（电气工程专业论文）微机控制柴油发电机组试验系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 摘要 为了适应保温运输的要求，提高保温运输设备的技术性能，保证设备可 靠运行，就必须对保温车的核心部件“柴油发电机组”的性能和参数进行全 面科学的考核测试。本文所研究的试验系统适用于保温车柴油发电机组作空 载及负载试验，可实现实时记录储存时间、工况、热工参数、电参数。能够 满足保温车柴油发电机组段修试验的要求。 论文第一章叙述了研究柴油发电机组试验装置的必要性和研究的主要内 容。 论文第二章和第三章研究了柴油发电机组试验装置的系统方案，设计了 负载主电路和控制电路。 论文第四章设计了试验系统的测量电路，论述了测量电路的工作原理和 参数选择。 第五章论述了试验装置微机测控系统的组成，设计了微机测控系统的硬 件电路。 第六章对微机测控系统的控制测量软件进行了设计，并给出了试验结果。 最后对所研究的柴油发电机组试验系统进行了总结。 关键词：柴油发电机；微机测控；l a b w i n d o w s c v i 嚣戆交遴犬学域土疆突生攀位淹文 募l l 夏 a b s t r a c t i tm u s tt e s tt h ep e r f o r m a n c ea n dp a r a m e t e ro fk e yp a r t d i e s e ld y n a m o f o r t h er e q u i r e m e n to fh e a tp r e s e r v a t i o nt r a n s p o r t i tc a ni m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f h e a tp r e s e r v a t i o ne q u i p m e n ta n dk e e pt h eh e a l t ho fe q u i p m e n t t h ee s s a yi s a i m e dt ot h ee x p e r i m e n ts y s t e mt oh e a tp r e s e r v a t i o nd i e s e ld y n a m oi nf r e el o a d a n df u l ll o a d + i tc a nr e a l i z er e c o r d i n ge l e c t r i cp a r a m e t e r ，h e a tp a r a m e t e r ，m e m o r y t i m ea n di nr e a l t i m e t h es y s t e mc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n to f t e s ti nd i e s e l d y n a m o m a i n t a i n c ed e p a r t m e n t t c h a p t e r ld e s c r i b e st h en e c e s s a r yo fd i e s e ld y n a m ot e s te q u i p m e n ta n dt h e c o n t e n to ft h er e s e a r c h + c h a p t e r2a n dc h a p t e r3 a l ea b o u tt h es y s t e ms c h e m e + t h e r ei st h ed e s i g no f t h em a i nl c a dc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t c h a p t e r 4i n t r o d u c e st h et e s tc i r c u i to ft h e s y s t e m a n di t s o p e r a t i o n f u n d a m e n t a l ，p a r a m e t e r s c h a p t e r5 c l a i m st h ec o n s t r u c t i o no ft h ep ct e s t s y s t e m a n dd e s i g n 氇e h a r d w a r ee i r c u i t c h a p t e r 6 d e s i g n st h es o f t w a r eo f p ct e s ts y s t e m ，t nt h ee n di tg i v e st h er e s u l t 。 f i n a n y , t h ep a p e rg i v e st h es u m m e r y o ft h ed i e s e ld y n a m ot e s ts y s t e m 。 