【文章內(nèi)容簡介】 保證經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號保留著相應(yīng)頻率內(nèi)完整的原始信息。 在電力諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，我們要研究的最高頻率的諧波信號是50次諧波，其頻率是2500HZ，要對其進(jìn)行正確取樣，保證原始信號的信息，按照奈奎斯特采樣定理，取樣頻率應(yīng)保持在5000HZ以上。奈奎斯特定理是一種理想的采樣定理，是在完全沒有噪聲干擾情況下的理論值，在實際應(yīng)用時，往往要保持理想采樣信號最高頻率的3—5倍。采樣信號的分辨率也關(guān)系到信號對原始信息的保留情況，所謂分辨率是指模／數(shù)轉(zhuǎn)換器用來表示模擬信號的數(shù)據(jù)的位數(shù)。用來表示數(shù)字信號的二進(jìn)制位數(shù)越多，分辨率越高，信號范圍內(nèi)被分割成的區(qū)間數(shù)目越大，所以能探測到的電壓變化情況就越細(xì)微。比如一個振幅為10的正弦波電流，用一個理想的3位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，獲得相應(yīng)的數(shù)字圖像如圖2所示，一個3位變換器可以把模擬范圍劃分為23個區(qū)間，即8個區(qū)間，每個區(qū)間都由000到111八個二進(jìn)制數(shù)中的一個來表示。從圖中可以明顯的看出，數(shù)字表示的階梯圖形與原始信號有著明顯的不同，這些不同就是由于模／數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，數(shù)字信號丟失了部分信息造成的。顯然分辨率越高，分區(qū)越多，數(shù)字化后的階梯圖形越接近原始波形。比如分辨率增加到16位時，模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼數(shù)從8增加到216(65536)個，在取值范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)描述更加精細(xì)。由此可見，在恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計模擬輸入電路其它部分的情況下，提高分辨率可以對模擬信號進(jìn)行更加準(zhǔn)確的數(shù)字化。 圖2 波形數(shù)字化信號對比示例編碼寬度在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中反映了最小可探測的電壓變化，其定義是數(shù)字化后，數(shù)據(jù)最低位有效位1(LSB)代表的電壓變化范圍，從定義可知，用電壓范圍除以增益和2的分辨率次冪的乘積來進(jìn)行計算。 對于數(shù)據(jù)采集硬件而言，在設(shè)計和使用時還要考慮微分非線性度(DNL)、相對精度、所用放大電路的穩(wěn)定時間和噪聲等參數(shù)，這些都可能對采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，所以在設(shè)計時要注意技術(shù)規(guī)范，不能只參考分辨率等幾個指標(biāo)，而應(yīng)該全面考慮，這樣才能確保所采集的數(shù)據(jù)有足夠的精度。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的計算機從成本上講，更多使用的是微機，它的性能和連接總線有可能直接影響數(shù)據(jù)連續(xù)采集的速度?，F(xiàn)在市場上的高端微機大多可以集成PCI／PCI Express、PXI／Compact PCI和IEEE 1394總線，并保留了傳統(tǒng)的USB、RS232或RS485總線接口，所以對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，總線的選擇是非常靈活的。使用RS232或RS485串口，數(shù)據(jù)采集的吞吐量會受到一定的限制，在采集速率要求較高時，就不能滿足需要了。數(shù)據(jù)采集的總線在選擇時，要考慮各類總線所能支持的數(shù)據(jù)傳輸方式，進(jìn)行合理的選擇。 計算機現(xiàn)在都有可編程I／O傳送、中斷傳送及DMA傳送方式。傳送方式的不同會影響數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐量，其中DMA方式具有更高的數(shù)據(jù)吞吐量，原因是其使用專門的硬件把數(shù)據(jù)直接傳送到計算機內(nèi)存，處理器不參加數(shù)據(jù)傳送的控制，可以并行地進(jìn)行自己的任務(wù)處理。選定使用某一類傳送方式，必須使用支持這類傳送的設(shè)備。例如，PCI和USB設(shè)備可以支持DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA設(shè)備只支持中斷傳送方式。 對于計算機的選擇可以根據(jù)使用情況來確定，要實時處理大量數(shù)據(jù)時，要選用高速的處理器或?qū)Ｓ玫牟迦胧教幚砥?，如?shù)字信號處理(DSP)板卡，而對于只采集或簡單換算處理的數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，則選用一般微機就可以滿足。當(dāng)然，在選擇計算機時，滿足當(dāng)前目標(biāo)的同時，還應(yīng)該考慮投資的長期回報。