畢業(yè)論文-三相電壓電流測試儀的設(shè)計

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

2、用電能計量芯片對信號進行數(shù)據(jù)采集與處理，并通過SPI口與MCU進行數(shù)據(jù)通信。本測試儀可以同時對電壓、電流、頻率等電參數(shù)進行測量，參數(shù)顯示采用液晶顯示技術(shù)，并配有RS485通信接口，可以將測量的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，多臺測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，都提供了相對應(yīng)的抗干擾措施，大大的提高了測試儀的抗干擾能力，增強了穩(wěn)定性。另外，本測試儀集測量、控制、顯示等功能于一體

3、，具有測量信號多、精度高、顯示直觀、高性價比等特點，還形成了多系列產(chǎn)品，并能靈活進行倍率調(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；測試儀；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7</p><p>　　3.2 單片機應(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9</p>&l

8、t;p>　　3.5信號調(diào)理電路10</p><p>　　3.6 計量原理11</p><p>　　3.7 脈沖輸出12</p><p>　　3.8 電源電路及信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計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13</p&g

9、t;<p>　　3.9.2 液晶顯示器接口設(shè)計14</p><p>　　3.10 單片機與上位機的通信15</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計15</b></p><p>　　4．1 程序設(shè)計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)字濾波法求瞬時值18</p><p>　　4.2.2 采用滑動平均值數(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 計算誤差19</p>&

11、lt;p>　　5.3 計算方法引起的誤差19</p><p>　　5.4 測試結(jié)果19</p><p><b>　　6結(jié)束語19</b></p><p><b>　　參考文獻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------啟動電流</p><p>　　VCC-----工作電壓</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　目前的三相測試儀大多數(shù)都采用平均值法測量交流電壓和電流的有效值。這種交直流轉(zhuǎn)換法測量交變信號的有效值存在著諸多缺點：非真有效值測量、無法測量非正弦交變周期信號、可測頻域窄、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，電壓和電流波形產(chǎn)生畸變，對電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的安全運行帶來嚴重影響。為保證供電質(zhì)量必須對諧波源和供電點的電壓和電流諧波含量進行實時檢測。本文提出的科研產(chǎn)品“三相電壓電流測試儀”，應(yīng)用單片機作為儀表智能部件，采用芯片內(nèi)部µs級的A／D轉(zhuǎn)換器作為數(shù)據(jù)采集器，由于是對信號進行逐點瞬間采樣，從原理上克服了目前三相電測儀表的種種缺點。應(yīng)用16位單片機數(shù)據(jù)計算、處理功

18、能強的特點，儀表可實現(xiàn)全電學(xué)量的實時跟蹤測量。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)概述</b></p><p>　　為了避免強電信號對弱電信號的干擾，在整體結(jié)構(gòu)上采用三層電路板：底層為信號采集電路板，因其上面布置了很多大而重的元器件，為了保持整個測試儀結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性，將其至于底層。中間層為信號處理電路板，該層是將信號采集板傳送過來的小電壓電流信號進行一些相關(guān)的處理，

19、這層板也是本次設(shè)計的主控電路板；上層是LCD顯示電路板，用于對從中間層傳送過來的測量參數(shù)進行顯示。其中底層與中間層通過一根26芯的信號線連接，而中間層與上面的LCD顯示層間通過一根20芯的信號線相連。測試儀的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p>　　圖1 電參數(shù)測試儀整體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　基于測試技術(shù)與信號處理中的采樣定理[1]，實現(xiàn)對三相電信號采集。系統(tǒng)充分發(fā)揮了80C19

20、6KC系列單片機強大的數(shù)據(jù)采集能力，A／D采集速率可達到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)用軟件分析計算出相位差、電壓基波有效值等參數(shù)。</p><p>　　測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。軟件結(jié)構(gòu)上、下位機采用Keil C軟件編程，上位機采用Lab Win—dows／CVI軟件編程。電路設(shè)計中．交流信號經(jīng)過放大處理后，由頻率測量電路、電壓測量電路和電流測量電

21、路分別輸入單片機，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后．通過串口送到上位機做進一步的信號分析處理。單片機內(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，并將其轉(zhuǎn)化結(jié)果通過RS-485串口送入上位機。根據(jù)這些信息，上位機用戶界面顯示電壓、電流波形：用Lab Windows／CVI中的相關(guān)分析函數(shù)計算相位差。根據(jù)離散積分公式[2]計算電壓、電流的有效值并在用戶界面上顯示。</p><p>　　圖2 測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