k e y w o r d s ：d i e s e lo i ld y n a m o ；c o m p u t e ri n s p e c t i o n ；l a b w i n d o w s c v i 鞭寿交遴大学礤士研究擞学控谂文萋l 蔓 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着铁路运输对保温车需求擞的增加，对保温运输也就提出了更高的要 求，为了逡应保滚运输的要求，撼褒傈濑运输设蠢的技术性能，保迁设餐可 靠运行，就必须对保温车的核心部件“柴油发电桃组”的性能和参数进行全 面科学的考核测试。 由于柴油发电机组有多种规格型号，而且每次试验必须满魑对任意一种 规格和多种规格的机型同时进行试验的要求，同时又必须保证得到准确的试 验参数和便于揉襻，因诧对试验系统提出了缀高的要求。为了髓准确全两的 测试出柴油发电机组的性能指标参数，试骏装置需采用计簿机控制。 本文研究静试验系统淹霜予保温车柒潴发电祝组作空载及受藏试验，并 可实现实时记录储存时间、工况、热工参数、电参数、工时，可实现工况控 餐、冷帮承泾整撩、掇警控毒l 纛捧瓿，这些参数郄麓由计舞辊器幕窝控穰柜 仪袭两种方式显示，试验数据由打印机输出或磁盘保存。 1 2 论文的主要工作 1 可调负载电路的设计 该负载电路苓毽能渍贬柴涵发毫援缀额定受载试验戆要求， 嚣虽麓够改 变负载的大小。 2 。测霪系统的磅究； 测量系统包括温度测爨、压力测量、时间测缀、转遮测量、电压测麓、 电流溅量、功率测蹙、功攀因数测量。辩予多种傣号要网时实理手动测爨和 计算机自动测量，首先要将这些信号转挽藏便于计算机采集的电信号。在研 究道程中针对不同的信号，采用不同的方式将其转换统一的电信号，劳遮用 一赡相应的补偿和校正措施来提搿测量精度，班保证测量系统满足试验台的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 测量精度要求。 ( 1 ) 、对热工参数的测量和处理 压力测量： 采用压力传感器进行压力测量，为了提高测量精度，在选用高精度传感 器的同时，在信号的传输过程中还增加了抗干扰措施。 温度测量： 湿度测量根据测量要求分两类进行，对一般的对温度测量要求不高的位 置，采用常用温度测量装置进行测量，利用温度传感器检测温度信号，将信 号放大处理后送至计算机，由计算机储存显示，并设定相应的控制。对于汽 缸和排气温度测量采用高精度的红外线专用测温装置进行测量。 转速测量： 在本系统中柴油机的转速与同步发电机输出电压的频率有着严格的对应 关系，为了简化测量，本系统采用测频法来测量柴油机的转速。 ( 2 ) 、电参数测量： 电压测量： 电压测量主要有发电机电压和各路负载电压，测量时分两部分进行，一 部分是直接用数字电压表测量显示，另一部分是通过电子技术隔离取样送至 计算机进行数据储存及显示控制。 电流测量： 电流测量主要有发电机总电流和各路负载电流，测量时首先是利用电流 互感器将大电流信号按比例取样，送至电流表显示，同时再将取样电流信号 送至计算机处理。 功率测量： 功率测量采用同时将电压信号、电流信号送至功率表进行测量，并将此 信号取样送至计算机处理。 功率因数测量： 由于柴油发电机组是一个独立的供电系统，因此对功率因数的测量要做 到尽量准确。针对该机组的功率因数测量研制开发了专用的单片机功率因数 n u - r ，它是一种智能性的测试仪，能更准确的测试出该机组输出电能的功 率因数。 3 数据处理系统的研制： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 数据处理系统的研制必须要实现以下主要功能： 完成对所有测量信号的采集处理： 完成对测量系统的故障识别，并发出报警信号： 为了实现以上功能，系统高性能的艾雷斯工作站，并研制开发相应的软 件来实现系统的数据处理功能。 4 数据输出及控制系统的研究： 该系统要实现柴油发电机组各种试验数据的输出处理，包括显示、打印、 储存。通过这些数据对机组负载进行调节控制。其控制方法是分级对机组增 加负载，每级以5 a 和1 0 a 为最小级数进行组合。以满足试验工况分别为0 2 5 额定负载、5 额定负载、7 5 额定负载、8 5 额定负载、1 0 0 额定负载的试验。 其方法是通过计算机数据输出、控制相应的继电器接通相应的负载电阻进行 额定负载的组合。 试验装置能对八台柴油发电机组配置的相应负载柜进行独立调节。因此 试验装置可同时对八台柴油发电机组进行空载试验和负载试验。 该系统无论是在硬件设计和软件设计上都留有充分的接口余量，以便以 后增加需要的测量控制功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章柴油发电机组试验系统的构成 2 1 试验系统的功能 功能 根据柴油发电机组段修规程的要求，所研究的试验系统应具有下列主要 1 可同时对8 台柴油发电机组进行空载试验和负载试验 2 可按试验要求对负载进行手动或自动( 计算机控制) 有级调节，负 载大小分别为0 2 5 额定负载、5 0 额定负载、7 5 额定负载、8 5 额定 负载、1 0 0 额定负载。 3 能控制试验时间，通过计算机程序可设定每个工序的试验时问、并可 将相应的试验参数进行记录储存。 4 能对热工参数进行测量 ( 1 ) 柴油机机油压力，测量范围：0 1 m p a 。 ( 2 ) 柴油机冷却水温度，测量范围：0 5 0 0 。 ( 3 ) 柴油机转速，测量范围：0 3 0 0 0 转分。 