軟件在數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，起著非常重要的作用，它負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)采集硬件和計算機結(jié)合成一個完整的系統(tǒng)，并控制完成數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示等任務(wù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能和軟件有著重要的關(guān)系，好的軟件可以和硬件很好的結(jié)合，使系統(tǒng)具有靈活性和高性能。在軟件開發(fā)時，選擇合適的開發(fā)工具，可以達(dá)到事半功倍的效果，極大地降低開發(fā)數(shù)據(jù)采集程序所需要的時間及成本。 USB接口概述USB(Universal Serial Bus)的出現(xiàn)為解決過去的遺留問題找到了答案，很多人都經(jīng)歷過這樣的失敗，在安裝了調(diào)制解調(diào)器、打印機、掃描儀等計算機外設(shè)后，它們卻不能正常工作。更糟的是用戶不知道從哪下手解決問題，為此我們不得不為等待幫助而擔(dān)擱數(shù)小時。由于得到了大多數(shù)廠商的支持，USB成為了上述問題的解決方案。對于一般用戶而言，它使計算機系統(tǒng)連接外部設(shè)備變得更為方便和容易了。USB的應(yīng)用范圍非常廣泛，可以用于現(xiàn)有的計算機，也可以用于有嵌入式處理芯片的電器設(shè)備上。 USB的特點USB提供了最簡單的計算機外設(shè)連接方式。使用了USB，用戶無需再為鼠標(biāo)和鍵盤的連接是否正確而操心了。不管是連接顯示器、打印機，還是連接大容量磁盤存儲驅(qū)動器，只需要使用USB一種電纜就可以了。用戶再也不用考慮連接的端口是串口還是并口。因為使用了USB接口，計算機內(nèi)也就不會再有DIP開關(guān)、跳線、IRQ沖突和DMA沖突。USB使用戶可以在PC啟動和運行時進(jìn)行外部設(shè)備的連接和斷開，真正實現(xiàn)了即插即用。由于各種外設(shè)都可以使用USB接口進(jìn)行連接，而且連接方式非常簡單，原先一般用戶很難完成連接的外設(shè)現(xiàn)在可以方便的接在計算機上了。USB的特點是傳輸功能非常全面，既支持非時實數(shù)據(jù)的傳輸，如文檔、電子郵件和圖像。同時也支持時實數(shù)據(jù)的傳輸，如音頻、語音及壓縮視頻。USB的另外一個特點是成本低廉，12Mbps高速傳輸和 ，價格低廉。此外，鼠標(biāo)和鍵盤這樣的低速設(shè)備不需要全速的12Mbps帶寬，這樣的低速設(shè)備可以共用帶寬，從設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化和USB的易用性中獲得好處。 USB硬件眾所周知，USB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多級星型結(jié)構(gòu)，中心結(jié)點是主控制器，USB主控制器一般集成在計算機主板上的主芯片群中。在一個標(biāo)準(zhǔn)的USB系統(tǒng)中，只有一個主控制器控制全部系統(tǒng)，主控制器負(fù)責(zé)處理各種外設(shè)的數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸。如果主控制器正忙，所有外設(shè)必須等到主控制器空閑是，然后再建立新的通信傳輸。外設(shè)可以直接連接到主控制器端口，更多的情況下，是使用USB集線器(Hub)直接連接到主控制器端口，這樣可以連接更多的外設(shè)。利用Hub連接主USB端口可以為計算機系統(tǒng)提供更多的USB端口。外設(shè)或Hub可以連接到已經(jīng)與主控制器連接的HUB上，構(gòu)成多級星型結(jié)構(gòu)。如圖3所示。由于HUB能連接下一級的HUB，所以可以建立外設(shè)的多級星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。USB的集線器有兩個主要功能，即控制器和中繼器。作為中繼器使用時，把信息包上傳到連接的上一級主控制器(或上一級HUB)，或者下傳到所接的下一級外設(shè)。 USBhubs歸結(jié)為兩類，即獨立型和復(fù)合型。獨立集線器通常只有上行和下行端口(上行即數(shù)據(jù)從外設(shè)傳送到主機，下行傳輸方向相反)，而復(fù)合型則是除了具有集線器的功能外，還具有其它的外設(shè)功能，像顯示器和鍵盤這樣的HUB設(shè)備。 圖3 USB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)的末端節(jié)點一定是外設(shè)，外設(shè)可以是具有單一功能的，也可以是具有多種功能的設(shè)備，多種功能的外設(shè)是與復(fù)合型HUB完全不同的復(fù)合型設(shè)備。此外。USB的出現(xiàn)帶來的一個重要成果是它使連接變得簡單了。對于USB的HUB和外設(shè)來說，連接接口只有兩種類型。所以用戶根木不可能把不配套的接口連接在一起。連接主機或上端HUB的連接頭叫做A型連接器，它的形狀是長方形式的。 圖4 USB接頭外形圖連接外設(shè)或下端HUB的連接頭叫做B型連接器，它的形狀稍方一些，并且有兩個角是弧型的，型兩種連接口以方便接頭的連接定位。主機只支持A型的連接，而HUB則有A型和B。