交直流数据采集系统的研制

2006-05-07 15:49:53来源: 电子技术应用

    摘 要: 介绍一个交直流数据采集系统。它采用参数自寻优同步采样法和双向过零鉴相技术,充分发挥了单片机在智能化仪器中的软件优势。给出的采样前置电路和其他硬件同样具有参考价值。

    关键词: 采样参数自寻优 鉴相技术 前置电路 外中断口 双隔离采样通道

    由于单片机的问世,微计算机技术得到了迅猛的发展,由此而产生的智能化仪器已渗透到测量的各个领域。在我们研制的交直流参数测量仪中,充分发挥了单片机系统的软硬件优势,提高了电压、电流、功率、相位及频率的测量精度,并能对被测交直流电量进行自动识别。文中提到的参数自寻优同步采样法的思路是新颖的,通过软件寻优,选择最佳的采样次数N和采样间隔τ,使由采样计算所引起的同步误差得到最大限度的减小。在仪器中采用软硬件结合实现的双向过零鉴相技术,使相位测量的结果不再包含比较器失调和温漂等因素所引起的误差。精密高效的采样前置电路,提供了一种新的交流信号整流方法和一个消除模拟开关导通电阻对测量精度影响的措施,此电路对直流信号同样有效。为了使信号的上下沿都能触发单片机的外中断,适应双向过零鉴相的需要,我们对51系列单片机的外中断口进行了重构改造。由于采用了串行A/D和将电源分离,很容易地实现了采样通道与采样通道之间、采样通道与中央处理器之间的双隔离,满足了电工测试的特殊需要。

    1 参数自寻优同步采样

    1.1采样思路

    采样方法早在二十世纪四十年代已用于数值积分中,后来引入电磁测量,对周期性变化量的时间轴进行离散化以便对功率进行精密测量。具体做法是将信号的一个整周期(或多个整周期)进行均匀离散,在每一离散点处取其瞬时值,称做同步采样。同步采样是假定N次均匀采样间隔т之和恰好等于一个周期T或m个周期(mT)的理想采样;但实际测量系统中由于环节和所用部件的不完善等原因,难于严格实现这一要求,出现一些差异s1.gif (1237 字节),称作同步误差。同步误差总是存在的,即使周期T获得的可信度已很高,但无论是预先确定采样间隔τ,实时确定采样次数s2.gif (1390 字节),还是预先确定采样次数N,实时确定采样间隔s3.gif (1322 字节),由于取整的原因,这种由计算带来的截断误差s4.gif (1212 字节)总是在所难免的。在实际测量中,很小的同步误差也会产生较大的测量误差。据此分析使我们想到,如果采样次数和采样间隔都不预先确定,微处理器在得到信号的实测周期后,用寻优的方法来确定采样参数N和т,以期最大限度地减小同步误差或周期截断差,使系统的运作更接近于同步采样的理想式N.т=T。这就提出了参数自寻优等间隔同步采样的基本思路。

    按照这个思路,我们可以让微处理器实时计算m个T周期内,采样次数的下限Ndw和上限Nup间使误差判据最小的N值和τ值,作为m个信号周期内的采样次数和采样间隔。用m个信号周期来做为采样周期,一是为了找到更为优化的N和τ;二是能使(m·T)/N足够长,以便有充裕的时间完成所需进行的实时运算。Ndw的确定应满足香农采样定理,即使Ndw/m大于2倍的最高次谐波的次数kmax。Nup的确定受微处理器运算速度和A/D转换器转换速度的限制。 总之,m、Ndw、Nup的确定既有各自的限制又要有相关联的考虑。

    误差判据可以采用使同步误差ΔT最小,也可以采用使周期截断误差s5.gif (1214 字节)最小。

    1.2软件编程

    图1是采样参数自寻优子程序的框图。图中的符号ΔTmin、ΔTmax为较小、较大同步误差暂存单元;Tmin、Tmax为较小、较大同步误差时的采样间隔暂存单元;Nmin、Nmax为较小、较大同步误差时的采样次数暂存单元;Nn、тn是循环比较中采样次数和采样间隔的暂存单元;No、тo是最优采样次数和采样间隔的暂存单元。

    仪器的微处理器采用89C52单片机,在时钟频率为12MHz时,采样参数自寻优子程序的运行时间约为18ms左右(Nup-Ndw=80时)。在工频测量中采样周期取5个信号周期时,每秒可更新显示数据4~5次,这样的测量速度显然已能满足大多数现场测量的要求。采样参数的自寻优使同步误差大大地下降,使由同步误差引起的测量误差下降到可忽略不计。仪器采用12bit A/D转换器,使交流电压电流的测量精度达到0.1级交流功率的测量精度达到了0.2级。                  