22、圖</p><p>　　對于真有效值的測量：利用80C196KC單片機控制ACH0、ACH1雙通道的A／D轉(zhuǎn)換器，同時對電壓、電流波形進行逐點數(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>　　上式中參與運算的各瞬變數(shù)字量u(n)、i(n)都是經(jīng)過零點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</p><p>　　硬件設(shè)計的主要任務(wù)是基于總體方案設(shè)計，選擇系統(tǒng)所需的各類元器件、設(shè)計系統(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)計應(yīng)確保功能設(shè)計和接口設(shè)計滿足系統(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)計技術(shù)。</p><p>　　電參數(shù)測試儀的硬件總體設(shè)計圖如圖3所示。</p><p>　　圖3 電參數(shù)測試儀的硬件總體設(shè)計圖</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。本測試儀的MCU模塊采用80C196KC

25、單片機，用于控制各個功能模塊的連接與執(zhí)行。其主要作用與計量模塊之間的信號傳輸、控制并傳輸各參數(shù)的測量值至LCD進行顯示、通過功能模塊對整個系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置以及通過RS485與上位機進行數(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、大電流信號變換為可以經(jīng)過ATT7026處理的小電壓、小電流信號，變換以后的小信號經(jīng)過抗混疊濾波

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

27、顯示器件，液晶顯示器件具有很多獨到的優(yōu)異特性：低壓、微功耗顯示信息量大；長壽命；無輻射、無污染。在本次設(shè)計中，液晶型號為GM12641其控制器為HD61202，這樣使得測試儀測量到的各參數(shù)能夠?qū)崟r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，將測試儀測量到的各個參數(shù)的值經(jīng)過RS485接口傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)配電中心或監(jiān)控室的實施監(jiān)控，從而及時掌握各測試儀的運行狀況。若有多臺測試儀同

28、時工作，還可以通過RS485接口通信形成控制網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　3．2 單片機應(yīng)用系統(tǒng)</p><p>　　系統(tǒng)是由單片機80C196KC、程序存儲器EPROM27C128、數(shù)據(jù)存儲器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)本測試儀所必需具備的。單片機系統(tǒng)完成：數(shù)據(jù)采集、信號預(yù)處理、快速FFT

29、、各參數(shù)的運算、顯示及畫面切換處理功能。 </p><p>　　該單片機功能強大的集成模塊簡化了硬件電路設(shè)計。測試儀A／D轉(zhuǎn)換器是由內(nèi)置的8通道12位A／D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。最重要的是片內(nèi)RAM與上位機通訊時，可在RAM 中開辟下位機的數(shù)據(jù)緩存區(qū)。這樣下位機可分時進行數(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 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)的特點是由硬件部分保證前向模擬輸入通道測量精度，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的輸入電壓信號自動地分為8個量程信息。因為電網(wǎng)信號的帶寬一般不是有限的，為防止混疊效應(yīng)及高頻干擾，被測信號要經(jīng)過抗混疊濾波器。低通濾

31、波器的設(shè)計要考慮到：保證信號傳輸不失真即信號通過濾波器時，輸入與輸出之間相移與頻率成正比，同時在頻譜范圍內(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</b></p><p>　　圖4 前向模擬輸入通道結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　為了對被測信號進行快速FFT，將被測電

32、壓及電流信號在一個周期等間隔采樣128點。以微處理和快速FFT算法為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)電學(xué)量在線測量時，其誤差來源有：模擬量離散化時引入的誤差、數(shù)據(jù)處理中的運算舍入誤差、A／D轉(zhuǎn)換的量化誤差，對周期信號而言，表現(xiàn)為當采樣頻率和信號基頻不同步時產(chǎn)生的泄漏誤差(Leakage errors)，這是造成對周期信號進行分析、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，在測試儀中設(shè)計了一個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)。當信號基頻發(fā)生漂移時，128倍頻電路能自動跟蹤信號基頻，每隔20ms／128=156．25 µs啟動一次A／D轉(zhuǎn)換，保證在任何一個完整的周期內(nèi)，等問隔完成128次瞬間采樣。</p><p><b>　　信號調(diào)理電路</b>&l

34、t;/p><p>　　在信號采集與處理模塊中，信號采集板的作用是向信號處理板提供所需要采集的交流信號和電源，并隔離了一些干擾信號，避免其進入主控電路板。將強電信號轉(zhuǎn)換為弱電信號采用互感器方式。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。另外當電力線路發(fā)生故障時，出現(xiàn)過電壓或過電流時，由于互感器鐵芯趨于飽和，其輸出不會

35、成正比的增加，能夠起到對測量儀表設(shè)備的保護作用。</p><p>　　圖5 電壓信號采集電路</p><p>　　圖6 電流信號采集電路</p><p>　　電壓信號采集電路如圖5所示。采用互感器對三相交流電隔離降壓，經(jīng)差模放大后輸入單片機。采用VREF／2為參考電壓基準，將交流電壓信號的零點提升到VREF／2，使采樣到的正弦信號介于0和VREF之間，單片機能夠識

