畢業(yè)論文-三相電壓電流測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)愈顯重要。為了能夠更加精確、簡(jiǎn)便的監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)絡(luò)，提高電網(wǎng)的可靠性，利用單片機(jī)信號(hào)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在一種新的采樣原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種三相電壓電流測(cè)試儀。本測(cè)試儀用電壓和電流互感器構(gòu)建信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，將大電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于處理的小電壓電流信號(hào)，以80C196KC作為主控芯片，采用專

2、用電能計(jì)量芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，并通過SPI口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本測(cè)試儀可以同時(shí)對(duì)電壓、電流、頻率等電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，參數(shù)顯示采用液晶顯示技術(shù)，并配有RS485通信接口，可以將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，多臺(tái)測(cè)試儀表還可以形成控制網(wǎng)絡(luò)，便于管理。在抗干擾方面，本測(cè)試儀采用軟硬件相結(jié)合的方式，從硬件電路到軟件編程，都提供了相對(duì)應(yīng)的抗干擾措施，大大的提高了測(cè)試儀的抗干擾能力，增強(qiáng)了穩(wěn)定性。另外，本測(cè)試儀集測(cè)量、控制、顯示等功能于一體

3、，具有測(cè)量信號(hào)多、精度高、顯示直觀、高性價(jià)比等特點(diǎn)，還形成了多系列產(chǎn)品，并能靈活進(jìn)行倍率調(diào)整，可以滿足不同用戶的不同需要，具有良好的應(yīng)用前景。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；測(cè)試儀；液晶顯示</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the development of the electric

4、 power system.the supervision of network states is becoming more and more important.Inorder to supervise states of electric power system precisely and simply improveits reliability,we design a kind of three-phase voltage

5、 and current tester.The EPMI uses voltage and current mutual inductors to construct signal transition circuit.The voltage and current mutual inductors can transform strong signal to weak signal which can be processed con

6、veniently. 80C196KC is t</p><p>　　Keywords：MCU；intelligent instrument；LCD．</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言6</b></p><p><b>　　2 系統(tǒng)概述6

7、</b></p><p><b>　　3 硬件電路7</b></p><p>　　3.1 硬件總體設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)8</p><p>　　3.3 前向模擬輸入通道9</p><p>　　3.4采樣電路設(shè)計(jì)9</p>&l

8、t;p>　　3.5信號(hào)調(diào)理電路10</p><p>　　3.6 計(jì)量原理11</p><p>　　3.7 脈沖輸出12</p><p>　　3.8 電源電路及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.9 鍵盤及顯示單元13</p><p>　　3.9.1 鍵盤接口設(shè)計(jì)13</p&g

9、t;<p>　　3.9.2 液晶顯示器接口設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.10 單片機(jī)與上位機(jī)的通信15</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)15</b></p><p>　　4．1 程序設(shè)計(jì)15</p><p>　　4．2 軟件抗干擾17</p><p>

10、　　4.2.1 防脈沖干擾平均值數(shù)字濾波法求瞬時(shí)值18</p><p>　　4.2.2 采用滑動(dòng)平均值數(shù)字濾波法求平均值18</p><p><b>　　5精度分析18</b></p><p>　　5.1 u(n)、i(n)的精度18</p><p>　　5.2 計(jì)算誤差19</p>&

11、lt;p>　　5.3 計(jì)算方法引起的誤差19</p><p>　　5.4 測(cè)試結(jié)果19</p><p><b>　　6結(jié)束語19</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)20</b></p><p><b>　　致 謝21</b></p>

12、<p><b>　　注釋表</b></p><p>　　ADC(Analog to Digital Converter)模數(shù)轉(zhuǎn)換器</p><p>　　EPROM(Erasable Programmable ROM)可擦除可編程ROM</p><p>　　LCD(Liquid Crystal Display)液晶顯示屏</p&

13、gt;<p>　　MCU(Micro-Control Unit)微控制器</p><p>　　MSSP(Master Synchronous Serial Port)主控同步串行端口</p><p>　　OTP(One Time Programming)一次可編程</p><p>　　PSP(Parallel Slave Port)并行從動(dòng)端口<

14、/p><p>　　SPI(Serial Peripheral Interface)串行外圍接口</p><p>　　SSP(Synchronous Serial Port)同步串行端口</p><p>　　U---------電壓有效值 </p><p>　　P----------功率</p><p>　

15、　I----------電流有效值</p><p>　　F----------頻率</p><p>　　N----------儀表常數(shù)</p><p>　　Un--------額定電壓</p><p>　　Ib---------額定電流</p><p>　　Imax-----最大電流</p><p&