    2双向过零鉴相技术

    2.1单向过零鉴相的缺陷

    单向过零鉴相的原理是两个同频正弦信号A和B,经过比较器过零比较和整形后,输出两个占空比为50%的方波脉冲PA和PB,PA和PB通过一鉴相电路得到ΦAB,我们称ΦAB为信号A和信号B的相位差。

    但实际的情况并非如此理想,由于受失调和温漂的影响,将使比较器不能在实际的过零点及时翻转。正失调时,比较器输出脉冲的占空比小于50%,负失调时,比较器输出脉冲的占空比大于50%。由此,不管我们是用正向过零鉴相还是负向过零鉴相,都将给相位测量带来误差。除非两个比较通道具有相同的失调极性和相同的失调量,而这又是一种不现实的理想状况。

    2.2双向过零鉴相的原理与实现

    既然误差是由过零脉冲偏离了50%的占空比而引起的,那么我们可以将两个失调方波脉冲修正成理想方波后再进行鉴相,或者用测量两个方波脉冲中心点的时间差来得出相位差。最简单的方法是对正向过零鉴相的结果和负向过零鉴相的结果取均值,把这个均值作为所期望的鉴相结果。这是运用了计量学中的系统误差正反向抵消法,我们称之为双向过零鉴相技术。

    频率、周期以及相位差的数字化测量,其基本思想都是通过门控技术将输入的未知量与已知的基准量进行比较后,量化计数再处理显示。单片机本身就含有定时器/计数器,为解决定时门控和计数填充提供了基本条件。信号的正向过零和负向过零使比较器的输出从高到低或从低到高翻转,单片机的外中断口在响应这种变化时,就需要具有信号的高电平与低电平均能触发中断的功能。51系列的单片机在许多方面都具有优秀的性能,但它的外中断口只能低电平或下降沿触发,这给许多实际应用带来了困难。

   t2.gif (5512 字节) 据此,我们只好给单片机重构一个外中断口,它在仪器进行相位测量时,高电平或低电平都能触发单片机的外中断口。具体线路原理如图2所示。

    这个重构的外中断口由一个异或门电路和单片机的外中断口加一条I/O线组成。它是这样工作的:第一步,单片机置I/O线为低电平送与异或门的一个输入端,则异或门的输出端的电平高低反映了它另一个输入端电平的高低。第二步,单片机从 /INT线测得信号电平的高低,取反后再从I/O线输出,使异或门的两个输入端处于不同的电平,则异或门的输出端处于高电平,这时再软件开中断,准备中断。第三步,过零输入信号使比较器翻转,异或门的两个输入端处于同一电平,异或门的输出端的电平从高向低变化形成低电平触发单片机中断。第四步,单片机处理完中断服务程序后重复第一、二步,为下一次中断作准备。

    3 高效的交直流采样前置电路

    图3所示电路是我们用于交直流参数测量仪中的被测量的采样前置处理单元。它集精密全波整流、量程切换、信号过零比较于一体。

    U3CD4053是三组单刀双掷集成模拟开关,开关X承担了全波整流任务,其控制端A受控于比较器U3的输出电平。图中运放U10工作于同相放大状态,运放U11工作于反相放大状态,比较器的输入引自U10的放大输出信号,这有利于提高比较器对信号的灵敏度。电路输入交流信号的正半波时,同相连接的比较器U9输出高电平,模拟开关X接通运放U10输出信号送后续A/D电路;电路输入交流信号的负半波时,比较器U9输出低电平,模拟开关X接通反向器U10的输出信号送后续A/D电路。由此完成了由U9过零跃变的准数字量控制的全波整流过程。这个准数字信号通过光耦作用于单片机的外中断口被同时用于测频和鉴相。

    U3的另两组模拟开关Y和Z承担了三个量程的切换任务,它们的控制端B和C通过光耦受控于来自单片机的量程切换命令。

    众所周知,常用的CMOS集成模拟开关并不是理想开关,它接通时一般具有几十欧姆到几百欧姆的导通电阻Ron。Ron并不是一个固定的值,它随使用电源电压的不同可以相差很大,而且Ron还受温度影响,当温度上升时,Ron随温度上升而增大。Ron的存在和变化给在量程切换电路中使用模拟开关带来了麻烦。无论将模拟开关设置在运放的反馈电阻回路,还是输入电阻回路,Ron都将影响测量精度。在图3电路中,我们将U10运放同相放大电路的电流汇集点移至模拟开关的输入端,也就是说,将用于量程切换的模拟开关接入同相放大运放电路电流汇集点的内侧。这样,模拟开关的导通电阻Ron将被归并入运放的输入电阻,运放本身的高输入阻抗使Ron得以忽略。