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

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

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>　　②數(shù)字移相濾波器</b></p><p>　　主要完成對電壓信號移相90度的信號處理。在保證信號幅頻響應(yīng)不衰減的前提下，能夠?qū)?0-1500Hz的采樣信號進行移相90度的處理。因此無功計量的帶寬限制在1500Hz以

39、內(nèi)。</p><p><b>　?、塾行е禍y量</b></p><p>　　通過對電流、電壓采樣值進行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運算得到。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。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)動機電式計度器。</p><p>　　3.8 電源電路及信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計</p><p>　　電源是系統(tǒng)中一個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系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)。在整個測試儀系統(tǒng)中的各個單元幾乎都為有源器件，需要對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。本測試儀在設(shè)計時利用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，這個電壓主要用于對主控電路板上的諸如單片機、ATT7026、液晶及485芯片供電。電源電路設(shè)計[5]如圖7所示。在本電路中為了防雷擊和過壓或過流，在信號進入互感器之前接入壓敏電阻，這種相當常見的電阻雖然價

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絲，壓敏電阻有其最大的耐壓值，當通過壓敏電阻的電壓超過最大耐壓值時，壓敏電阻就會被擊穿，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，將強電信號轉(zhuǎn)換為弱電信號，根據(jù)我們所選的電壓和電流互感器的型號

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。由于信號采集模塊采集的信號必須是電壓信號，因此在電流互感器的輸出端并聯(lián)一個電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為采集模塊所需要的電壓信號。信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計圖如圖8所示。互感器除了采集交流信號外還有隔離和保護作用，因此通過互感器對強電和弱電信號進行隔離，很好的解決了強電信號和其他信號的干擾。圖中引腳VIP、VIN、VUP、VUN的信號均

44、送入ATT7026進行處理，其中10K電阻為偏置電阻。</p><p>　　圖8 信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計圖</p><p>　　3.9 鍵盤及顯示單元</p><p>　　3.9.1 鍵盤接口設(shè)計</p><p>　　鍵盤采用四鍵按鈕，直接接到單片機P3口的INT0，利用其接受外部中斷的能力完成鍵盤管理。四個按鍵分別是復(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，當系統(tǒng)無法正常工作時可以通過該復(fù)位鍵將整個系統(tǒng)復(fù)位，讓其重新開始工作。該復(fù)位功能的實現(xiàn)是通過硬件來實現(xiàn)的，不需要軟件的參與，同時該復(fù)位鍵還將完成對液晶的硬件復(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，每個倍率占用

46、兩個字節(jié)。電壓、電流倍率設(shè)置鍵分別由單片機的RA4、RE2控制。首先無論按下其中哪個鍵，在液晶屏上均會出現(xiàn)倍率設(shè)置窗口，再次按其對應(yīng)的按鍵就可以進行電壓和電流倍率設(shè)置了。同時按下電壓倍率設(shè)置鍵和電流倍率設(shè)置鍵則可以清除倍率設(shè)置窗口。翻屏鍵用來實現(xiàn)在第一屏和第二屏之間進行切換，不斷顯示各個參數(shù)的值，翻屏鍵由單片機的RA5控制。按鍵子程序采用查詢方式，各個按鍵功能的實現(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</p><p>　　顯示器選用圖形點陣式液晶TM240128A作為用戶界面。這是一種集控制、驅(qū)動、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)計中的按鍵采用薄膜按鍵，主要用于設(shè)置測試儀參數(shù)，如電壓和電流倍率的設(shè)置、翻頁顯示及復(fù)位功能的實現(xiàn)。</p><p>　　點陣式液晶顯

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

49、=FFH時，則屏的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3FFH）=FFH時，則屏的右下角顯示一短亮線；當（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=FFH，（003H）=00H，……（00EH）=FFH，（00FH）=00H時，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，我們設(shè)計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時地再現(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 單片機與上位機的通信</p><p>　　由于單片機的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計應(yīng)用方便，抗干擾及在各種環(huán)境下適應(yīng)能力強，因而被稱

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

52、)下達命令，以達到微機(上位機)對單片機(下位機)的控制，從而達到對現(xiàn)場的實施控制。本測試儀帶有RS485接口，以便于電參數(shù)測試儀將測量到的各個參數(shù)的實時值通過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電參數(shù)測試儀的運行狀況，準確把握電網(wǎng)狀況。</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計</b></p><p>　　4．1 程序設(shè)計&

53、lt;/p><p>　　測試儀下位機的軟件設(shè)計采用Keil C軟件編程[7]。系統(tǒng)程序由主程序、信號采集子程序、信號處理子程序、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)漠惒胶蛯崟r要求。單片機數(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()； ／／定時計數(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</p><p>　　receive_ flag=0；</p><p>　　}while(1)；</p><p&