16、gt;　　Istart------啟動(dòng)電流</p><p>　　VCC-----工作電壓</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　目前的三相測(cè)試儀大多數(shù)都采用平均值法測(cè)量交流電壓和電流的有效值。這種交直流轉(zhuǎn)換法測(cè)量交變信號(hào)的有效值存在著諸多缺點(diǎn)：非真有效值測(cè)量、無法測(cè)量非正弦交變周期信號(hào)、可測(cè)頻域窄、存在轉(zhuǎn)換誤差及直流

17、漂移誤差等。另外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致電力系統(tǒng)諧波含量迅速增長(zhǎng)，電壓和電流波形產(chǎn)生畸變，對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。為保證供電質(zhì)量必須對(duì)諧波源和供電點(diǎn)的電壓和電流諧波含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。本文提出的科研產(chǎn)品“三相電壓電流測(cè)試儀”，應(yīng)用單片機(jī)作為儀表智能部件，采用芯片內(nèi)部µs級(jí)的A／D轉(zhuǎn)換器作為數(shù)據(jù)采集器，由于是對(duì)信號(hào)進(jìn)行逐點(diǎn)瞬間采樣，從原理上克服了目前三相電測(cè)儀表的種種缺點(diǎn)。應(yīng)用16位單片機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算、處理功

18、能強(qiáng)的特點(diǎn)，儀表可實(shí)現(xiàn)全電學(xué)量的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)概述</b></p><p>　　為了避免強(qiáng)電信號(hào)對(duì)弱電信號(hào)的干擾，在整體結(jié)構(gòu)上采用三層電路板：底層為信號(hào)采集電路板，因其上面布置了很多大而重的元器件，為了保持整個(gè)測(cè)試儀結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，將其至于底層。中間層為信號(hào)處理電路板，該層是將信號(hào)采集板傳送過來的小電壓電流信號(hào)進(jìn)行一些相關(guān)的處理，

19、這層板也是本次設(shè)計(jì)的主控電路板；上層是LCD顯示電路板，用于對(duì)從中間層傳送過來的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行顯示。其中底層與中間層通過一根26芯的信號(hào)線連接，而中間層與上面的LCD顯示層間通過一根20芯的信號(hào)線相連。測(cè)試儀的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p>　　圖1 電參數(shù)測(cè)試儀整體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　基于測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理中的采樣定理[1]，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電信號(hào)采集。系統(tǒng)充分發(fā)揮了80C19

20、6KC系列單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力，A／D采集速率可達(dá)到80 Kb／s。Lab Windows／CVI提供了串口編程的函數(shù)庫，這樣便于用戶開發(fā)程序。應(yīng)用軟件分析計(jì)算出相位差、電壓基波有效值等參數(shù)。</p><p>　　測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。軟件結(jié)構(gòu)上、下位機(jī)采用Keil C軟件編程，上位機(jī)采用Lab Win—dows／CVI軟件編程。電路設(shè)計(jì)中．交流信號(hào)經(jīng)過放大處理后，由頻率測(cè)量電路、電壓測(cè)量電路和電流測(cè)量電

21、路分別輸入單片機(jī)，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后．通過串口送到上位機(jī)做進(jìn)一步的信號(hào)分析處理。單片機(jī)內(nèi)部16位8通道A／D轉(zhuǎn)換器用于采樣4路電壓、4路電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化結(jié)果通過RS-485串口送入上位機(jī)。根據(jù)這些信息，上位機(jī)用戶界面顯示電壓、電流波形：用Lab Windows／CVI中的相關(guān)分析函數(shù)計(jì)算相位差。根據(jù)離散積分公式[2]計(jì)算電壓、電流的有效值并在用戶界面上顯示。</p><p>　　圖2 測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

22、圖</p><p>　　對(duì)于真有效值的測(cè)量：利用80C196KC單片機(jī)控制ACH0、ACH1雙通道的A／D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)對(duì)電壓、電流波形進(jìn)行逐點(diǎn)數(shù)據(jù)采集 u(n)、i(n)(n =1，2,??N),我們可以從離散的數(shù)字序列中推導(dǎo)出電參數(shù)：交流電壓真有效值U、交流電流真有效值I分別為：</p><p>　　上式中參與運(yùn)算的各瞬變數(shù)字量u(n)、i(n)都是經(jīng)過零點(diǎn)自校和滿增益自校后，通過誤差修

23、正的數(shù)學(xué)模型算法處理后的復(fù)原值。</p><p><b>　　3 硬件電路</b></p><p>　　3.1 硬件總體設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是基于總體方案設(shè)計(jì)，選擇系統(tǒng)所需的各類元器件、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電子線路圖和印刷電路板、安裝元器件的調(diào)試硬件線路。硬件設(shè)計(jì)應(yīng)確保功能設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)的需求，并且充分考慮和軟件的協(xié)調(diào)工

