（模式识别与智能系统专业论文）电参量智能测量仪的研究.pdf

摘要 论文题目：电参量智能测量仪的研究 学科专业：模式识别与智能系统 研究生：许锦 导师姓名：李敏远教授 摘要 签名： 签名： 本文研究设计了一个电参量智能测量仪，分别从硬件、软件两方面介绍了智能电参量 测量仪的实现思想。系统的核心采用了单片机m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，研究主要内容包括：信号采 样、数据处理、上下位机通信以及相关接口电路设计。测量仪在测量时能够自动选择合适 的测量方法及量程进行测量，从而提高了测量精度并缩短了测量时间。在数据采集处理方 面，采用了准同步法，去掉了同步环节从而减小了同步误差对测量值准确度的影响，同时 采用一次加权复化梯形法减少了计算量。特别在针对高频信号测量时，采用等效一准同步 采样法，实现了使用低速率a d 对高频率信号采样。还讨论了被测信号测量频率、相位 差、电压电流有效值、有功功率、功率因数等电参量的原理及方法，并通过理论分析所 用方法产生的相对误差的大小以及影响相对误差的因素，再通过仿真验证后，提出相应措 施，对硬、软件进行改进。采用v i s u a lb a s i c 开发了上位计算机的通信界面。将 m o d b u s - - r t u 通信协议，嵌入于智能仪表中，实现上，下位机数据交换，便于实现远程测 量和控制。另外为了适应现场测量便于携带，本仪表采用铅酸电池供电，并且完成了系统 充电电路，使得仪表能够根据电池电量状态，自动进行充电或充电满断电。 关键词：单片机；电参量；智能测量仪；信号采样；同步 t i t l e ：s t u d yo nt h ei n t e l l i g e n c em e t e rf o re l e c t r i c i t y p a r a me t e r m a j o r ：p a t t e r nr e c o g n i t i o na n d i n t e l l i g e n ts y s t e m n a m e ：x uj i n s i g n a t u r e ：盗如 s u p e r v i s o r ：p r o f m i n y u a nl i s i g n a t u r e ： a b s t r a c t t h l s t e x td e s i g n e da nt h ei n t e l l i g e n c em e t e rf o re l e c t r i c i t yp a r a m e t e r , t h e b o t hs i d ef r o mt h e n a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n i n t r o d u c e da ni n t e l l i g e n c ee l e c t r i c i t yp a r a m e t e ra t e s ta n 1 n s t r u m e n to f d e s i g nt h o u g h t t h eh e a r to ft h es y s t e mi sm s p 4 3 0 s i n g l ec h i pm i c y o c o n e v a f em a 王n l ya s f o l l o w s ：s i g n a ls a m p l e ，d a t aa n a l y s i s ，c o m m u n i c a t i n gm o d u l ea n dp e r j p h e r a l i n t e r f a c ec l r c u i t b e c a u s eo faw i d ef r e q u e n c yr a n g ea n d a m p l i t u d ew i t haw i d er 锄g e ，w ew a n t t 0s a t l s f yt om e a s u r ea c c u r a c yh i g h e ra n dm e a s u r et i m ea sf a r a sp o s s i b l es h o r t ，m e s ta c h i e v e s a u t o 。g e a r i n g t h j sm e r ec o l l e c t s p r o c e s s i n ga s p e c t i nt h e d a t a ， u s i n gq u a s i s v n c h r o n o u s s a m p l i n g , t h r o w i n ga w a ys y n c h r o n o u sl i n kt ol e tu ps y n c h r o n o u se r r o rm a r g i nt ot h ei n f l u e n c e w 上1 l c n m e a s u r c sa na c c u r a t e d e g r e