5 能对电参数进行测量 ( 1 ) 发电机输出电压电压，测量范围：o 一5 0 0 v ( 2 ) 发电机电流，测量范围：o 1 5 0 a ( 3 ) 发电机功率，测量范围：o 2 0 0 k w ( 4 ) 负载功率因数，测量范围：0 1 1 疆枣交涟大学联磅究难学位论文繁5 蔓 6 测量结果可用仪袭显示。也可由计算机逃行处理后进行屉示和打印。 2 2 试验系统的结构框图 试验系统的结构图如图2 - 1 所示：它主要由两大部分构成。 l 。圭懿系绞 主机系统由柴油机、发电机及负载檄组成。在这个系统中，柴油机带动 发电辊发电，电黢送至受竣挺，避过调节受载挺蕊受载可改变紫淫枧秘发电 机的功率。 2 。参数测量系统 参数测量系统由传感器、交送器、接口电路、计算机和控制输出电路组 成。它完成对主机系统的测量和控制，并将完成测量控制数据的处理和输出。 柴油机吲发电机 = = = 爿负载柜 介。 介 。k 介 l , 7 。 数 控制 惮如l 刊篱p 搀 输 冷 摄示 出、 存储 网2 - 1 试验系统的结构图 2 3 试验系统的组成 1 计算机测控系统： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 计算机测控系统主要有工控机、打印机、a d 转换电路、d a 转换电路、 开关量输入输出电路、计时电路等组成。其主要作用是对柴油发电机组进行 工况控制，对试验数据进行检测、处理及打印输出。 2 数字仪表测量系统： 数字仪表测量系统主要有各种数字仪表组成( 包括：数字电压表、数字 电流表、数字温度表、数字压力表、数字功率表、数字转速表等) ，其主要作 用是对柴油发电机组试验过程中的试验数据进行测量和显示。 3 传感器与变送器： 主要有压力传感器与变送器、温度传感器与变送器、电压传感器与变送 器、电流传感器与变送器转速传感器与变送器等组成，其主要作用是实现对 压力、温度、电压、电流、转速等物理量的测量，并能满足测量仪表、计算 机对被测信号幅值性质的要求。 4 负载系统： 主要有电阻负载、电感负载、接触器、转换开关、电流互感器、熔断器 及输入输出端子等组成。其主要作用： ( 1 ) 给柴油发电机组旌加负载： ( 2 ) 通过交流接触器的接通与断开来改变柴油发电机组的负载大小； ( 3 ) 通过转换开关将负载从四台机组切换到另外四台机组； ( 4 ) 将柴油发电机组的电压电流信号送到控制与测量系统。 蘧囊交邋大学磺士疆究嫩学位论文 第? 炙 第三章柴油发电视组试验系统的测量毫路 3 1 柴油发电机组试验系统中的测量电路构成框图 测量电路构成框图如图3 1 所示，主要由测屋仪器以及各类传感器、变 换爨等组成。其中溅量仪器包括：压力表、温度褒、转速表、魄压表、电滚 表、功率袭、频率表，而传感器、变送器包括：温度传感器与变送器、压力 传感器与变送器、转速健感器、嗽压传感器与变送器、暾流传感器与变送器、 功率传感器与变遴器、频率传感器与变送器。 图3 - i 测量电路构成框图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 3 2 电压检测电路 电压在柴油发电机组运行中是基本的物理量，它的测量对柴油发电机组 功率的计算以及过电压保护等具有重要作用。在检测系统中，我们设计了电 压变送电路，输出为双路电压信号，一路输入数字式电压表直接显示，另一 路送入计算机由a d 电路采集。电压变送电路采用了运算放大和有效值转换 电路。其中有效值转换电路采用内含缓冲放大的a d 7 3 6 芯片，用于实现对交 流电压信号的整流和有效值转换，运放采用高精度的o p 0 7 ，用于对转换后的 直流信号作进一步放大处理。 柴油发电机组输入电压作为被测量送入j 1 端，此时的电压为3 8 0 v 的单 相正弦交流电压。该电压输入到电压互感器原边，由互感器变换后在副边得 到低电压信号，该信号经采样电阻采样后作为输入信号输入到有效值变换电 路( 该电路采用集成有效值变换电路a d 7 3 6 ) 。a d 7 3 6 的内部工作原理为，首先 对输入的交流信号实现全波整流，再通过偏置电路和有效值计算电路进行有 效值转换，输出的信号为输入信号有效值大小的直流电压信号。考虑到柴油 发电机组输入电压的量程和对计算机数据采集电平的要求，应保证在选择互 感变比时，输入电压达到最大时变换输出不超过2 0 0 m v ，因此我们在a d 7 3 6 的输出端得到的是在o 、2 0 0 m y 范围变化的直流信号。检测系统采用的a d 转 换电路有效输入电平为0 到2 v ，这样就可以选择比例放大系数为1 0 的同相 放大对信号作进一步的放大处理，运放o p 0 7 的就是为了完成此功能而设置 的，它具有高精度、低漂移、动态特性较好等特点。图3 2 为电压有效值变 换电路图。 图3 2 电压有效值变换电路 电路中a d 7 3 6 的接线采用的是确实计算有效值电路，即输出6 脚与3 脚 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 c ，用电容连接，5 脚c 。p 与4 脚v 。之间用电容连接。o p 0 7 的输出端反馈电阻 为可调电阻，用于对输出电压的微调，j 2 端的输出即为0 到2 v 的标准直流 电平，可作为计算机电压检测a d 采集的输入信号，也可作为数字式电压表 显示信号。