第三章-最新整理版-数据采集技术与输入输出接口-智能仪表.ppt

第三章数据采集技术与输入输出接口 主要内容 七 频率相位信号的采集及其接口八 数据采集缓存器的设置与保护 七 频率相位信号的采集及其接口 1 概述 1 数字式传感器 输出频率信号 相差信号或脉冲信号 它是检测信号的主要形式之一 2 为了提高传输抗干扰能力 常常通过V F技术将模拟电压信号转换为频率信号输入微机 还可以达到A D转换的目的 3 频率是单位时间里信号重复过程的次数 时间是测频的基准 七 频率相位信号的采集及其接口 2 V F转换原理及特点 V F变换器是把直流电压信号转换为频率信号的装置 有A D转换效果 有以下几个特点 V F转换过程是对输入信号的不断积分 因而能对噪声或信号的波动进行平滑滤波 转换后输出的是串行信号 便于隔离和远传 利用微机的特点 可使串行信号采集接口简化 编程方便 V F转换器基本上由积分电路和比较电路组成 下页图所示的为单积分式V F转换器的结构原理图 七 频率相位信号的采集及其接口 当积分电路的输出电压VQ达到基准电压Vr时 比较器翻转 同时积分电路的电容器被复零 复零的次数就是输出频率 当VQ Vr时 电容器被复零 因此以Vr代VQ 取 T的倒数 七 频率相位信号的采集及其接口 应用时基集成电路555 就可按上述原理构成普通的V F转换器 下图所示电路是该转换器的一种基本形式 可以把0 10V电压转换成0 10kHz脉冲频率信号 非线性误差为0 1 左右 七 频率相位信号的采集及其接口 上页图中555输出近15V高电平时 场效应管3CJ1E截止 运算放大器324输出电压经积分线性上升 当达到10V时 555转换输出电压为低电平 近0V 3CJ1E导通使积分电容C1放电 324输出电压迅速下降 当降至5V时 555输出电压又转为高电平 3CJ1E再次截止 324输出电压又再次上升 如此反复 形成振荡 输入电压V值大则积分电流V R1大 LM324 运放 输出电压上升快 振荡频率高 反之 则频率低 其输出频率 这里 以抵消3CJ1E的放电时间的影响 七 频率相位信号的采集及其接口 3 V F转换器芯片 V F专用集成电路芯片品种较多 有AD公司的AD578 AD650 AD651等 有NS公司的LM131 LM231 LM331 有BB公司的VFC32 VFC62 VFC320等 国产的不少也可与国外同类产品相媲美 如5GVFC32 BG382 等等 七 频率相位信号的采集及其接口 LMX31A LMX31系列V F转换器是一种简单 廉价的芯片 由于使用了新的温度补偿能隙基准电路 能达到精密V F的性能 LMX31A具有高水平的精度 温度特性 将0 10V转换成0 10kHz时线性度达0 01 可在单5V电源下工作 功耗仅15mW 温度稳定性达 50 10 6 LMX31系列V F转换器 其内部由开关电流源 输入比较器和单脉冲定时器等部分组成 可自己其工作原理 加上一定的外部元件 用LMX31芯片即可构成V F转换电路 七 频率相位信号的采集及其接口 4 频率信号的采集方式与接口 1 频率信号采集原理很简单 将需采集的频率信号直接输入微机的定时器 计数器 CTC 或I O口 如高速输入HIS口 由程序对频率信号进行定时计数 或测定触发周期时间 即可测定信号频率 但是有精度和速度的矛盾 问题还没那麽简单 同时注意四个概念 时刻 时间间隔 时标 测频 七 频率相位信号的采集及其接口 2 短 定时计数 工业测量 V F作为A D 当分辨率要求不是很高而要求采集速度时 定时器定时时间可由下式确定 式中fs N分别为V F转换的满度输出额定频率 最高 和希望获得的A D转换分辨率 