e ， i t t h r o u g h s t h eu s eo f c o m p o s i t et r a d e z o i d a l i n t e g r a t i o n , r e d u c e dt h ea m o u n to f c o m p u t a t i o n a d o p te q u i v a l e n t t i m e q u a s i - s y n c h r o n o u s s a m p l i n gw h i l em e a s u r i n gt oh i g hf r e q u e n c ys i g n a ls p e c i a l l y , c a r r i e do u tt ou s et h e1 0 w s p e e d r a t ea dt os a m p l et ot h eh i g hf r e q u e n c y s i g n a l i tg i v e st h em e a s u r i n g p r i n c i p l eo fs o m ee l e c t r i c p a r a m e t e r sa sf r e q u e n c y p e r i o d ，e f f e c t i v ev a l u eo fv o l t a g ea n dc u r r e n t ，a n d p o w e rf a c t o r i t a n a l y z e st h em a l nr e a s o n st h a tc a u s et h em e a s u r i n ga c c u r a c ya n d g i v e st h es o l u t i o n st 0t h e s p e c l t l cp r o b l e m so nt h eh i g hf r e q u e n c y t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o nt e s t t h e f e a s j b i l i t yo fi t s b e s i d e s ，i t d e v e l o p st h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo n c o m p u t e ra n d抽e c o m m u n l c a t l o np r o g r a md e v e l o p e db ym o d b u sp r o t o c 0 1 i no r d e rt o f a c i l i t a t et h ec a r r y i n g a n o t h e r , i ta d o p t i o n sr e c h a r g e a b l es e a l e dl e a d a c i db a t t e r y , a n dd e s i g nc h a r g i n gc i r c u i t ，a c c o r d i n g t ob a t t e r ys t a t u s ，a u t o m a t i c r e c h a r g e ，o rc u tt h ep o w e r 哪w o r d ：s i n g l ec h i pm i c y o c o ；i n t e l l i g e n c em e t e r ；e l e c t r i c i t yp a r a m e t e r , s i g n a ls a m p l e ： s y n c h r o n o u s i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 盗硌釉田年 了月如e t 学位论文使用授权声明 本人 诲弘 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：盗盥 导师签名a o o j t 年3 月a 占日 绪论 1 绪论 1 1 背景及意义 目前，工业市场呈现出更高电能利用率的趋势，这就要求不断改进对电源系统的监控。 电源的适当管理与分配对工业领域的节能与总体电源利用情况非常重要。在制定决策和确 保适当保护输电网与最终用户时，能够准确的测量电源的电压电流有效值和功率尤为重 要。而要测量这些值就要需要电参量测量仪。而传统的电参量测量仪却有很多不足，主要 表现在以下几个方面； ( 1 ) 进一步提高精度十分困难，动圈式仪表目前只能做到一级，自动平衡仪表结构 相对复杂，精度一般在o 5 级，若采用闭环结构虽可以提高精度但随之而来的却是结构相 当复杂，成本也会大幅提高； ( 2 ) 仪器的功能单一，进行综合测量时要携带多个仪器，操作人员工作强度大； ( 3 ) 没有通信功能，不能与计算机相互交流，实现远程测量和控制。 本课题研究的电参数智能测量仪可用于交流电压电流有效值、有功功率、无功功率、 频率等电参数的综合测量，并显示被侧信号的波形。