24、作關(guān)系，注重選用高集成度的器件和采用硬件軟化、軟件硬化等設(shè)計(jì)技術(shù)。</p><p>　　電參數(shù)測(cè)試儀的硬件總體設(shè)計(jì)圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 電參數(shù)測(cè)試儀的硬件總體設(shè)計(jì)圖</p><p>　　由圖3可以看出，該系統(tǒng)主要由電壓和電流數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)量模塊、MCU模塊、LCD顯示模塊、功能設(shè)置模塊以及通信等模塊組成。本測(cè)試儀的MCU模塊采用80C196KC

25、單片機(jī)，用于控制各個(gè)功能模塊的連接與執(zhí)行。其主要作用與計(jì)量模塊之間的信號(hào)傳輸、控制并傳輸各參數(shù)的測(cè)量值至LCD進(jìn)行顯示、通過功能模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及通過RS485與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信與傳輸。</p><p>　　電壓和電流數(shù)據(jù)采集模塊由電壓互感器和電流互感器以及抗混疊濾波器組成，電壓和電流互感器用于將大電壓、大電流信號(hào)變換為可以經(jīng)過ATT7026處理的小電壓、小電流信號(hào)，變換以后的小信號(hào)經(jīng)過抗混疊濾波

26、器進(jìn)行濾波，得到無失真信號(hào)，并將該信號(hào)傳送至電能計(jì)量模塊。</p><p>　　電能計(jì)量模塊采用ATT7026作為計(jì)量芯片，ATT7026將經(jīng)過濾波后的信號(hào)進(jìn)行A/D采樣并經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算，將處理后的數(shù)據(jù)存放在相對(duì)應(yīng)的寄存器中，再通過MCU讀取相應(yīng)寄存器的值以進(jìn)行其他信號(hào)處理。</p><p>　　LCD顯示模塊是測(cè)量參數(shù)的顯示部分，采用128×64的點(diǎn)陣液晶顯示，綜合比較各類

27、顯示器件，液晶顯示器件具有很多獨(dú)到的優(yōu)異特性：低壓、微功耗顯示信息量大；長(zhǎng)壽命；無輻射、無污染。在本次設(shè)計(jì)中，液晶型號(hào)為GM12641其控制器為HD61202，這樣使得測(cè)試儀測(cè)量到的各參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)顯示。</p><p>　　通信模塊采用RS485接口通信，主要用于數(shù)據(jù)的傳輸，將測(cè)試儀測(cè)量到的各個(gè)參數(shù)的值經(jīng)過RS485接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)配電中心或監(jiān)控室的實(shí)施監(jiān)控，從而及時(shí)掌握各測(cè)試儀的運(yùn)行狀況。若有多臺(tái)測(cè)試儀同

28、時(shí)工作，還可以通過RS485接口通信形成控制網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　3．2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)</p><p>　　系統(tǒng)是由單片機(jī)80C196KC、程序存儲(chǔ)器EPROM27C128、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM6264、鎖存器74HC373、通用邏輯陣列GAL16V8等相關(guān)電路組成。80C196KC具有16位的乘法指令，這正是開發(fā)本測(cè)試儀所必需具備的。單片機(jī)系統(tǒng)完成：數(shù)據(jù)采集、信號(hào)預(yù)處理、快速FFT

29、、各參數(shù)的運(yùn)算、顯示及畫面切換處理功能。 </p><p>　　該單片機(jī)功能強(qiáng)大的集成模塊簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)。測(cè)試儀A／D轉(zhuǎn)換器是由內(nèi)置的8通道12位A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。最重要的是片內(nèi)RAM與上位機(jī)通訊時(shí)，可在RAM 中開辟下位機(jī)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)。這樣下位機(jī)可分時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸 ，大大提高了數(shù)據(jù)采集速度 。</p><p>　　將單片機(jī) I／O口分配為：A10～AI3為電壓模擬量輸入口；

30、AI4～AI7為電流模擬量輸入口。</p><p>　　3．3 前向模擬輸入通道</p><p>　　本系統(tǒng)的特點(diǎn)是由硬件部分保證前向模擬輸入通道測(cè)量精度，前向模擬輸入通道結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。本儀器由前置的1／100衰減器和電壓比較器陣列可將lV至1000V的輸入電壓信號(hào)自動(dòng)地分為8個(gè)量程信息。因?yàn)殡娋W(wǎng)信號(hào)的帶寬一般不是有限的，為防止混疊效應(yīng)及高頻干擾，被測(cè)信號(hào)要經(jīng)過抗混疊濾波器。低通濾

31、波器的設(shè)計(jì)要考慮到：保證信號(hào)傳輸不失真即信號(hào)通過濾波器時(shí)，輸入與輸出之間相移與頻率成正比，同時(shí)在頻譜范圍內(nèi)，濾波器幅頻特性應(yīng)是平直的。低通濾波器采用五階巴特沃斯濾波器及阻容元件構(gòu)成。</p><p><b>　　采樣電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖4 前向模擬輸入通道結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　為了對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行快速FFT，將被測(cè)電