例如LM331 在0 10kHz频率范围 若要8位分辨率 取定时时间Ts 25 6ms 要得10位A D转换的效果 取Ts 102 4ms 要提高分辨率则要加长定时时间 即加长采样周期 显然这样会降低采样速度 七 频率相位信号的采集及其接口 3 测定触发周期定时计数情况 信号频率低时 计数的有效数字少 分辨率低 由T 1 f可知 通过测定频率信号周期来确定频率的方式可大大提高采样速度 但要求周期必须均匀 测周期时用频率信号的脉冲边沿作为起止控制信号 用其它高频时钟信号作为计数信号 可将周期时间转换成计数数值 以上两种方式不能在被测频率信号的整个频率范围内获得同样的分辨率和精度 采样时宜先粗略判别频率范围 根据频率高低再选择上述方式之一进行最后的频率测量 但是 无论对频率信号定时计数 还是通过对时钟信号计数测量频率信号的周期 如果定时的起始 结束边沿与计数脉冲边沿不同步 仍将出现 1个计数脉冲的误差 七 频率相位信号的采集及其接口 若定时计数 定时时间Ts为1s 则 1个脉冲引起的误差 1 fxTs 1 fx 与被测信号频率有关 频率低 则 大 若测周期 时钟信号频率为fs 1 fsTx fx fs 1个脉冲引起的误差也与被测信号频率有关 频率愈低则误差愈小 当被测信号频率为1kHz时 时钟信号频率fs为1MHz时 误差 达到 1 10 3程度 这对于精密测量是不能允许的 七 频率相位信号的采集及其接口 4 同步采集技术所谓同步技术是在对两路 被测和基准 频率信号计数时 用频率低的被测信号来控制定时计数的开始和结束 同步 仅让频率很高的基准信号不同步 由此产生的 1个脉冲的影响将大大减小 七 频率相位信号的采集及其接口 如上页图所示 微机先清除两个计数器 再发出START信号表示定时计数开始 在fx的上升沿到来之前D触发器仍关闭两计数门 由fx上升沿开启两计数器计数 即定时开始与被测信号同步 微机内部定时一到就改变START信号 触发器要等fx的又一个上升沿到来时才跳变而关闭计数器 即定时结束与被测信号同步 时序如下图 七 频率相位信号的采集及其接口 已知基准信号的频率fs 若读得定时时间内两计数器的读数分别为nx和ns 则被测频率为fx Nx Ns fs 当基准信号额定频率为100MHz时 使基准信号与定时不同步产生的误差小于10 8的条件为 1 Tsfs 108 fs 1 这说明由微机内部产生的定时时间虽不作为计算被测频率的数据 但必须大于1s 可以证明 才能使频率测量的精度达到10 8 由上式可知 这时测量精度还取决于基准信号是否稳定和准确 七 频率相位信号的采集及其接口 只要基准信号稳定 其准确的频率值可以通过计量标定获得 因此 应用同步技术以后 基准信号是否稳定成了频率精密测量的关键 在多费率电能表校验仪中 采用一种恒温控制的高稳定性晶体振荡器产生基准信号 基准信号的频率稳定性达到10 8级 恒温控制的晶体振荡器结构下图所示 七 频率相位信号的采集及其接口 由于被测信号频率可达100MHz 频率同步测量电路原理图中的触发器 与门和计数器都必须由高速芯片构成 其中计数器需要级联到27位 可由外部16位计数器和单片机的16位计数器级联而成 因此接口复杂 为了简化接口电路 提高可靠性 频率同步测量电路原理图的虚线框内电路全部用一片大规模可编程逻辑器件CPLD构成 七 频率相位信号的采集及其接口 5 相差信号的采集 光电式或磁电式扭矩传感器可将转矩变量转换为相差的变化 如下图所示 由于传感器在安装上难免存在初始相差 0 因此传感器输出的两列同频率方波之间的相位差可表达为 显然 为了提高分辨率 初始相位 0不能太大 七 频率相位信号的采集及其接口 1 模拟方式处理相差信号的传统做法是用模拟方式 