电路设计实现了在柴油发电机组电压检测中为仪表与计算机虚拟 仪器同时提供检测数据的功能。 3 3 温度检测电路 温度是柴油机运行中的一个重要参数，如温度超出极限值则影响柴油机 的正常工作。温度检测电路的就是为了检测柴油机运行时各部件的温度而设 计的。 温度传感器是温度检测的主要器件，它是利用一些金属、半导体等材料 与温度有关特性而制成的，这些特性包括热膨胀、电阻、磁性、热噪声和光 学特性等。常用的传感有热电偶、热电阻和集成温度传感等。其中集成温度 传感具有体积小、热惰性小、反应快、测量精度高、稳定性好和价格低等特 点，因而获得了广泛的应用，该系统采用的传感为集成温度传感a d 5 9 0 。它 是一个两端件，主要特点为： ( 1 ) 线形电流输出：1ua k ，正比于绝对温度： ( 2 ) 使用的直流电压范围比较宽( + 4 v + 3 0 v ) ： ( 3 ) 温度范围宽( 一5 5 + 1 5 0 0 c ) ，精度高( 1 。c ) ； ( 4 ) 输出阻抗高( 7 1 0m q ) ，受传输压降影响小； ( 5 ) 功率需求比较低( 1 5 m w ，5 v ) 。 由于a d 5 9 0 这些特性，在柴油发电机组温升检测中能够实现较高的温度测 量要求。a d 5 9 0 集成温度传感的基本用法是与一个电阻和电源连接，它将电 流信号变为电压信号输出，在电阻上得到正比于温度的电压。如将几个a d 5 9 0 与电阻串联则构成最低温度检测电路，从电阻上取得的电压输出反映的是最 低温度。如果把几个a d 5 9 0 并联使用，则可构成平均温度检测电路。电路原 理图如图3 - 3 所示。 薅寿交遴大学硬蝴究嫩学垃沦定 第l8 攀 低 黧3 3 瀑疫乎均蓬、最低毽的测量 下面分析采用a d 5 9 0 温度传感的柴油机温度测量信号变换电路。a d 5 9 0 上接入一个大于+ 4 v 螅电瓣蓐，其埝出电滚正比予绝对瀵废。0 0 c 滋度孵，竣 出电流为2 7 3 2 “a ，温度每变化l o c ，输出电流变化1ua ，a d 5 9 0 的输出通 过l o k q 电阻变为电压信号，其单位为1 0 m v o c ，因0 。c 时1 0 k q 的电阻上已 有2 7 3 2 v 的电压输出，所以必须设置一偏置电压使0 。c 时输出电压为零，这 样当a d 5 9 0 的环境温度大予0 0 c ，展示芷的温度数值；环境温度小于0 0 c ，显 示负豹温度数值。图3 - 4 为a d 5 9 0 温度测量信号变换电路胬，电路的鏊本设 计思路为，精密电压源m c l 4 0 3 输出标凇2 v 电服再由运算放大调节后作为 a d 5 9 0 的镶置电隘，使a d 5 9 0 在0 0 c 酵输出电蓬为零，输蹬的漱度信号豳两 级跟随电路输出。 g n d 蓬3 - 4a d 5 9 0 滋发溅警售等交揍毫貉 a d s 9 0 的输出经运放u a 7 4 1 缎成的跟随进行变换阻抗后，一路给数字式 西南交通大学硕士研究生学位论文第l1 页 温度表提供显示信号，一路送入计算机数据采集电路。 3 4 转速检测 由于同步发电机的电压频率和转速有严格的比例关系，因此由电压的频率 也可得到柴油机的转速。 系统对转速的检测包括了转速表的显示和计算机的采集，传感输出的电 压方波信号经功率放大后分为两路，其中一路给数字式转速表提供转速脉冲， 经表内单片机处理后通过译码显示电路显示，另一路信号送入频率时间测量 计数板，该板主要由晶振、分频电路、计数7 4 l s 3 9 0 和数据锁存等构成，可 以对外部脉冲进行计数，也可以由2 m h z 晶振产生计数脉冲，对外部信号进行 计时，此时的信号脉宽测量精度较高。该板为直插式d a q 板，计数得到的数 据通过p c 总线送入计算机，数据通过应用程序计算处理后直接显示出电机的 转速，并可根据转速的变化情况进行相应处理。 3 5 功率因数测量 系统采用了功率因数测量电路来检测柴油发电机组负载侧的功率因数。 电路原理图如图3 5 所示。 图3 - 5 功率因数测量电路 d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 k 丁 m 。 ： ： ： ： r n 。 ： ： r 广广。 图3 - 6 功率因数测量波形原理图 该功率因数测量电路是通过相位比较法检测出电机电压和电流的相位 差，由计数对频率脉宽和相位脉宽计数，然后比较计算得出功率因数值，这 里使用的变换电路具有波形变换和比较功能，电路中的u 和1 分别为电机电 压和电流经互感变换后的交流电压信号，其中i 是电流通过采样电阻得到的， 这两个输入信号具有一定的相位差，带有相位信息。 运放o p 0 7 在这里作为电压比较使用，作用是把正弦信号变换为较为严格 的方波，变换得到的方波上升沿时间极短，而且仍然保持了正弦信号的相位 差大小。其中路u 信号直接输出后到计数计数，得到的是周期数值另一路 方波u 信号和i 信号经稳压管稳压后送入集成电路与门7 4 l s 0 8 ，与门的输出 为两者的波形叠加后的相位差信号，再将相位差信号送入计数计数，得到相 位差数值和周期数值计算比较，就可以得出功率因数的大小，其原理波形图 见图3 - 6 。 从图中分析可知，得到的输出信号宽度实际上是一个周期减去相位差， 计数器对这个宽度计数精度可达到1 旷5 秒，完全可以达到功率因数计算的要 求，通过计算得到相位角的大小即可得出功率因数。 