32、壓及電流信號(hào)在一個(gè)周期等間隔采樣128點(diǎn)。以微處理和快速FFT算法為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)電學(xué)量在線測(cè)量時(shí)，其誤差來源有：模擬量離散化時(shí)引入的誤差、數(shù)據(jù)處理中的運(yùn)算舍入誤差、A／D轉(zhuǎn)換的量化誤差，對(duì)周期信號(hào)而言，表現(xiàn)為當(dāng)采樣頻率和信號(hào)基頻不同步時(shí)產(chǎn)生的泄漏誤差(Leakage errors)，這是造成對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行分析、處理的主要誤差來源。采用軟件方法：如插值算法[3]，對(duì)采樣數(shù)據(jù)重新排序等，僅僅只能減小而不能從根本上消除誤差。為了克服上述原因

33、產(chǎn)生的誤差，在測(cè)試儀中設(shè)計(jì)了一個(gè)128倍頻率的采樣、保持電路，其核心是以鎖相環(huán)集成電路CD4046、雙單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14538構(gòu)成的數(shù)字鎖相環(huán)(DELL)。當(dāng)信號(hào)基頻發(fā)生漂移時(shí)，128倍頻電路能自動(dòng)跟蹤信號(hào)基頻，每隔20ms／128=156．25 µs啟動(dòng)一次A／D轉(zhuǎn)換，保證在任何一個(gè)完整的周期內(nèi)，等問隔完成128次瞬間采樣。</p><p><b>　　信號(hào)調(diào)理電路</b>&l

34、t;/p><p>　　在信號(hào)采集與處理模塊中，信號(hào)采集板的作用是向信號(hào)處理板提供所需要采集的交流信號(hào)和電源，并隔離了一些干擾信號(hào)，避免其進(jìn)入主控電路板。將強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)采用互感器方式。電流和電壓互感器是電力系統(tǒng)中一種特殊的變壓器，它們把大電流變成小電流，把高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓，用來使儀表、繼電器與主電路絕緣，以保證電力系統(tǒng)的安全。另外當(dāng)電力線路發(fā)生故障時(shí)，出現(xiàn)過電壓或過電流時(shí)，由于互感器鐵芯趨于飽和，其輸出不會(huì)

35、成正比的增加，能夠起到對(duì)測(cè)量?jī)x表設(shè)備的保護(hù)作用。</p><p>　　圖5 電壓信號(hào)采集電路</p><p>　　圖6 電流信號(hào)采集電路</p><p>　　電壓信號(hào)采集電路如圖5所示。采用互感器對(duì)三相交流電隔離降壓，經(jīng)差模放大后輸入單片機(jī)。采用VREF／2為參考電壓基準(zhǔn)，將交流電壓信號(hào)的零點(diǎn)提升到VREF／2，使采樣到的正弦信號(hào)介于0和VREF之間，單片機(jī)能夠識(shí)

36、別，而電壓信號(hào)放大采用LM324差模放大，滿足速度和精度要求。電流信號(hào)采集電路如圖6所示，采用5：1000的交流互感器，電流信號(hào)接入互感器的輸入端，輸出端并聯(lián)一只采樣電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，測(cè)試原理與電壓相同。</p><p>　　經(jīng)過零比較器將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。采用80C196KC單片機(jī)中的PCA捕捉／比較模塊。在捕捉到第一個(gè)上升沿的同時(shí)打開定時(shí)器。在捕捉到第二個(gè)上升沿時(shí)讀定時(shí)器的值。并給定時(shí)

37、器清零，由此計(jì)算出交流電的頻率。PCA捕捉／比較模塊的I／O和外部時(shí)鐘輸入通過數(shù)字交叉開關(guān)配置到MCU的I／O端口引腳。</p><p><b>　　3.6 計(jì)量原理</b></p><p>　?。?）電路基本參數(shù)的測(cè)量原理[4]</p><p>　　(2) 信號(hào)處理模塊說明</p><p><b>　　①

38、數(shù)字高通濾波器</b></p><p>　　主要是用于去除電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中的直流分量。</p><p><b>　?、跀?shù)字移相濾波器</b></p><p>　　主要完成對(duì)電壓信號(hào)移相90度的信號(hào)處理。在保證信號(hào)幅頻響應(yīng)不衰減的前提下，能夠?qū)?0-1500Hz的采樣信號(hào)進(jìn)行移相90度的處理。因此無功計(jì)量的帶寬限制在1500Hz以

39、內(nèi)。</p><p><b>　?、塾行е禍y(cè)量</b></p><p>　　通過對(duì)電流、電壓采樣值進(jìn)行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算得到。誤差小于0.1%。</p><p><b>　　3.7 脈沖輸出</b></p><p>　　ATT7026提供兩種脈沖輸出：高頻脈沖以及低頻脈沖。通過高頻