58、gt;<b>　　}</b></p><p>　　上位機軟件編程涉及到有效值計算、交流電流和電壓的補償調(diào)整、相位差計算、幅值計算等。其中相位差計算主要由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)是測控系統(tǒng)研制中不可忽視的一個重要內(nèi)容。采用同步采樣技術(shù)計算電流、電

65、壓有效值時，如果采樣得到跳動很大的脈沖干擾，該讀數(shù)會很不穩(wěn)定，很不真實。因此必須用數(shù)字濾波方法去掉干擾信號，保證讀數(shù)可靠性。在進行單片機應(yīng)用開發(fā)[8]的過程中，經(jīng)常遇到在實驗室調(diào)整很好的單片機一到工作現(xiàn)場就會出現(xiàn)這樣或那樣的問題，這主要是由于設(shè)計未充分考慮到外界環(huán)境存在的干擾，如機械震動、各種電磁波和環(huán)境溫差都會影響硬件系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致電控單元不能正常工作。影響單片機系統(tǒng)可靠安全運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、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機系統(tǒng)的干擾因素，常會導(dǎo)致單片機系統(tǒng)運行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟損失，因此其抗干擾[9]設(shè)計就顯得尤為重要。</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，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、高頻時鐘等都可能成為干擾源。</p><p>　　②傳播路徑。指干擾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>　?、勖舾衅骷?。指容易被干擾的對象。如：ADC、DAC、單片機、數(shù)字IC、弱信號放大器等。</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微機測控系統(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)字濾波法求瞬時值</p><p>　　將某一電學(xué)量的采樣運算連續(xù)運行Ⅳ次，得到N個數(shù)據(jù) ，由

69、于存在各種干擾引起的粗大誤差，使數(shù)據(jù)偏離真實值，當剔除m個粗大干擾值后，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，也可濾去小的隨機干擾。</p><p>　　4.2.2 采用滑動平均

70、值數(shù)字濾波法求平均值</p><p>　　平均值用滑動平均數(shù)字濾波法來求取?；瑒悠骄捣ú捎醚h(huán)隊列作數(shù)據(jù)存儲器，每求得一個新的數(shù)據(jù)，把新的數(shù)據(jù)放入隊尾，而扔掉原來隊首的一個數(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 。對正弦信號而言，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，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 計算誤差</b></p><p>　　由于采用有限長度數(shù)字，因此引入計算誤差。因為U、I、P均為瞬間值乘積的積分，考慮到單片機數(shù)據(jù)處理的能力，機內(nèi)乘積用l6bit，累加計算使用32bit，引人誤差非常小，經(jīng)仿真計算實際引人誤差小于+0．0l％</p><p>　　5.3 計算方法引起的誤差</p

73、><p>　　可以證明，當周期信號的諧波次數(shù)為有限項，且采樣問隔Ts滿足 Neiquist定理，同時信號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)信號積分與離散信號求和是相等的，理論上沒有測量誤差。</p><p><b>　　5.4 測試結(jié)果</b></p><p>　　為檢查測試儀的性能 ，利用標準方渡進行了測試。通過對諧波分析

74、發(fā)現(xiàn)，測試與理論值略有誤差。這是因為在目前的條件下，要實現(xiàn)嚴格的同步采樣是比較困難的。結(jié)果表明，本測試儀未超過國家B級諧波測量允許誤差范圍。</p><p><b>　　6 結(jié)束語</b></p><p>　　根據(jù)多功能電參數(shù)在線測試儀對準確度的要求及被測信號的實際情況，采用硬件部分保證前向模擬輸人通道測量精度，運用16位單片機數(shù)據(jù)計算、處理功能強的特點，用軟件編程保

75、證算法，實現(xiàn)了對三相電參量的實時跟蹤測量。文章中提出的多種技術(shù)設(shè)計原理，經(jīng)過長期的應(yīng)用與驗證，具有普遍的應(yīng)用意義。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 范云霄，劉樺．測試技術(shù)與信號處理[M]．北京：中國計量出版 社．2002．</p><p>　　[2] 楊素行．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[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

77、80～198</p><p>　　[5] 郝鴻安． 常用模擬集成電路應(yīng)用手冊[M].北京：人民郵電出版社，1999</p><p>　　[6] 李維諟、郭強，液晶顯示控制技術(shù)[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[7] 童長飛． C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2005．</p><p

78、>　　[8] 趙峻彥、李曼，單片機系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計，長春大學(xué)學(xué)報，2005年02期</p><p>　　[9] 王幸之、王雷等，單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000</p><p>　　[10] Reason J.Communications Alternatives for Distribution Aumation.Electical World

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。*老師博大精深的知識面、扎實的理論基礎(chǔ)、嚴謹?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，*老師也是一個注重動手能力培養(yǎng)的學(xué)者，在大學(xué)求學(xué)階段，他提供了許多助教機會，鍛煉并提高了我的實際