检测电路电路还包括了电流检测、功率测量等电路，实现了对柴油发电 机组和负载系统各类参数的检测。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l3 页 第四章微机测控系统的硬件设计 4 1 柴油发电机组试验装置的微机检测 柴油发电机组试验系统具有数据处理量大、非线形强、结构较为复杂的 特点，需要对柴油发电机组各类参数的瞬时值进行测量和处理，因此一般的 微机控制系统不容易实现高效处理和交互操作的控制要求。作者构造了利用 工业控制计算机( i n t e r l p i i i 微机) 和虚拟仪技术结合的控制方式，试验数 据一方面通过仪表进行测量显示：另一方面由计算机采集、处理，同时应用 虚拟仪技术对各类数据进行可视化模拟分析，将各类结果通过屏幕显示和进 行存档、打印等。在系统中采用高配置的工控机来完成大量的运算和可视化 分析处理，即虚拟仪系统。系统弥补了单纯仪仪表显示记录的不足，体现了 在数据处理方面的强大优势，同时采用虚拟仪语言编写程序，集成化的调试 环境有利于对系统的调整和扩充。 基于以上分析，系统采用了两路检测设备。一路由测量仪仪表构成，另 一路由外围传感电路和计算机构成，并由计算机实现基本控制，这样就组成 了仪表和计算机优势互补的测控系统。 4 2 虚拟仪器系统结构 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是现代计算机技术和仪器技 术深层结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。它 包括了硬件和软件两个基本要素。硬件主要用于获取被测信号，而软件用于 将不同的硬件构成一个用计算机统一操作的仪器系统，同时定义仪器的功能。 在测控系统中，虚拟仪器将远端测控设备和计算机资源相结合，实现数 据采集、运算处理、结果显示三大功能，使用者用鼠标或键盘操作虚拟仪器 面板，就如同在使用一台专业测量仪。虚拟仪器的出现模糊了测量仪器与个 人计算机的界线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 虚拟仪的硬件平台由两部分构成： ( 1 ) 计算机 一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心。 ( 2 ) i o 接口设备 它主要完成被测输入信号的采集、放大、a 0 转换等功能。同时根据总 线和i o 硬件的不同又分为不同的仪器类型。虚拟仪器主要有5 种构成类型， 即p c d a q 系统、g p i b 总线仪、y x i 总线仪等，如图4 1 所示。 其中p c d a q 系统为插卡式仪器，即采用计算机总线的数据采集卡板 ( d a q ) ：g p i b 系统是采用g p i b 标准总线的仪系统：v x i 系统 叫p c d a q 系卜 呻lg p i b 系统j 卜 i 被测信号卜_iv x i 系统卜 _ 叫p x i 系统卜 一串口系统j i o 接口设备 图4 - 1 虚拟仪器结构类型图 是采用v x i 总线的仪系统；p x i 是采用p x i 总线与计算机组成的仪测试系统： 串口系统包括了各类串行口总线的仪，如r s - 2 3 2 标准串口仪等。 虚拟仪器软件结构由两大部分组成。 ( 1 ) 应用程序 应用程序包括了两个方面，即实现虚拟仪器面板功能的面板软件程序和 定义测试功能的流程图软件程序。 ( 2 ) i o 接口驱动程序 i o 驱动程序主要用于对外部设备的扩展、驱动与通信。虚拟仪器的软 - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - _ - 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第l5 页 件开发工具主要有文本式编程语言如l a b w i n d o w s c v i 和图形化编程语言如 l a b v i e w 等。 4 3 微机接口电路 微机接口电路用于实现检测信号的采样和对外围设备控制等功能。这些 接口包括了a d 转换、d a 转换和i o 并行口，计数接口和串行通信接口等， 接口电路与计算机一起构成了系统的控制单元。 4 3 1 a d 转换接口 模数转换a d 接口是将经过变换电路变换的系统电压、电流、温度、转 速等模拟信号转换为数字信号送入计算机。目前使用的电压一数字a d 转换电 路如逐次比较型a d 转换，特点是电压瞬时比较，转换速度快，但抗干扰能 力差，比较典型的电路如a d c 0 8 1 6 等；双积分型a d 转换，转换速度较慢， 但响应模拟电压的平均值，转换精度高，而且抗干扰能力强，特别适用于电 磁干扰较强的检测系统，典型电路有m c l 4 4 3 3 、i l c 7 1 3 5 等。 本系统使用的模数转换a d 接口为采用i c l 7 1 3 5 集成电路芯片的转换电 路。在采样时间为8 0 n s 时，数据的刷新速度为1 2 5 k h z ，可以提高对5 0 h z 工 频干扰信号的抑制能力。