40、脈沖輸出寄存器可以設(shè)定高頻脈沖輸出頻率，可用于儀表的校驗(yàn)。通過低頻脈沖輸出寄存器可以設(shè)定低頻輸出頻率，可直接用于驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器。</p><p>　　3.8 電源電路及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)</p><p>　　電源是系統(tǒng)中一個(gè)不可缺少的而又很重要的部分，系統(tǒng)中如果沒有電源則整個(gè)系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)。在整個(gè)測(cè)試儀系統(tǒng)中的各個(gè)單元幾乎都為有源器件，需要對(duì)其施加一定的電壓才能正常工作，而且一般都為

41、直流電源。直流電源一般由市電電網(wǎng)的交流電壓經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等變換后所得。本測(cè)試儀在設(shè)計(jì)時(shí)利用A相的220V電壓通過變壓器轉(zhuǎn)換成9V的交流電壓，然后經(jīng)過整流橋和穩(wěn)壓芯片7805后得到直流電壓，再經(jīng)過濾波就可得到+5V的直流電壓，這個(gè)電壓主要用于對(duì)主控電路板上的諸如單片機(jī)、ATT7026、液晶及485芯片供電。電源電路設(shè)計(jì)[5]如圖7所示。在本電路中為了防雷擊和過壓或過流，在信號(hào)進(jìn)入互感器之前接入壓敏電阻，這種相當(dāng)常見的電阻雖然價(jià)

42、格低廉，但在電路中卻起著重要的作用。壓敏電阻在電路中的作用可以形容為保險(xiǎn)絲，壓敏電阻有其最大的耐壓值，當(dāng)通過壓敏電阻的電壓超過最大耐壓值時(shí)，壓敏電阻就會(huì)被擊穿，形成短路，從而可以保證后面電路中部件或配件的安全。</p><p>　　圖7 電源電路設(shè)計(jì)圖</p><p>　　從電網(wǎng)上傳送過來的電壓和電流經(jīng)過電壓和電流互感器之后，將強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，根據(jù)我們所選的電壓和電流互感器的型號(hào)

43、可知，經(jīng)過電壓互感器轉(zhuǎn)換后，380V的交流電壓變?yōu)?.5V的交流電壓，而5A的交流電流經(jīng)過電流互感器后出來的電流是2mA。由于信號(hào)采集模塊采集的信號(hào)必須是電壓信號(hào)，因此在電流互感器的輸出端并聯(lián)一個(gè)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為采集模塊所需要的電壓信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖如圖8所示。互感器除了采集交流信號(hào)外還有隔離和保護(hù)作用，因此通過互感器對(duì)強(qiáng)電和弱電信號(hào)進(jìn)行隔離，很好的解決了強(qiáng)電信號(hào)和其他信號(hào)的干擾。圖中引腳VIP、VIN、VUP、VUN的信號(hào)均

44、送入ATT7026進(jìn)行處理，其中10K電阻為偏置電阻。</p><p>　　圖8 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖</p><p>　　3.9 鍵盤及顯示單元</p><p>　　3.9.1 鍵盤接口設(shè)計(jì)</p><p>　　鍵盤采用四鍵按鈕，直接接到單片機(jī)P3口的INT0，利用其接受外部中斷的能力完成鍵盤管理。四個(gè)按鍵分別是復(fù)位鍵、電壓倍率設(shè)置鍵、電

45、流倍率設(shè)置鍵及翻屏鍵。該系統(tǒng)是低電平復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)無法正常工作時(shí)可以通過該復(fù)位鍵將整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，讓其重新開始工作。該復(fù)位功能的實(shí)現(xiàn)是通過硬件來實(shí)現(xiàn)的，不需要軟件的參與，同時(shí)該復(fù)位鍵還將完成對(duì)液晶的硬件復(fù)位。電壓和電流倍率設(shè)置鍵用來設(shè)置倍率，用戶所需的電壓倍率存放在EEPROM的0x10至0x1e單元中，電流倍率存放在EEPROM的0x20至0x56單元中，掉電前的電壓和電流倍率分別存放在EEPROM的0x02和0x03單元中，每個(gè)倍率占用

46、兩個(gè)字節(jié)。電壓、電流倍率設(shè)置鍵分別由單片機(jī)的RA4、RE2控制。首先無論按下其中哪個(gè)鍵，在液晶屏上均會(huì)出現(xiàn)倍率設(shè)置窗口，再次按其對(duì)應(yīng)的按鍵就可以進(jìn)行電壓和電流倍率設(shè)置了。同時(shí)按下電壓倍率設(shè)置鍵和電流倍率設(shè)置鍵則可以清除倍率設(shè)置窗口。翻屏鍵用來實(shí)現(xiàn)在第一屏和第二屏之間進(jìn)行切換，不斷顯示各個(gè)參數(shù)的值，翻屏鍵由單片機(jī)的RA5控制。按鍵子程序采用查詢方式，各個(gè)按鍵功能的實(shí)現(xiàn)均是通過軟件來完成。</p><p>　　3.9