采用液晶显示，读数直观、准确。并 且具有和计算机通信的能力，便于实现电参数系统自动化，具有广阔的市场潜力和发展前 景。 1 2 测量仪表发展概况 电参量测量仪是一种测量电压、电流、功率等参数的仪器，电参量测仪表的发展经历 了三个阶段。 第一代是指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表，这些仪表的基本结构是电磁 式、电动式、感应式、静电式等，由于这类仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性及 复杂性，一般精度较低，稳定性较差，应用场合有一定的局限性。但由于它的原理简单、 坚固耐用、容易生产、成本低，因而还在广泛使用。 第二代是数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将被测量模拟信号转变为数字信号， 进行计算并显示出来。这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测 量结果，而且可靠性高，易于使用。但电子线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化， 而且仪器的校准复杂。 第三代是智能仪器。所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微处理器来控 制数据的采集，并对数据进行处理。因此能够用软件的方法实现信息的采集、处理和存储， 大大简化了仪器的整体结构。这类仪器的硬件基础是采集技术和输入输出技术，而软件基 1 西安理工大学硕士学位论文 础在于采样数据的处理方法。同传统仪器相比较，其有如下特点弛1 ： ( 1 ) 测量过程的软件控制 计算机软件进入仪器，可以替代大量的逻辑电路。仪器在c p u 的指挥下，按照软件流 程不断寻址、取指、进行各种转换、逻辑判断，驱动某一执行单元完成某一操作，使仪器 的工作按照一定顺序进行下去，可以实现测量过程的高度自动化。另外，软件控制也带来 了很大的方便，当需要改变仪器功能时，只要改变程序即可，并不需要改变硬件结构。 ( 2 ) 测量数据的处理 对测量数据进行存储和运算的数据处理功能是智能仪器最突出的特点，它表现在改善 测量的精确度及对测量结果的再加工两个方面。在测量精确度方面，大量的工作是对随机 误差和系统误差进行处理。过去传统的方法是用手工的方法对测量结果进行事后处理，工 作量大，效率低，而且往往会受到主观因素的影响，使处理结果不理想。智能仪器中用软 件对测量结果进行及时的、在线的处理可以收到很好的效果，不仅方便、快速，而且可以 避免主观因素的影响，使测量的精确度及处理结果的质量大大提高。由于可以实现各种算 法，不仅可以实现误差的计算及补偿，而且对仪器中的非线性校准等问题也易于解决。对 测量结果的再加工，可以使智能仪器提供更多高质量的信息。可以对样本进行时域的( 如 相关分析、卷积等) 和频域的( 如幅度谱、相位谱、功率谱等) 分析，这样就可以从原有的测 量结果中提取更多的信息量。 ( 3 ) 仪器的多功能化 智能仪器的软件控制测量过程及数据处理功能使得测量过程中采集的数据，可由具备 不同测量功能的软件模块共享，一机多用的多功能化易于实现，这是智能仪器的又一特点。 ( 4 ) 仪器有联网功能 智能仪器可以通过标准的接口和上位机通信，接收上位机的指令进行相应的动作，响 应请求把数据传至上位机。这样，多台智能仪器可以形成一个复杂的测量系统，可以方便 地实现远程自动化测量。 ( 5 ) 仪器具有自校正、自诊断功能 智能仪器有自动校正零点、满度和量程切换功能，大大降低了因仪器零漂和特性变化 造成的误差，同时可以提高读数的分辨率。另外，智能仪器在运行开始或运行过程中，可 以对自身各部分进行一系列测试，一旦发现故障就可以报警，并给出相应的故障位置，给 系统维护提供很大的方便。 1 3 智能仪表发展现状 近年来智能化测量控制仪表的发展很快。国内市场上已经出现了各种各样的智能化测 量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够对各种谱图进行分 析和数据处理的智能色谱仪，能够进行程序控温的智能多段控制仪，以及能够实现数字 2 绪论 p i d 和各种复杂控制规律的智能式调节器等。国际上智能化测量控制仪表更是品种繁多， 例如，美国f l u k e 公司生产的直流电压标准器5 4 4 4 0 a ，内部采用了3 个微处理器，其 短期稳定性达到l p p m ，线性度可达到0 5 p p m ；美国r a c a d a n a 公司的9 3 0 3 型超高电 平，利用微处理消除电流流进电阻所产生的热噪声，测量电平可抵达7 7 d b ，英国j i s k o o t a u t o c o n r p o l 公司生产的线取样系统，能够对原油、精炼化学品等各种非均匀液体自 动取样分析。法国t e 电器公司生产的t s x 系列可编程控制器，能够完成各种顺序控制、 定位调速、机床数控及系统识别功能；美国f o x b o r o 公司生产的数字化自整定调节器， 采用了专家系技术，能够像有经验的控制控制工程师那样，根据现场参数迅速的整定调节 器。