图4 2 为模数i l c 7 1 3 5 的接口电路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l6 页 图4 2柴油发电机组检测系统a d 转换电路 i c l 7 1 3 5 为双积分型a d ，它是在单极性参考电压( v r 。f ：1 v ) 供给下，对 双极性输入的模拟电压进行a d 转换，并输出自动极性判别信号，它采用了 自校零技术，可保证零点在常温下的长期稳定性。芯片内部集成了积分、比 较、过零检测和同步脉冲形成等模块电路，并具有过欠量程判别和启停控制 等功能。 i c l 7 1 3 5 采用动态字位扫描b c d 码输出方式，即万位到个位的b c d 码轮 流出现在b 。、b 、b 。、b 端上，d 。到d 为字位选通输出，分时选通输出各位数 据。系统采用的数据采集卡为1 6 路通道模拟输入，由多路选择开关4 0 5 1 分 时选通输入i c l 7 1 3 5 ，由于7 1 3 5 的单次转换时间约为0 6 秒，因此在编写多 路数据采集控制程序时，应考虑适当的操作延时。采集数据时，首先由计算 机p c 总线输出通道号控制字到4 0 5 1 ，两片4 0 5 1 级联即可实现1 6 选l 的功 能，此时相应通道模拟信号送入7 1 3 5 输入端，集成电压源m c l 4 0 3 为7 1 3 5 提供精准参考电压v m ，振荡电路n e 5 5 5 给采集电路提供数据采样频率。输 入信号经过转换后由输出为4 位半b c d 码，它的万位到个位经字位选通后， 每一位由b s 、b t 、b z 、b - 端输出，输出的数据经八总线收发7 4 l s 2 4 5 进入数据 总线，另外欠量程u r 、过量程o r 和极性p o l 信号也进入b u s 总线。字位选 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 通信号d 。到d 。经过反相7 4 l s 0 4 输出后作为片选信号选通数据寄存7 4 l s l 7 3 ， 从而将各个字位的数据和过欠量程信号等锁存和分时输出到p c 数据总线， 再由程序对各个位叠加计算后得出最终的转换数据。 图4 3 表示d 。到d 字位同步扫描信号输出的波形，它与b c d 码输出配 合可以组成多种形式的数据输出，以供显示或计算机系统采集数据之用。此 外，利用i c l 7 1 3 5 的过量程o r 和欠量程u r 信号可以方便地组成量程自动切 换电路。 图4 - 3i c l 7 1 3 5 字位选通信号时序图 4 3 2 t ) h 转换接口 系统的d a 转换接口是为计算机数据采集通道巡检而设置的。计算机通 过d a 转换接口输出指定大小的模拟信号，信号逐一送入各信号采集通道， 此时各路外部检测信号是与通道隔离开的，这样，计算机通过采进模拟信号 来判断各信号路是否工作正常。 通常使用的d a 转换芯片就是将t 型电阻网络、双向开关和某些功能电 路集成在一块芯片上。从性能来看，有通用的d a c 0 8 0 8 系列( 8 位，转换时 间0 1 5us ) ，高速d a c 0 8 0 0 系列( 8 位，o 1 5us ) ，高分辨率的d a 7 5 4 6 系 列等；从应用角度来看，有可选择电压极性的a d 7 5 2 4 和带有输入锁存的 d a c 0 8 3 0 系列等。由于基本功能相同，因此芯片管脚配景相似，都具有数字 输出和模拟输入端。d a 芯片的输出方式常为电流输出型，若要获得电压输 西南交通大学硕士研究生学位论文第l8 页 出，需在芯片外设置输出电压放大，不过一些高性能芯片如d a c 0 8 11 等将这 部分电路集成到片内，从而简化了接口电路。 系统采用的d a 转换接口卡为8 位4 路d a c 0 8 3 2 电路。每路芯片的工作 原理相同，图4 - 4 为单路d a 转换接口原理电路。 图4 4 系统检测d a 转换电路 对电路分析可见，通过x db u s 数据总线输入的数字信号进入数据口d 。 到d ，选通信号由寄存7 4 l s 3 7 3 给片选端c s 和传送控制端x f e r ，由于0 8 3 2 自带两个内部寄存，因此数据可以直通。m c l 4 0 3 给芯片提供标准电压输入与 0 8 3 2 的r 一2 r 网络连接。d a c 0 8 3 2 是并行d a 转换，它具有两个数据输入缓冲 区，当寄存命令l e 低有效时，数据锁存，不再随x db u s 数据总线上的数据 变化，当l e 端为高电平时数据输出。经过d a 转换后，d a c 电流由i 。，和i 。 端输出，经直流放大转换后变为模拟电压输出，反馈电阻r 。，用于保持输出电 流的线形度。在系统的实际应用中，d a 接口卡上的3 路模拟电压输出分别 用于对三组柴油发电机组装置的检测电路提供巡检信号。 4 3 3 开关量i 0 接口 开关量i o 接口主要用于计算机向检测装置送出控制信号或从装置接 收电平，如控制调压继电组和转换开关动作等，i o 信号的高电平“1 ”约为 5 v ，低电平“0 ”约为o v ，因为开关量的高低电平是在一定范围内工作的， 疆素交遵大学疆士谚究燕学位谂文镶19 煲 因此它适用于对控制电压大小要求不严格的场合，适合简单信蟹控制的执行 单元，在砖控制髂号有严格要求敬系绞成用中，应使用d a 转换电路以输出 商精度的撩制信号。 系统采用的帮关量t 0 接口卡是由4 组总线数据输出输入电路构成的， 每组电路为8 位并行数据口，因此可以鲶理的控制信号慕有3 2 路。