47、.2 液晶顯示器接口設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示器選用圖形點(diǎn)陣式液晶TM240128A作為用戶界面。這是一種集控制、驅(qū)動(dòng)、顯示于一體的液晶顯示器，它可直接與80C196KC相連。通過編程可按用戶要求顯示具體的畫面(包括漢字、字母、數(shù)字、表格、曲線等)。本次設(shè)計(jì)中的按鍵采用薄膜按鍵，主要用于設(shè)置測(cè)試儀參數(shù)，如電壓和電流倍率的設(shè)置、翻頁顯示及復(fù)位功能的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　點(diǎn)陣式液晶顯

48、示的工作原理[6]：</p><p>　　點(diǎn)陣圖形式液晶由M行×N列個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對(duì)應(yīng)1個(gè)字節(jié)的8個(gè)位，即每行由16字節(jié)，共16×8=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上64×16個(gè)顯示單元和顯示RAM區(qū)1024個(gè)字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H～00FH的16個(gè)字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)（000）

49、=FFH時(shí)，則屏的左上角顯示一條短亮線，長(zhǎng)度為8個(gè)點(diǎn)；當(dāng)（3FFH）=FFH時(shí)，則屏的右下角顯示一短亮線；當(dāng)（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=FFH，（003H）=00H，……（00EH）=FFH，（00FH）=00H時(shí)，則在屏的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本意思。</p><p>　　利用圖形顯示方式的界面直觀優(yōu)勢(shì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了電壓電流波形及頻譜顯示功能

50、。通過軟件上自編的“極大量顯示算法”。以最為有效的分辨率實(shí)時(shí)地再現(xiàn)電壓電流采樣值波形和各相諧波分布棒圖。圖9為電參數(shù)測(cè)試儀中的波形顯示屏。</p><p><b>　　圖9 波形顯示屏</b></p><p>　　3.10 單片機(jī)與上位機(jī)的通信</p><p>　　由于單片機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)應(yīng)用方便，抗干擾及在各種環(huán)境下適應(yīng)能力強(qiáng)，因而被稱

51、之為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的前端處理器(被稱之為下位機(jī))。常常被設(shè)置到現(xiàn)場(chǎng)采集各種數(shù)據(jù)及信息，同時(shí)可進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理后送到微機(jī)(被稱之為上位機(jī))，而且單片機(jī)(下位機(jī))同時(shí)也是一種控制器，接受微機(jī)(上位機(jī))下達(dá)的命令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)的自動(dòng)控制。微機(jī)的功能十分強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，能處理各種各類非常復(fù)雜的問題。在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被稱之為中央處理器(上位機(jī))。它將來自單片機(jī)(下位機(jī))的信息和數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后在微機(jī)界面上顯示出來，同時(shí)向單片機(jī)(下位機(jī)

52、)下達(dá)命令，以達(dá)到微機(jī)(上位機(jī))對(duì)單片機(jī)(下位機(jī))的控制，從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施控制。本測(cè)試儀帶有RS485接口，以便于電參數(shù)測(cè)試儀將測(cè)量到的各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)值通過RS485傳送到監(jiān)控室或者配電中心，這樣配電中心也能很清楚直觀的觀察到各個(gè)電參數(shù)測(cè)試儀的運(yùn)行狀況，準(zhǔn)確把握電網(wǎng)狀況。</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4．1 程序設(shè)計(jì)&

53、lt;/p><p>　　測(cè)試儀下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用Keil C軟件編程[7]。系統(tǒng)程序由主程序、信號(hào)采集子程序、信號(hào)處理子程序、串行通信子程序和中斷子程序等部分組成。80C196KC與上位機(jī)的串行通信采用其自帶的UART硬件傳輸中斷，以滿足數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)漠惒胶蛯?shí)時(shí)要求。單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理子程序的流程如圖10示。</p><p>　　圖10 數(shù)據(jù)采集和處理子程序</p><

54、;p><b>　　主程序代碼如下：</b></p><p>　　Void main()</p><p>　　{ AD()； ／／A／D初始化</p><p>　　Timer()； ／／定時(shí)計(jì)數(shù)器初始化</p>

55、;<p>　　OsciUator()； ／／晶體振蕩器初始化</p><p>　　IO()； ／／I／O口初始化</p><p>　　p17=0； ／／設(shè)置LED</p><p>

56、;　　do ／／模擬量采集</p><p>　　{ Frequency()； ／／PCA捕捉上升沿測(cè)量頻率</p><p>　　ADConvert(0x01，512，2)； ／／A／D轉(zhuǎn)換</p><p>　　do {ADRecei