从而更适应在现场测量环境变化的状况下，得到精确的测量结果3 1 “1 。 1 4 电量检测仪发展现状 随着微电子技术和超大规模集成电路的迅速发展，电量测量仪表由传统的基于常规电 子线路的仪器仪表发展为基于各种微处理器、微控制器的智能化测量控制仪表。利用嵌入 式软件协调内部操作，使仪表具有智能的功能，在完成输入信号的非线性、温度与压力的 补偿、量程刻度标尺的变换、零点错误、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制， 使控制系统的功能进一步分散。嵌入式系统可以针对特定的自动化仪表的要求，合理剪裁 软硬件，实现高集成度、低冗余、小型化。近年来智能仪器己开始从较为成熟的数据处理 向知识处理发展，体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等， 使智能仪器的功能向更高的层次发展。而网络时代的来临使许多电子设备需要联网和更智 能化、更强的计算能力，单片机越来越不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越来越 复杂、庞大。随着微电子技术的进步，各种集成芯片电路都朝超大规模、全c m o s 的方 向发展。c o m s 电路具有功耗低、工作温度范围宽的特点，近年来采用“硅门”技术取 代了原来的“金属门 技术。目前已经出现了许多超大规模的c m o s 集成新型单片机， 芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强，内部集成了许多的功能部件，如片内a d d 转换器、片内看门狗电路、片内脉宽调制器、芯片串行总线等，从而使用户有更大的选择。 随着数字信号处理器( d s p ) 的广泛应用和多种电测专用集成芯片的成功开发，将第三代电 测仪表的发展推向了高潮。美国a d 公司提供了一种电测仪表方案，采用“d s p + m c u + 高精度a d c ”的解决方案，能够在不减少功能的前提下，缩小了体积、减少功耗、可靠 性明显提高。同时，若增加具有扩展功能的外围辅助电路，并采用相应的软件，便可满足 客户的特定功能需求，灵活性大大提高5 1 。 现代电工电子仪器和自动测试技术的进步口新月异，最先由国防、军方对仪器仪表产 业提出的应具有的丌放式工业标准、互换性和互操作性要求的合理性与正确性，已经越来 越受到更多用户和生产企业的认同。满足以上要求的虚拟仪器的出现及其应用领域的不断 扩大，已给仪器仪表产业指明了一个发展趋势一仪器标准逐渐向计算机标准靠拢。这样， 3 两安理t 大学硕士学位论文 可以充分利用计算机的软硬件资源。不同功能的仪器仅体现于测量模块及其软件的不同 而各种测量功能都是由测量程序来完成的。仪器不再以传统的独立形式出现了，一台计篑 机只要配备相应的测量模板或扩展机箱，就可立即成为存储示波器、频谱分析仪、逻辑分 析仪、数字多用表、函数发生器等仪器。另外，以计算机技术为基础，虚拟仪器的高精度、 高稳定性的实现已变得相当容易。目前，高精度的电量测量仪器已经和计算机、软件、大 规模集成电路、甚至是网络技术的联系越来越紧密，虚拟仪器的思想已经深入人心，其发 展越越来越受到关注。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要比传统仪器低。虚拟 仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景 1 6 1 1 5 本文主要工作 电量测量仪表在电量节能与总体电源利用都非常重要，而传统的电参数测量仪却有很 多不足，如：进一步提高精度十分困难，仪器的功能单一，进行综合测量时要携带多个仪 器，操作人员工作强度大没有通信功能，不能与计算机相互交流，实现远程测量和控制。 本课题研究的智能电参量测量仪针对以上不足进行研究。 本文工作是在李华曦同学的研究基础上，进行进一步的研究和补充完善。首先对采样 方法进行更进一步的研究，特别是对高频信号采样时，若仍用同步采样方法就会出现欠采 样，所以必须要采用相应的采样方法进行采样。同时在测量频率、相位差等电参量时，当 信号为高频信号时，由于硬件电路的局限，使得测量精度也会受到影响，就需要对其方法 加以改进。最后对影响测量值造成误差的因素进行分析仿真，并提出补偿的方法，提高精 度。另外还要对系统功能进行进一步优化完善，增加量程转换，通信等功能，并要设计通 信界面，以及系统的电池供电系统，使仪表更具有优越性。 4 测量原理及方法 2 测量原理及方法 本测量仪测量的参数包括频率、相位差、电压有效值、电流有效值、有功功率、功率 因数。下面分别分节介绍其测量原理及方法。 2 1 频率测量 频率测量常用的测量方法有直接测频法和间接测周法h “钉。