酃在作为 信号输出使用时，最多可豳计算机送出3 2 路电平信号到控制单元，而作为输 入使用对，可同时记录井部3 2 蹿电压信号的电平变纯。繇组开关量楚瓒肇元 包括了一块三态总线收发芯片7 4 l s 2 4 5 和一块数据锁存芯片7 4 l s 3 7 3 ，圈4 5 为其爱瑾擎元电鼹。蕙线渡发7 4 l s 2 4 5 究成总线数据囱舞输高酌功麓，输窭 信号具有一定的驱动能力，输出的高低电平作为外部电路的控制信号；锁存 7 4 l s 3 7 3 矮有舞部毫乎输入彝信譬镞存臻麓，崮诗算辊瀵遘逮疑总线逮疆对 其选通读数，在对一组数据读数时，其余数据锁存在片内，不会发生数据丢 失。多片7 4 l 5 2 4 5 秘7 4 l s 3 7 3 魏背选是盛3 线8 绞泽鹃7 4 l s l 3 8 寒完成瓣，8 路输出分别控制4 组芯片的片选，在检测系统中，应用多路开关量i 0 接口 霹娃方蠖遮实现嚣类基本接测功熬。 除以上接口外，系统还设置了用于电压频率和功率阂数检测的计数接口 曦路，熙予检溅数据远蠛转送鲶r s 一2 3 2 串行接1 ：3 电路镣。这些接口将检测 设备和控制中心造成一个拯体，舆有智能化和搿效率的特点，而且可以根据 系统功能的扩充藤不断扩展。 d o d l d 2 d 4 d 5 d 6 d 7 图4 - 5 开关爨i o 单元电路 谖鸯交遴大学嫒士磺究嫩学位谂文 繁2o 夔 第五章微枕测控系统的软件设计与实现 系统软件的功能燕将柴油梳的工俸状态和检测数罐婶信慰青h 戳赡理，生 艘控锈魄路所黉静控制信芍，并究残天嘏器甏熬绩意交羧，懿数据羹示、打 印等。软件完成的主要工佟畜：采集和显示各蹙褛叛傣弩，毽疆嚷压、溱流、 滠菠、转速等；输壅系统掰需瓣控稍稼弩，麴开荚萋i o 荣譬、d 盥巡捡蒗 号、系统撮警傣弩甓；辩数据邂行可裰健势橱瑷及垒袋纛攘 更嚣搡 髻平蠹帮 觳据楚遴圭界甏等。枣子系统涉及的参数变爨多、诗辫爨大，爨筵袋趱了盛 羧仪器编舔瓣赣伟滚诗方法，它霹戳实瑗数攒癸中曼嚣鞠窭簿楚瑾，遴聿亍霹 援像数撂分李蓐黪寇成蹇效、准确戆系缝控利。 善先耀遮软磐设谤静鞭理_ 耱基本方法。 5 。 虚掇仪器疲用较谗 我 】凌己缀分辑了攫攘坟器熬硬髂梅藏，粼在硬襻平台确定爱，仪器豹 功鼹要囱软停采完成。虚拟彼器软 孛可以由用户来定义仪器功糍，熨掰软传 帮霹扩袋系统，因她软锌怒虚掇致嚣鹣关键，较佟开发工具的选箨和运爝对 系统设计至燕熬要。 寝羧仪器编程语言l a b w i n d o w s c v i 怒荚黧n i 公司努发豹3 2 证露肉计算 机测控领域的软件开靛平台，它砸在多操作系统( 如w i n d o w s 9 8 n t 。u n i x 譬下遮静，京戳e 语富为孩心，褥灵活豹谣豢乎螽霸测控z 舆有撬绥含 ，并运用了集成仡并发平螽和交曩式编耩方法。为攀撵e 语蠢的开发入员提 供了一个强大翡秀发工兵。l a b w i n d o w s c v l 静蓥本特意慧：集箴纯舞笈繇境， 开发者霹懿遥效程序穰涣添嬲代磷丽秃需攀猿编译，觚裾使调试更加集中统 ；丰鬻静强形功髓，靛徉鑫繁番类鬻形控释，蠲户逡避谩甏控佟满往群霹 获褥嚣需静筏嚣姊蕊；强大鲍内部函数，毽据? 测控领域各炎褶蒺醋数释功 戆瓣投，获麓攀豹数学避羧到麓缀势撵涵数，必设诗畿建立测控系统旋供了 灌想豹软俸工瑟；瓣终连接秘麓，支掩瓣络协议胃戳必麟络、远程仪器歼发 西南交通大学硕士研究生学位论文第2l 页 提供手段以及具有用于快速样机开发的代码产生工具和内部编译器等。 系统软件设计充分利用了编程语言的特点，建立了包括柴油机发电机组 外围电路的虚拟仪器系统，该系统将检测和控制仪表、仪器通过用户面再现， 对数据集中显示和实时处理，通过鼠标和键盘操作即可获得全方位的检测信 息，并实现柴油发电机组系统控制和辅助分析。 5 2 控制量的输出设置 在柴油机检测系统中，控制量包括了大量的基本控制信号，如开关量的 输出与d a 自检信号等。前者属于逻辑电平，在输出时由程序提供接口控制 字而无需设置，后者为可以调节的信号变量，输出时还需要对其进行数据设 置。 5 2 1 开关量的输出 系统使用的开关量输出电路为3 2 路开关量i 0 接口，开关量的输出是通 过程序向接口电路送出控制字来完成的，控制字包括了两个部分，地址字节 和位字节，地址字节是接口卡的基地址加偏移量的数值，它对应了4 组开关 量信号的通道地址，因此通过它来选择不同的输出通道；位字节包含了开关 量的电平信息，它的字节为8 位，不同的位字节数据也就对应了8 路信号不 同的输出电平。下面我们以具体应用来说明，假设需要给一个4 只一组的继 电器组送控制信号，继电器控制端初始电平为低电平“0 ”，以基地址b a s e 为0 x 3 6 0 h 为例，则控制语句为： o u t p o r t b ( 0 x 3 6 1 ，0 x 0 f ) 从语句中可以看出，十六进制地址0 x 3 6 1 是在基地址的基础上加1 ，因 此它选择的是第2 路输出端口，相应第3 、第4 通道的地址应分别为0 x 3 6 2 和0 x 3 6 3 。位字节为十六进制数0 x 0 f ，转换为二进制数为0 0 0 0 1 1 1 1 ，从而向 4 一只继电器的控制端送出了高电平控制信号，如需要向多组继电器送出控制 信号则输出输出通道和改变位字节即可完成。