赶 ll1 丫 蚕 j m ：l l 羹 l 。，一、 羹 1 ，一l 。幸l i1 d 菖 扣 ：= 2 鲫f 蹲一一。 终； - _ _ _ 卜卜 靴， 一 h _ - l 一0 1 柑 f 叶ifi 删，f l! h il l 西j ： 1 珂 ； i 翁口tl ，l j 擎；1 !l ： l | ll 日黼l ll l jl 图2 2 l 频率比较电路 2 2 7 遗、激发测量模块 该模块主要是利用土文介绍的温、湿度传感器s h t 7 x 来完成的，图2 2 2 绘出了 s h t 7 x 和系统连接的一个示意图： 2 4 - 2 5 v 匿复2 2s i i t t x 与系统连接示意圈 其体溯囊步骤弼- f = ( 1 ) 启动传送。先发出传送开始序列，这个序列是由s c k 高电平时，d a t a 为下降沿，在s c k 下一个离点平时，d a t a 为上升淞组成，如图2 2 3 所示： 鹭2 2 3 传送歼始浮列豕塞强 ( 2 ) 发布一组测量命令( 0 0 0 0 0 1 0 1 表示相对湿度r h ， 0 0 0 0 0 0 1 1 袭示温 第2 2 页 南京理工大学硕士学位论文 多功能电能现场校验仪的设计 度t ) 后，控制器要等待测量结束这个过程需要大约i i 5 5 2 1 0 m s ，分别对应 8 1 2 1 4 b i t 测量。确切的时间取决于内部晶振速度，最多有1 5 的变化。s h t 7 通过 下拉d a t a 至低电平，表示测量的结束。控制器在触发s c k 时钟前，必须等待这个“数 据备妥”的信号。 ( 3 ) 接着传输2 个字节的测量数据和一个字节的c r o 奇偶校验。控制器需要通过 下拉d a t a 为低电平来确认每个字节。 用c r c 数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用c r c - 8 校验，控制器可以在测 量l s b 以后；通过保持确认位高电平，来中止通讯。 图2 2 4 给出一个完整的测量时序，控制器发送的测量命令是湿度测量命令： 开始传输地址位 o膏争，0 0 1 0 1 d a t a 甄爪爪 八厂、八八八厂、八八八 ： 篇笺嚣跺麓 t 啦湿度位篱箍 电平时，开始传输嗣t 敦挥一一 鞴粟硼i - 二几几几几 ： 栅hl o woi o9l吐 ，6， 321o诎 图2 2 4s h t t x 完整测量时序图( 不含数据校验) 得到测量值为0 0 0 01 0 0 1o o l l0 0 0 1 = 2 3 5 3 = 7 5 7 9 r h ，具体计算公式详见 参考文献 9 1 在实际程序编写中，我们需要利用普通i o 口模拟时序，用来读取测量值，比如 模拟传送开始序列( 控制器用p 3 1 9 和p 3 2 4 两个i o 口来模拟时序) ： # d e f i n es c lo x 0 0 0 8 0 0 0 0 p 3 1 9 # d e f i n es d ao x o l 0 0 0 0 0 0 1 1 p 3 2 4 1 0 3 s e t = s d a ：p 3 2 4 置高 1 0 3 c l r = s c l ：p 3 1 9 置低 1 0 3 s e t = s c l ：p 3 1 9 置高 1 0 3 c l r _ s d a ；p 3 2 4 置低 1 0 3 c l r = s c l ：p 3 1 9 置低 1 0 3 s e t = s c l ；p 3 1 9 置高 第2 3 页 2 系统设计方寨 硕士论文 1 0 3 s e t = s d a ：p 3 2 4 置高 其余揆羧辩痔懿覆澎霹虢粪接写爨。 2 2 ，8 通讯模块 该模块包括r s - 4 8 5 避讯模块、r s - 2 3 2 通讯模块、s p i 通讯攥块。 ( 1 ) r s - 4 8 5 遁讯模块 r s - 4 8 5 为半双工通信标准。在该祭统中，r s 一4 8 5 通讯方式燕鼹配合电能校表模 块使用，用予待测电表与系统之间的通讯，可以用来读取待测电袋盼度数 鬈图2 。2 5 瑟忝，营毙我爨裂震竞耩合芯冀霉臻s 2 l l 将嚣零分痿号锈瑾疆薅，保 证了电路的安全性，防成由于外部输入过高的电蓬，烧毁电路，保证了系统的安全。 同时也防止信号发生串扰。 鹜2 2 5t l p 5 2 1 一l 竞藕合壤路 目前电袭内所用的电平标准为4 8 5 电平，而下佼机系统使用的是t t l 电平，两者 不兼容，需要进行一定的转换，如图2 2 6 所示，芯片s n 7 5 1 7 6 a 完成了4 8 5 电平和 程l 电乎掇驻转纯豹功缝，傻霉电表秘下整辊系绕缝够正常逶谖。 lllillll llllill 镉2l lijl 甜箱甜5 1 7 酏lj w c s ii 日l nl d i r c s3l dei0c 矗；i1i l 【l lli2 r eb l 群501 llll ”。觏麟+ g i 鼙一 | r 艘4l 蚤繇d l5 ：ll ll 嚣x d 譬l ! 鬟 + 矧 lll lii：lli li ll il lliiii 图2 2 64 8 5 - - t t l 电平转换电路 结合灏2 。2 5 羁图2 。2 6 我镌可以知道，要完成下经壤系统秘毫表斡遥避( ；乏下位 枫系统扶电表孛读取数据为铡) ，需簧完成两个步骤。首先，电袭中豹信号t x d s 需要 经过图2 2 7 所示的电平转换电路变为下位机系