这两种方法各有优点，具 体测量方法如下： ( 1 ) 直接测频法 在确定的闸门时间z 内，通过计数器记录待测信号周期变化的次数n 来确定信号的 频率正，即 九2 毒2 被测信号r x 厂 厂 厂 厂 厂 i 帅厂 n厂 厂 厂 厂 图2 1 直接测频原理图 f i g u r e 2 1d i r e c t - f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tp r i n c i p l em a p 由于闸门开启和关闭的时间对于来说都是随机的，因而存在1 个脉冲周期的误差， 测量相对误差为： 6 = = 屁 ，( 2 2 ) 由上式2 2 可以看出，在闸门时间固定的情况下，被测信号频率越高，d 越小，测量 精确度越高。因此要确保精确度的要求，直接测频法只适用于对高频信号的测频。 ( 2 ) 间接测周法 在被测信号的一个周期内，频率为厂。的基准信号的周期变化次数n ，则被测信号的 频率六，即： 正2 赤4 鸯。 ( 2 3 ) 5 西安理工大学硕士学位论文 基准信号uuuuuui 被测信号厂 nuuuuui 图2 - 2 间接测周法原理图 f i g u r e 2 - 2i n d i r e c t ，f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tp r i n c i p l em a p 由于被测信号与基准信号的上升沿不能保证同步，因而此方法存在的量化误差为一个 基准信号周期r o ，测量相对误差为：6 一嘭 ( 2 4 ) x 由上式可知，信号的周期越长，用间接测周法测量频率的精度越高，因而间接测周法 只适用于测量低频信号的频率。 ( 3 ) 组合法 直接测频法适于高频测量，而间接测周法适于低频测量。可以将这两种方法结合起来， 得到一种混合法。即将所测信号分两个频段：在高频频段内采用直接测频法；在低频段内 采用间接测周法。这样同时满足了高低频率的测量精度的要求。 2 2 相位测量 对于测量电流与电压的相位差基本方法如图2 3 ( a ) 所示，先将信号进行波形转换 为方波，再取异或得到一个方波，用得到方波的上升沿触发计数器开始计数，到下降沿停 止计数并保存1 9 1 。波形如图2 - 3 ( b ) 所示，计算公式如式2 5 所示即测出乇，代入式2 5 就得到所求相位差值。 6 驴r ：似。 ( b ) 图2 - 3 相位测量原理图 f i g u r e 2 - 3p h a s em e a s u r e m e n ts c h e m a t i cm a p ( 2 5 ) 测量原理及方法 2 3 电压，电流及功率测量 2 3 1 采样方法 目前常用的交流采样方法主要有三种：同步采样法；非同步采样法；准同步采样法9 1 。 a 同步采样 同步采样即被测信号的周期是采样周期的整数倍。设t 1 为信号周期；t s 为采样间隔； n 为采样点数；m 为采样周期数，理论上来说有： ，l 互- m t , ( 2 6 ) b 非同步采样法 非同步采样法使用固定的采样间隔，送取合适的采样点数，使采样周期与信号周期( 或 其整数信) 的差值小于一个采样间隔t s 1 0 l 。设测量截断误差为，信号周期为t ，采样周 期为t s ，采样点数n ，用公式表达为： t 一，l i + ( 2 7 ) c 准同步采样法 在实际采样测量中，采样周期不能与被测信号周期实现严格同步，即n 次采样并不 是落在2 p 区间上，而是落在纫+ 区间上( 称为同步误差或周期偏差，其值可正可负) ， 此时测量结果就将产生同步误差1 1 1 。为解决该项误差，提出了准同步算法n 2 1 。准同步采 样技术是在同步采样的基础上，利用增加每周期的采样点和增加采样周期，同时采用新的 计算方法，来达到同步误差的最小化。采样原理如图2 - 5 所示。 采样假 第一次处理 第二次处理 厂j 厶 州厶nk 1 2 n + ，。以 1 ) h + 1 - - n + 1 咔j 卡寸专_ ，r y 。1 ，- y 2 y b l y k 十：y ；n l j ，i n 2 ) 斛l y i n - 1 卜十1 摩葛芝一y f y ：, c t 。1 y n n - 1l 第n 次处理卜一 计 图2 - 5 准同步采样原理图 f i g u r e 2 - 5q u a s i s y n c h r o n o u ss a m l i n gp r i n c i p l em a p 2 3 2 准同步采样算法 由图2 5 可以得出准同步算法的公式如下： 7 西安理工大学硕士学位论文 ，。亡善肛m j ( 2 8 ) 成箭 式中肛( i - o ，1 ，n ) 为对应数值求积公式所确定的权系数。可以看出y l ，) 是采样起点 x o ( 实质就是a ) 的函数。 若迭代1 1 次，则结果为： 小荔1 n 犷+ i ”) ( 2 卵 2 爵i n 丢+ i p r 2 可百一2 l p i 善房篇蠢驴也 2 翥翥淞) = 叩，厂 ，) 其中仇为迭代i 次时的系数 当存在同步误差时：y “ ) 2 荔而1 f y ”1 ) 出 令：而一去f ”8 f ( x ) d x ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 可以证明n 3 1 ：l i m y “o ) = 页万 ( 2 1 2 ) h 由上面的证明可以看出采用准同步法去掉了同步环节。 根据所用数值积分方法的不同，准同步计算方法有3 种具体形式：复化梯形、复化矩 形和复化辛普生。