    值得一提的是,图3电路能同样有效地用于直流信号的前置处理。电路的输入端无论接入的是直流正信号还是直流负信号,输出的幅值都是0伏以上的直流正信号,这对采用单电源的后续采保和A/D转换电路尤其适用,而此时可以从比较器输出的电平高低获知是正输入还是负输入。特别重要的是,直流信号和交流信号具有相同的传输增益,给交直流参数测量仪的软件同一处理提供了极大的方便。

    t4.gif (8675 字节)4 系统软件简介

    图4是交直流参数测量仪的系统软件主程序框图。其结构属于那种所谓作业顺序调度型,系统运行后按一个预定顺序执行一系列作业,循环不已。

    系统运行到主程序框图的(A)框处,用等待中断的方法判断被测信号是交流还是直流,软件延时等待其间若没有发生电压或电流通道比较器过零信号引起的外中断,则系统将被测量判为直流性质,系统转向(B)框执行;若延时期间外中断发生,则系统将被测量判为交流性质,转向(C)框执行,将记录下的数次中断时刻用作信号周期T和相位Φ的测量,相位的测量采用双向过零平均值鉴相技术。系统测得信号周期T后,调用采样参数自寻优子程序,实时确定最优采样次数No和采样间隔тo,为数据采集做好准备。

    系统在主程序的(D)框处执行数据采集,电压采样通道和电流采样通道具有相同的采样前置电路和A/D转换器,前置电路将经准数字式全波整流的信号送12bit串行A/D转换器MAX187。MAZ187内含电压基准和采样保持电路,单电源DIP8封装,使用十分方便,特别是它的三线串行接口,容易与中央处理单元实现光电隔离。系统通过一根I/O线同时拉低两个通道MAX187的/CS线,同时启动电压和电流通道的A/D转换,实现了真正意义上的实时采样。

    程序执行到(E)框处按数值积分式处理No个采样数据。无论被测量的是交流性质还是直流性质,都采用同一的数值积分式处理:

  s6.gif (6840 字节) 

    我们看到以上三式对直流信号同样有效,还起到了数字滤波的作用,消除随机干扰的影响。在交流电压和电流的数值计算时,不考虑采样数据的极性;在交流功率的数值计算时,考虑到被测电压和电流的相位差,不可忽略采样数据的极性,功率有效值的数值积分式中的求和号Σ应对No个电压采样数据和电流采样数据的乘积求代数和。程序采用三字节浮点运算,使运算结果达到了十进制四位以上的精度。

    主程序的(F)框执行显示测量结果的任务,仪器分四个显示单元同时显示电压、电流、功率以及相位或频率。为了不占用CPU时间,保证测量精度,我们采用两片串行接口的显示驱动芯片MAX7219。MAX7219是一个高性能的可以多片级联的8位LED显示器驱动器,三线串行接口可以方便地用51系列单片机的串行口和一条I/O线控制。I/O线拉高MAX7219的LOAD线,使其允许数据输入;单片机的串行口设置位模式0,同步移位时钟由TXD端输出接MAX7219的CLK脚,数据由RXT端输出接7219的DIN;需要注意的是,51系列单片机的串行口模式0输出数据是低位在前,MAX7219接收数据要求高位在前,所以在传输前要把数据的高低位逆转。

    本文从测量策略、软硬件设计等方面叙述了我们在研制交直流参数测量仪中的几点体会。我们提出的参数自寻优等间隔同步采样法是对周期信号的采样方法的一种新的探索,这种采样方法极大地减小了由采样计算所引起的同步误差,许多传统的采用常规同步采样法的仪器,只要更新软件就能有效地提高测量精度,参数自寻优同步采样法为之提供了廉价的不需硬件开销的升级途径。双向过零鉴相技术及其实现也是用极简单的软硬件方法消除了相位测量中的系统误差。文中给出的采样前置电路、系统软件的设计思想等对某些应用系统也有一定的参考价值。

 

 

 

 

 

 

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/others/200605/2356.html
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