表5 一l 为系统调压控制开关量 控制字表。 西南交通大学硕士研究生学位论文第22 页 表5 - 1 系统调压控制开关量控制字表 负i o 控制字( 基地址：0 x 3 6 0 ) 载d 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld o位值 百分 比 0 oo00o00oo x o l 2 5 000oo0llo x 0 3 5 0 oo0o0lllo x 0 8 7 5 oo00l111 o x o f 8 5 oooll 111o x l f 1 0 0 0ol1111l o x 3 f 此外，由于计算机和外围电路的上电电平是随机的，因此为了防止控制 单元的误动作，在系统程序运行时应先对各开关量进行复位，即向各个通道 送位字节o x 0 0 。在使用多块开关量i o 时，应注意各板的地址不发生冲突 并在计算机允许的i o 地址范围内。 5 2 2 d a 信号的输出 数模转换d a 信号主要用于模拟信号采集前的系统巡检，其目的在于检 查各信号采集通道是否能够正常工作。系统采用的是8 位4 路并行d a 转换 接1 ：3 ，工作方式为电压输出型，输出的最大模拟电压为5 v 。 f h 于检测系统a d 采集的输入通常为一不断变化的模拟信号，因此在系 统巡检时，要求要求d a 信号的输出也应为一变量，它的大小可以由程序设 置。在编写d a 转换程序时，可以通过转换数据的设置来调整输出模拟电压 的大小，它的具体设置方法为，首先计算出d a 转换的位权即最低单位模拟 电压的大小，然后用所需的输出电压除以位权即可得到对应的转换数据。以 系统采用的8 位d a 转换电路为例，转换的位权为： i 28 5 ( v ) = 1 9 5 ( m v ) 假如要输出2 v 的模拟电压信号，则转换数据应为1 0 2 ，将其转换为十六 进制数为0 x 6 6 。以基地址o x l 0 0 为例，则完整的输出语句为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第23 页 o u t p o r t b ( o x l 0 0 ，0 x 6 6 ) ： o u t p o r t b ( o x l 0 1 ，o x 0 1 ) ： 其中第一条语句用于输出转换数据，第二条语句选择o h 转换通道，此 处表示启动的是第一路d a 转换输出。在完成系统的d a 巡检后，如各信号 采集通道正常，就可以进行柴油发电机组常规检测了。 5 3 模拟信号的采集 检测模拟信号是包括各类检测数据如电压、电流、温度、转速以及系统 工作状态信号等。它是检测系统的主要数据来源，具有涉及参量多，数据处 理量大的特点，尤其在多台柴油发电机组同时工作时，往往需要采集几十路 模拟信号，因此需要设计合理的采集程序，以优化数据处理能力和提高系统 效率。 系统模拟信号的输入采用了1 6 路a d 转换接口，一块h o 采集卡可以同 时处理1 6 路模拟信号。在系统巡检正常后，外围电路传感器和变送器输出的 检测信号进入各采集通道，转换后由计算机读数并进行数据处理，最后得到 各变量数据的实际值。a d 采集软件流程见图5 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第24 页 软件运行后，首先对信号采集通道进行选择，不同的通道对应了不同的 检测变量和柴油发电机组。在通道选 择后，由d a 板输出自检信号对系统 进行巡检，如反馈信号正常，则启动 a d 采集程序，否则输出开关量系统 报警信号并显示相关通道故障信息， 以便操作人员进行故障处理。a d 采 集开始后，软件向转换电路提供转换 延时，然后由程序读数并进行数据处 理，包括屏蔽无关字节和进行b c d 码 到十进制数的转换等。如a d 采集完 毕，则将数据用于显示、存档、打印、 分析等操作，最后返回操作界面，否 则将数据暂存后继续进行采集。 软件启动a d 采集时，模拟输入 为1 6 路检测信号，由于i c l 7 1 3 5 a d 采集器不可能对信号同时进行转换， 因此写控制字时应设定通道号和多路图5 一ia d 采集软件流程 转换之间的延迟时间，以a d 扳基地址为o x 3 1 0 为例，如下为a d 转换和字 节处理子程序的相关语句。 b a s e = o x 3 1 0 ；设定基地址 o u t p ( b a s e 十4 ，o x 0 0 ) ；选通道号卜1 6 通道 t o = i n p ( b a s e ) ；读个、十位数据 t 1 = i n p ( b a s e + 1 ) ；读百、千位数据 t 2 = i n p ( b a s e + 2 ) ；读万位数据 w l = t o & o x o f ；w 2 = t o 4 ；取个、十位数据 w 3 = t l & o x o hw 4 = t 1 4 ；取百、千位数据 w 5 = t 2 & o x 0 1 ：取万位数据 d a t a = ( f l o a t ) ( ( 1 0 n g ) w 5 * l o o o o l + ( 1 0 n g ) w 4 * l o o o l + ( 1 0 n g ) w 3 * l o o l + ( 1 0 n g ) w 2 * l o l +