其中，复化梯形准确度最高，复化矩形次之，复化辛普生最差。因为在 相同条件下( 同一信号j 相同的同步误差，同采样周期) ，经过相同的迭代次数后，复化梯 形算法误差衰减的最快 1 4 1 ) 所以我们采用了复化梯形算法。 采用一次加权公式n 5 1 减小计算量后得： y ? = 4 ( w 4 ，y ：n - 1 ，y n - + i 。) rz 4 4 一。( y ：- 2y ：n - 2 ，y ：n - 2 + 。) r = = 4 以一。4 ( l ，厂2 ，。+ ，) r ( 2 1 3 ) 把复化梯形算法f 厂。逑；上笋+ 上笋+ 妻厂“) 带入 = 2 1 3 ) 式得： 8 测量原理及方法 则： 1 4 = 一 ，1 1 4 ；一 ，l 电压有效值 【， 电流有效值 ， 有功功率 视在功率 功率因数 + 1 ，- - - l - _ 、 三1 1 三o 22 o 三1 1三o 22 oo1 1三o 2 oo 三1 1 三 22 + 1 ，- - - - ，- - 11 1 三o 22 o三1 1三o 22 o o1 1 1 o 2 oo11 1 三 22 阳一1 ) + 1 n + l ，- - - _ 、 三1 1 三 2 2 n + 1 p = 罗叩z 爿 s = u i 】 p l = 一 s 【r 1 叩。】= a 1 a 2 a 。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 9 1 一以 扎 ， 得 小 式 ，312，k、，92l由 厨厨 = i i 西安理工大学硕士学位论文 2 3 3 等效采样法 a 等效采样原理 根据采样定理，要求采样频率正懈大于信号中最高频率 。的2 倍时，即： 正一芑2 厂m 。，采样后的数字信号才能完整地保留原始信号中的信息。因此在对高频信号采 样时，就要求采用高速率a d 转换器，从而增加了硬件电路要求。若用低速率a d 对高 频信号实时采样，就会出现欠采样，常用余数定理解模糊n 。但此方法对于非正弦信号 不能直接解模糊，需要进行波形分析再解模糊。运算复杂且不能达到理想值。本文对此采 用等效采样法进行采样，等效采样是对多个信号周期连续采样来复现一个信号波形盯， 采样系统能以扩展的方式复现信号，大大超过奈奎斯特极限频率的信号波形，在对高频采 样的测试仪表中，达到同样的采样频率，相比于用高速a d 芯片直接采样，用此方法配 合低速率a d 大大降低了硬件成本。 等效采样有两种方法：随机和连续。每一种都有其优势。随机等效时间采样允许输入 信号的显示先于触发点，而不需要使用延迟线。连续等效时间采样提供更大的时间分辨率 和精度n 们叫2 。两者都要求输入信号具有重复性。由于连续等效采样和随机等效采样各 有利弊这里采用一种结合两种等效采样的方法。原理图如图2 6 所示： 1 厂 弋 ( ，。 l 。、 。、。7 尼t ( n - i ) t l厂， n t r t (j 厂 (j 。 图2 5 等效米样原理图 f i g u r e 2 5e q u i v a l e n ts a m p l i n gp r i n c i p l em a p 对于一个周期为r 的模拟信号。若将其周期n ( n 2 ) 等分，则每个等分为互一z 。现 对该周期信号进行采样。令第一次的采样时刻为周期原点延时t o ；经，z i + 时间后， 进行第2 次采样，再经2 t + 时间后，进行第3 次采样，依此类推。其中气为每次触 发采样的延时时间。 将采样得的采样点经数据重构后得到如图2 - 6 所示的采样后，就可以进行下一步处 理。数据重构相当于把采样周期转换为延时时间气( t o 幼+ m ， 通过适当增加采样数和增加迭代次数来提高测量准确度的方法。因此，在采样时它不要求 采样周期与信号周期严格同步。 b 等效采样 ( 准同步采样予程序) 丫 t s - - n + 计数器清零 - i f 1 采样，并累加入计数器 关闭计数器中 断 厂、 (采集完成) 图4 - 3 准同步采样流程图 f i g u r e4 - 3q u a s i s y n c h r o n o u ss a m p l i n gf l o wc h a r t 西安理工大学硕士学位论文 j 蠕嘲i ，1 f 1 ，。a 一”一“i： a d | 计数i 、广矫 一、i li 7 l 型 被劂信号f ( t ) i 数据处 i 蜘n l j 【，裂循里俐 理 “ r 】h p i 1 7 - i ，。一一，一一一一一。一一一一一，一j i ， 图4 4 等效采样原理框图 f i g u r e 4 - 4e q u i v a l e n ts a m p l i n gp r i n c i p l em a p 本系统中，单片机选用m s p 4 3 0 系列单片机，它本身有内置的a d 转化器，采样保 持器，2 k b 的r a m 。根据等效采样需要，在单片机外部扩展一个外部r a m 。采样方法 如图4 4 所示。整个采样系统是由一片单片机来控制的。开始工作时，先测量被测信号的 频率厂，然后根据厂的大小确定延时时间气的大小，和采样的次数。然后延时乇时刻后单 片机发出信号，启动a d 工作。