57、ve()；}</p><p>　　while(receive_flag==0)； </p><p>　　ADSend()； ／／結(jié)果送上位機(jī)</p><p>　　receive_ flag=0；</p><p>　　}while(1)；</p><p&

58、gt;<b>　　}</b></p><p>　　上位機(jī)軟件編程涉及到有效值計(jì)算、交流電流和電壓的補(bǔ)償調(diào)整、相位差計(jì)算、幅值計(jì)算等。其中相位差計(jì)算主要由Lab Windows／CVI軟件自帶的相關(guān)分析函數(shù)int Correlate(double x[]，int n，double Y[]，int m，double rxy[])完成，其程序代碼如下：</p><p>　　

59、int CVICALLBACK Phase(int panel，int control，int event void*callbackData，int eventDatal，int eventData2)</p><p>　　{int Rum，numl，num2，num3；</p><p>　　double wavel， wave2， wave3，temp；</p><

60、p>　　double shu311511]={0}，shu41[511]={0};</p><p>　　switch(event)</p><p>　　{num1=num+num；</p><p>　　wave1=malloc(num1*sizeof(double))； ／／波形1</p><p>　　Correlate(

61、shu31,num，shu3l~num，wave1)；</p><p>　　num2=num+num；</p><p>　　wave2=malloc(num2*sizeof(double))； ／／波形2</p><p>　　Correlate(shu41，Rum，shu41，Rum，wave2)；</p><p>　　corr1m

62、ax=wave1[num-1]／num；</p><p>　　corr2max=wave2[num-1]／num；</p><p>　　num3=num+num；</p><p>　　wave3=malloc(num3*sizeof(double))； ／／波形3</p><p>　　Correlate(shu31，Rum，shu4

63、1，Rum，wave3)；</p><p>　　for(r=0；r<num*2；r++)</p><p>　　wave3[r]=wave3[r]／num；</p><p>　　corr3max=wave3Inum-1]；</p><p>　　temp=corr3max／sqrt(corr1max*corr2max)；</p>

64、<p>　　phasediff=acos(temp)*180／PI；</p><p><b>　　break； }</b></p><p>　　return 0；}</p><p>　　4．2 軟件抗干擾</p><p>　　抗干擾技術(shù)是測(cè)控系統(tǒng)研制中不可忽視的一個(gè)重要內(nèi)容。采用同步采樣技術(shù)計(jì)算電流、電

65、壓有效值時(shí)，如果采樣得到跳動(dòng)很大的脈沖干擾，該讀數(shù)會(huì)很不穩(wěn)定，很不真實(shí)。因此必須用數(shù)字濾波方法去掉干擾信號(hào)，保證讀數(shù)可靠性。在進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)[8]的過程中，經(jīng)常遇到在實(shí)驗(yàn)室調(diào)整很好的單片機(jī)一到工作現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問題，這主要是由于設(shè)計(jì)未充分考慮到外界環(huán)境存在的干擾，如機(jī)械震動(dòng)、各種電磁波和環(huán)境溫差都會(huì)影響硬件系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致電控單元不能正常工作。影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系

66、統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì)導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此其抗干擾[9]設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。</p><p>　　1．形成干擾的基本要素：</p><p>　?、俑蓴_源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，用數(shù)學(xué)語言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控

67、硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。</p><p>　?、趥鞑ヂ窂健Ｖ父蓴_從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。</p><p>　　③敏感器件。指容易被干擾的對(duì)象。如：ADC、DAC、單片機(jī)、數(shù)字IC、弱信號(hào)放大器等。</p><p><b>　　2．干擾的耦合方式</b></p>

68、<p>　　干擾源產(chǎn)生的干擾是通過耦合信道對(duì)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾作用,因而需要隔離干擾源與控制系統(tǒng)之間的耦合信道。表1列出了干擾源的主要干擾方式及特征。</p><p>　　表1 干擾源的主要干擾方式及特征</p><p>　　4.2.1 防脈沖干擾平均值數(shù)字濾波法求瞬時(shí)值</p><p>　　將某一電學(xué)量的采樣運(yùn)算連續(xù)運(yùn)行Ⅳ次，得到N個(gè)數(shù)據(jù) ，由

69、于存在各種干擾引起的粗大誤差，使數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值，當(dāng)剔除m個(gè)粗大干擾值后，其真值Xi可表示為</p><p>　　式中Xi —— 第i次采樣值。</p><p>　　一般粗大干擾值是偏離置的最大值，即僅有可能是Ximax值和Ximin值。這是一種掐頭去尾求平均值的濾波算法。這種方法既可濾去脈沖干擾，也可濾去小的隨機(jī)干擾。</p><p>　　4.2.2 采用滑動(dòng)平均