對于多級星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，A型連接器都連接在主機或HUB而B型的連接器則連接在外設(shè)或HUB的輸出端。傳輸?shù)碾娎|可以長達(dá)5米，而低速傳輸時，電纜只能有3米長。以12MbPs的輸入端，進(jìn)行全速率全速率的USB傳輸使用有屏蔽的電纜，可以提高傳輸?shù)男阅?，增加電纜的長度。低速傳輸時使用的是無屏蔽電纜，可以降低成本。 電源 所有的USB端口均可以為己經(jīng)連接的外設(shè)提供電源。HUB和外設(shè)可以自己接供電電源，也可以使用USB提供的電源。使用USB供電的HUB或外設(shè)的全部電能均由USB提供，USB能夠為連接的全速外設(shè)端口提供最大500mA的電流，自供電的HUB可以為每個端口提供所需的最大功率的電源。但是，總線供電集線器只能從向上傳輸線上得到電源，這嚴(yán)重限制了他們?yōu)楫?dāng)前連接的外設(shè)提供全面能量的需要。連接在總線供電集線器的外設(shè)最大只能獲得100mA的電流。 總線供電HUB在主機沒有進(jìn)行配置前，USB設(shè)備所提供的電流最大不超過 100mA，而在配置后，可以根據(jù)配置情況，為外設(shè)提供更大的電流。USB具有多種省電模式，其中一種是掛起，即通過軟件控制減少電源的消耗。掛起又分為兩類，全部的和選擇性的。所有的設(shè)備都支持這兩類掛起模式，全部掛起就是所有USB設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)，而選擇性的是讓已經(jīng)無需工作的設(shè)備處于掛起狀態(tài)。一般情況下，設(shè)備在沒有總線活動3ms后進(jìn)入掛起狀態(tài)，掛起后設(shè)備的用電消耗將不超過500A。500μA掛起電流管理起來也不容易，其中 200μA用于供給 ，剩余的300μA提供給連接的外設(shè)。 3 硬件設(shè)計 主要芯片的選擇 傳感器的選擇根據(jù)上一章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖，首先要使用傳感器對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本課題采集的電力信號以220V有效電壓的市電的諧波為采集對象，依據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的要求，傳感器選用南車時代傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的NCV4A電壓傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)是，測量范圍是0到177。375V(對于220V交流電，其振幅值是311V，在測量范圍內(nèi)，且正負(fù)兩端均有冗余量)，準(zhǔn)確度是177。%，非線性度≤177。%，響應(yīng)時間小于13μs，工作頻帶寬度是0到13KHZ()。電流傳感器使用該公司的NT100S(T)，其主要電氣參數(shù)為:測量范圍是0200A(對于供電線路，這個范圍可以進(jìn)行多數(shù)情況的電流測試，如果電流超過范圍，可以通過電路的并聯(lián)分流，降至測量范圍內(nèi))，準(zhǔn)確度是177。%，匝數(shù)比是1:1000，非線性度是177。%，響應(yīng)時間小于1μs，工作頻帶寬度是0到100KHZ。 模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的選擇目前，市場上模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)量眾多，幾乎每家半導(dǎo)體公司均有自己的產(chǎn)品，但其使用方法基本類似。課題選用美國MAXIM公司生產(chǎn)的8通道刀D轉(zhuǎn)換器MAX197。MAX197的分辨率為12位，具有5MHZ的帶寬和100KSPS的高速數(shù)據(jù)吞吐量。，如果進(jìn)行12位的數(shù)據(jù)編碼，根據(jù)采樣定理，理=60Kbps，而 MAX197的數(shù)據(jù)吞吐量轉(zhuǎn)換為相同單位時，為100Kx12=1200KbP、考慮到采樣并不能在理想情況下進(jìn)行，提高3至5倍的采樣頻率，吞吐量依然會有很大的冗余。，已經(jīng)大大滿足了電力諧波的采集信號要求了。此外，MAX197為電壓型A/D轉(zhuǎn)換器，提供了多種電壓測量量程，甚至可以測量高于供電電壓的模擬電壓信號，也可以測量低于系統(tǒng)地電壓的模擬電壓信號，使用靈活方便。將MAX197的主要性能指標(biāo)列出如下: 單+SV供電電壓。 12位的A/D轉(zhuǎn)換分辨率。 引腳電平和TTL/CMOS電平兼容。 8路模擬電壓輸入通道。 4種電壓測量量程:0~+5V、0~+10V、5V~+5V、10V~+10V。 典型轉(zhuǎn)換時間6μs。 100kSPS的采樣速率。 ，也可以使用外部參考電壓。 MAX197具備多種工作方式?？蛇x擇內(nèi)部工作時鐘或者外部工作時鐘，也可選擇使用內(nèi)部采集控制或者外部采集控制。其還具有兩種掉電工作模式，可在軟件中設(shè)置。 當(dāng)片外控制器向 MAX197發(fā)送控制字節(jié)來控制 MAX197的工作方式時，其控制字節(jié)及各位的定義如下表所示。控制字節(jié)通過D0~D7引腳送入。 D7D6D5D4D3D2D1 D0PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0控制字節(jié)中的DD6位控制芯片的時鐘模式和