模拟采样结果经过d 数字化后，暂时存入存储器外部 r a m ，完成一轮采样后，a d 停止工作并将这一消息反馈回单片机。以延时时间靠为依据， 从存储器外部r a m 中读取一定的数据，按照一定的算法，将数据重新排列，并把数据写 入内部r a m 的对应地址单元中去。当经过n 轮采样后，采样结果基本写满了内部r a m 之后，波形采样就完成了。这时单片机再按内部r a m 中顺序读出采样数据，进行数据处 理。 4 2 2 数据处理 a 准同步算法 准同步算法的具体实现有两种方法，一种是直接编程计算，另一种是先计算出每一 个采样点的加权系数，即编程算出准同步窗“钉。图4 5 是求加权系数的程序框图，其中 数值f ( j ，j ，k ) 表示每一次迭代过程中梯形求积公式中的系数仇，而w ( i ，j ) 是求权的中间数 组，最后结果为w ( n ，j ) ，j 为1 ，2 ，n n + l 。另外在这之前需将计算出来的n n + ：1 个权 值列表r o m 中，运算时将各采样点的电压值或电流值与此表中调出的权值相乘，然后相 加，即可一次完成准同步采样法的运算。 b 等效一准同步算法实现 设当前采样的倍率为l ，取值范围1 到i ，一次采样点数b 。每次采样结束后，单片机 从a d 中读出触发点对应地址单元的位置，设为x i ；还要从单片机中读出延时时间t 。对 应地址单元的位置，设为z ，有了x i ，b ，z ，和l 这4 个值，单片机就可以从外部r a m 中读 取有用的数据写入内部r a m 了汹1 。如图4 - 6 所示。 软件设计 单元的前后各取连续的b 个单元的值，这就是本次采样的有用点值。 个点，其中k 取值从o 到b 1 ，存入内部r a m 中，对应的地址为j ： j = z + k l m ( 开始 ) 输入迭代次数n 和采 样周期点数 l = 。n + 1 v 建立数组并清零 f ( n ，l ，l ) = 0 ，w ( n ，1 ) = 0 上 初始化一 f ( i ，j ，k ) = 1 ；( i = 1 ，2 n ；j = 1 ，2 l - i n ；k = j ，j4 - 1 j + n f ( i ，j ，k ) = f ( i ，j + n ) = 0 ，5 ；( f ( i ，j ，k ) = 1 ；( i = 1 ，2 a ；j = 1 ，2 l - i n ) 0 初始化二 w ( i ，j ) = 1 w ( i ，j ) = ? f ( n i + 1 ，k ，j ) w ( i 1 ，k ) ( i = 1 ，2 ，l ) 最后权值函数 v 厂 结束、 图4 - 5 准同步算法流程图 f i g u r e 4 - - 5q u a s i - s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mf l o wc h a a 表4 - 1 对应频率的采样点与周期的关系表 t a b l e 4 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a m p l i n ga n dc y c l et a b l e 设取的是第k ( 4 1 ) 采样频率 l kl kl kl k1 k1 k 等效采样频率 i k2 k1 0 k2 0 k5 0 k 1 0 0 k 等效采样轮数i 121 02 03 0 6 0 每周期采样的点数b 6 43 26321 采样平率 l kl kl kl k 等效采样频率 5 0 0 k1 ml o m2 0 m 等效采样周期数3 0 06 0 06 0 0 01 2 0 0 0 每采一点所需周期数 51 01 0 02 0 0 每一轮采样都得到一个z i 值，z i = z f 其中i 为采样的轮数。b ，i 的值由被测信号( 见 表4 1 ) 的频率决定。采样结束后就可以进行数据处理，计算出电参量的电压( 电流) 有 西安理工大学硕士学位论文 效值、功率等。( 同是注意到当被测信号频率大于l o o k 是不再需要数据重构。例如，当信 号频率为5 0 0 k h z 时，每5 个周期采集一个采样点，不再需要数据重构。) 再将所的值代 入准同步算法公式进行计算。 图4 - 6 等效采样流程图 f i g u r e 4 6q u a s i - s y n c h r o n o u sf l o wc h a r t 4 3 量程转换 外部r a m 4 7 等效采样算法流程图 f i g u r e 4 - 7e q u i v a l e n ts a m p l i n ga l g o r i t h mf l o wc h a r t 如图4 8 ，首先对被测参数进行a d 转换，然后判断是否超值。若这时p a g 的增益 已经降到最低档，则说明被测量的物理量超过数字电压表的最大量程，此时转到超量程处 进行处理；否则，通过a 0 ，a 1 控制把p g a 的增益降一档，再进行a d 转换并判断是否 超值。若仍然超值，再做如上处理。若不超值，则判最高位是否为零，若是零，则看增益 是否为最高档。如果不是最高档，将增益升高一级，再进行a d 转换及判断。