70、值數(shù)字濾波法求平均值</p><p>　　平均值用滑動(dòng)平均數(shù)字濾波法來求取。滑動(dòng)平均值法采用循環(huán)隊(duì)列作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，每求得一個(gè)新的數(shù)據(jù)，把新的數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，而扔掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，然后再求這些數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。</p><p><b>　　5 精度分析</b></p><p>　　5.1 u(n)、i(n)的精度</p><

71、;p>　　u(n)、i(n)的幅值精度取決于 A／D轉(zhuǎn)換器及前向模擬輸入通道 ，假定后者精度已滿足要求，80Cl96KC的A／D轉(zhuǎn)換器采用 lObit、±lLSB 。對(duì)正弦信號(hào)而言，其電壓蜂峰值為2倍的幅值，考慮到波形畸變等因素，取放大系數(shù) 2×2倍，分配到RMS只有 1024／5．6≈183級(jí)，考慮到 A／D轉(zhuǎn)換器的量化誤差，其轉(zhuǎn)換精度為+O．48％RMS。綜合前向模擬通道部分，誤差控制在+0．6％RMS以下

72、。</p><p><b>　　5.2 計(jì)算誤差</b></p><p>　　由于采用有限長(zhǎng)度數(shù)字，因此引入計(jì)算誤差。因?yàn)閁、I、P均為瞬間值乘積的積分，考慮到單片機(jī)數(shù)據(jù)處理的能力，機(jī)內(nèi)乘積用l6bit，累加計(jì)算使用32bit，引人誤差非常小，經(jīng)仿真計(jì)算實(shí)際引人誤差小于+0．0l％</p><p>　　5.3 計(jì)算方法引起的誤差</p

73、><p>　　可以證明，當(dāng)周期信號(hào)的諧波次數(shù)為有限項(xiàng)，且采樣問隔Ts滿足 Neiquist定理，同時(shí)信號(hào)周期恰好是采樣周期的整數(shù)倍N，那么電壓、電流、功率等連續(xù)信號(hào)積分與離散信號(hào)求和是相等的，理論上沒有測(cè)量誤差。</p><p><b>　　5.4 測(cè)試結(jié)果</b></p><p>　　為檢查測(cè)試儀的性能 ，利用標(biāo)準(zhǔn)方渡進(jìn)行了測(cè)試。通過對(duì)諧波分析

74、發(fā)現(xiàn)，測(cè)試與理論值略有誤差。這是因?yàn)樵谀壳暗臈l件下，要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步采樣是比較困難的。結(jié)果表明，本測(cè)試儀未超過國家B級(jí)諧波測(cè)量允許誤差范圍。</p><p><b>　　6 結(jié)束語</b></p><p>　　根據(jù)多功能電參數(shù)在線測(cè)試儀對(duì)準(zhǔn)確度的要求及被測(cè)信號(hào)的實(shí)際情況，采用硬件部分保證前向模擬輸人通道測(cè)量精度，運(yùn)用16位單片機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算、處理功能強(qiáng)的特點(diǎn)，用軟件編程保

75、證算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相電參量的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量。文章中提出的多種技術(shù)設(shè)計(jì)原理，經(jīng)過長(zhǎng)期的應(yīng)用與驗(yàn)證，具有普遍的應(yīng)用意義。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 范云霄，劉樺．測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理[M]．北京：中國計(jì)量出版 社．2002．</p><p>　　[2] 楊素行．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程[M]．北京：高等教

76、育出版社，2006．</p><p>　　[3] T.Grardke Interpolation algonthms for discrete Fourier transforras of weighted aignals [M]. IEEE trans.Instrum.Meas．1987(6)</p><p>　　[4] 秦曾煌，電工學(xué)：電工技術(shù)[M]，北京：高等教育出版社，1990：1

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79、.1993</p><p>　　[11] Reason J.Why Utilities Must Keep Pace with Radio Technology.Electical World.1993</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　時(shí)光荏苒，光陰似箭，短暫而又美好的大學(xué)生涯即將結(jié)束。在此期間，受益頗多，這都離

80、不開關(guān)心和幫助過我的老師和同學(xué)們。</p><p>　　本課題和論文是在導(dǎo)師教授的精心指導(dǎo)下完成的，在課題的研究過程中*老師給予我無私的幫助和悉心的關(guān)懷，并提出了許多寶貴的指導(dǎo)性建議，為此付出了辛勤的勞動(dòng)。*老師博大精深的知識(shí)面、扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和一絲不茍的治學(xué)精神給我留下了深刻印象，使我終身收益。另外，*老師也是一個(gè)注重動(dòng)手能力培養(yǎng)的學(xué)者，在大學(xué)求學(xué)階段，他提供了許多助教機(jī)會(huì)，鍛煉并提高了我的實(shí)際