如下页图所示 通过微分电路将两列方波脉冲转换为尖脉冲 去触发RS触发器 得到一列新的窄脉冲 PWM 其脉宽表示两列信号的相位差 然后通过平均值检波器输出一个比例于此脉冲宽度的平均电压值 如果脉冲的周期为T 脉冲宽度为 则输出平均电压为 式中 A为脉冲的最大幅值 当信号周期T和幅值A一定时 稳幅稳频 电压的平均值V与相位差 成比例 这样得到的模拟输出信号质量不高 且还要A D转换才能直接进入微机 在智能仪表设计中不可取 七 频率相位信号的采集及其接口 模拟式相差检测电路 调制计数式相差检测电路 七 频率相位信号的采集及其接口 2 数字方法现以相差调制脉冲 PWM 作为开门信号 将高频的时钟脉冲送入与门 有相差调制脉冲时 与门打开 时钟信号通过 相差调制脉冲消失时 与门关闭 时钟信号不能通过 在一个周期内通过的时钟脉冲个数与相差成比例 如上页图所示 将相位调制脉冲送入微机的计数器计数 再利用微机的记忆和运算功能 减去标定的初始相位计数 即可得到真正的相位差数据 这时的计数时间由相差调制脉冲控制 利用调制脉冲的下降沿产生中断信号停止计数器计数 然后读取数据 对计数器复位 做再次转换的准备 对于8096系列单片机 上页图所示的检测电路可以省略 可将相差调制脉冲V 直接输入到单片机HSI输入端 利用HSI对外部事件触发的快速反映和状态时刻记录能力 直接测量脉冲信号的占空比 即得所需的相位差 八 数据采集缓存器的设置与保护 在通用计算机中 大部分RAM用于转存从外部存储器输入的系统程序和应用程序 在智能仪表中RAM主要用于工作中的变量暂存和数据缓存 以及堆栈 因此又叫数据缓存器 DataBuffer 为了提高数据采集速度 保证数据不丢失 正确选择RAM芯片 合理安排RAM区域 给RAM芯片设置掉电保护措施等工作均是必要的 八 数据采集缓存器的设置与保护 1 双端口RAM数据缓存器 在设置数据缓存器时 人们首先注意读 写速度是否与微机匹配问题和芯片的容量问题 半导体RAM芯片品种繁多 选择时除了要注意上述两个问题外 还应考虑功耗 价格和利用率等问题 为了实现数据采集的高速化 应从两个方面进行努力 a 选用高速的A D转换器 b 提高数据传送的有效速度 八 数据采集缓存器的设置与保护 下图所示的为用双端口RAM做为数据缓存器 智能仪表在进行多点数据采集时 A D转换器可不停地 自动 进行多路模拟量的转换 转换结果直接进入新的数据缓冲单位 CPU只要定时 指所定采样时间 例如1s 从RAM另一端收集数据即可 这种方法提高了数据传送的有效速度 节约了CPU资源 八 数据采集缓存器的设置与保护 所谓双口RAM 就是具有数据输入口和数据输出口的RAM 可用不同端口接受来自A D转换器的数据和对微机或主存储器输出数据 如IDT7132就是这种器件 最近还出现了内部带有双端口RAM的8通道A D转换器 下页图书室所示的AD7581就是一例 这种A D转换器一个通道的转换时间约为67 s 8个通道的转换时间约为536 s 其转换速度并不快 但是微机的数据收集时间却可以集中并缩短 因此 对整个数据采集过程的作用 贡献 非常之大 八 数据采集缓存器的设置与保护 内设双端口RAM的A D转换器 八 数据采集缓存器的设置与保护 2 1位RAM数据缓存器 20世纪60年代相关流量测量技术问世 使相关技术在检测领域获得了应用 近些年国内研制成功微机化极性相关器 又使相关测量发展到一个新水平 所谓极性相关测量 就是用 极性信号 二值化信号 代替原来的随机信号进行极性化相关处理 求得极性相关函数出现极大值时所对应的时间滞后 从而求得流速 流量的测量方法 对于计算机 极性信号 就是一位二进制信号 因此微机每采入一个信号 