如果最高 位不为零或p g a 已经升到最高档，则说明量程已经转换到最合适档，微机将对此信号做 下一步操作。 软件设计 4 4 通信模块 图4 8 自动量程转换子程序框图 f i f u r e4 - 8s e l f - s w i t c hm e a s u r es u b r o u t i n ed i a g r a m 传统仪器的一个很大的不足就是它不能进行数据通信，这在很大程度上限制了自动化 程度的提高。为了实现系统的远程监控、遥测等功能，提高自动化程度，要求仪器必须具 备通信功能。本仪表主要进行数据的采集、参数计算等工作，使用通信模块可以响应来自 微机串口的指令将测量值送至上位机，而后上位机可以通过打印机或显示器，向用户随时 提供各种统计报表。这样做是为了仪表既可以单独使用，也可以作为网络的一个节点，增 强仪表使用的灵活性。为了有效地进行通信，必须遵从统一的通信协议，即采用统一的数 据格式、相同的传输速率、相同的纠错方式等。具有统一数据格式的同时，还必须保持相 同的传输速率，这样才能保证线路上传输的所有信号都保持一致的信号持续时间。传输速 率即波特率，用户可通过计算算出适合自己的波特率。 单片机和通信模块之间的接口采用r s 2 3 2 ，单片机系统的串行通讯程序流程如图4 9 和4 1 0 所示。 2 7 西安理工大学硕士学位论文 图4 - 9 单片机发送数据流程图 f i g u r e4 9s c m s e n tt h ed a t af l o wc h a r t 4 4 1 通信界面 图4 1 0 单片机接收数据流程图 f i g u r e4 - 1 0s c m r e c e i v ed a t af l o w 人机界面的设计在自动化测控系统设计中的地位是相当突出的，良好的人机界面对系 统性能的改善起到极大的推进作用。但一个实用的界面设计离不开对系统内部结构和工作 机制的了解，良好的界面技术是人们对系统运行机制理解的外观表现，只有将实际工程问 题与计算机技术结合起来，才能开发出友好的人机界面。 本系统的通信界面的设计采用了v i s u a lb a s i c6 0 作为软件开发的平台。v i s u a lb a s i c 提供了许多标准的界面元素和标准的操作方法，使编程变得容易，用户操作也变得简单。 v b6 0 具有良好的图形接口并且支持面向对象的编程方法和具有结构化的事件驱动编程 模式，所以采用v b6 0 编写程序，短时间内就可以设计出交互界面友好、功能易扩展的 程序。 通信界面如图4 - 1 l 所示。在通信时，打开串口，然后选择通信串口，点击开始检测 键，同时下位机给上位机发送检测地数据，分别在各项显示。测量人员可以通过计算机观 测数据。当通信结束后点停止键，结束通信，或关闭串口。 章t 件设计 t o 蚌哟- 目d 一电参量智能检测仪 一 i t5 r 口* # q # ：，_ ! ! 竺- t f h * n ”c 。 4 4 2 通信协议 l 雕 图4 。儿通信界面 f i g u r e 4 - 1 l t h e i n t e r f a c eo f i h ec o m u n i c a t i o n s 本文采爿；im o d b u s 出议。m o d b u s 协议足应删于电子控制器l 的一种通用语言。通过 此协议，控制器相互之间经由网络( 例如以太h ) 和其它设各之间可以通信。它已经成为 通用 业标准。有了它，币同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监_ f 孛。 此胁| 义定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通 信的。它描述了一控制器请求访问其它设各的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及 怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。 当在一m o d b u s 网络上通信时此| 办议决定了每个控制器需要知道它们的设各地址 识别按地址发柬的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将l 成反馈信息并 且用m o d b u s 卧议发出。控制器通信使用主从技术即仅一设备( 主设备) a 仞始化传 输( 查询) 。m o d b u s 协议建立了主设备查询的格式：设备( 或广播) 地址、功能代码、 所有襄发送的数据、错误检测域。从设备p 应消息也由m o d b u s 协议构成，包括确认要行 动的域、任f u 要返回的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从 设备4 ：能执行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去町1 o l o a 查询一回应周期 ( 1 ) 杏询 西安理工大学硕士学位论文 查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。