只用放到8位缓存器一个单元的一位中 若微机将采入信号依次放满每个单元的每一位 则所花整理缓冲器的时间显然是浪费 且微机作处理时还要将缓存单元中的信号一位一位地取出 十分不便 八 数据采集缓存器的设置与保护 用1位RAM作数据缓存器可以解决这一问题 下图所示的为实际用1位RAM6167作数据缓存器时与微机的接口 6167每个单元只一位容量 正好放下一次所采信号 微机处理时只需顺序读出即可 处理的中间结果及其它参数均放在另一8位RAM中 不受任何影响 八 数据采集缓存器的设置与保护 3 数据缓存区设置 如果仪器只测量单一变量 一次采入的数据不多 就可以用单片机片内RAM作数据缓存区 而不必另外扩展数据存储器 例如MCS 51单片机和8096单片机片内有128B或232B或464B以上的RAM 除去寄存器和堆栈区 仍有很多单元可作变量暂存和数据缓存用 这对于一些任务单一智能仪表往往是足够用的 这样 变量和参数数据的保护就可利用单片机的待机低耗电源端实现 八 数据采集缓存器的设置与保护 一般情况下 智能仪表总设置有一定容量的普通RAM 例如2 64KB 使用时分为三个区域 其中 1 一个作堆栈 2 一个作变量暂存区 存放各种数据处理变量 计算中间结果 人机对话设置的仪表参数 程序处理中的必要标志等 3 第三个就是数据缓存区 它需要的容量往往比另两个区都大 而且地址应该连续 在RAM中设置一单块数据缓冲区是最简单的办法 一旦缓冲区处于使用数据状态 就不能接受数据输入 不能互相适应 八 数据采集缓存器的设置与保护 为此 通常使用的办法是设立多块缓冲区 或形成环形缓冲区 设置两个指针 aPI为输入数据采集指针 当PI由0 N 1时表示采集完毕 bP0为输出数据处理指针 当P0由0 N 1时表示处理完毕 在形成环形缓冲区情况时 任一指针不得顺时针超过另一指针 当P0赶上P1时 表征缓冲区已全满 某些智能仪表需要长时间采集并保存 记录 大量的原始数据不丢失 以便以后进行综合分析处理 这时数据缓冲器的容量为主要指标 一般要求几MB甚至几十MB FLASH存储器可以满足这种容量要求 并有很高的读写速度 但读写次数有限 八 数据采集缓存器的设置与保护 4 缓存区数据的保护 断电后 半导体RAM所存内容即刻丢失 上电后为随机数字 而智能仪表的一些设定参数 状态变量甚至采集的数据是不能丢失的 因此要采取一定措施保护这些数据 这种针对着断电的措施叫做断电保护措施 常用方法有三种 八 数据采集缓存器的设置与保护 1 用仪表中单片机的待机低耗电源端进行保护控制设置一掉电检测电路 对主电源进行监视 一旦主电源下降到一定程度便发出警告信号 引起中断 将程序转向 掉电保护服务程序 该子程序负责将RAM中的重要数据转入内RAM之中 当主电源继续下降到一极限值时 检测电路将后备电源投入RST VPD 使CPU处于复位状态 禁止任何随机现象对内部RAM的干扰 并供应待机状态的所需功耗 八 数据采集缓存器的设置与保护 2 用CMOS静态RAM芯片实施数据掉电保护右图所示的电路 可以对CMOS静态RAM6116 6264等芯片的数据实施掉电保护 因为这类CMOS的SRAM静态功耗极低 且当电压在2 6V间波动时 所存数据可保持不变 图中总线缓冲器 正电平控制三态 直接由主电源控制 当主电源低于正逻辑后 缓冲器呈现高阻 电源在电阻和缓冲器串联电路上产生的分压压降为高电平 封锁RAM的片选 读 写控制端 保护RAM中的数据不受破坏 该保护电路的工作效果还依赖可靠的复位电路 八 数据采集缓存器的设置与保护 3 用非易失性存储器实施数据掉电保护EEPROM简称E2PROM 它是电可擦除EPROM 即用电脉冲可把各位擦抹为1 全FFH