【正文】 波動(dòng)，通過退耦降低大信號(hào)時(shí)電源波動(dòng)對(duì)輸入級(jí) /高電壓增益級(jí)的影響。 (3)形成懸浮地或是懸浮電源，在復(fù)雜的系統(tǒng)中完成各部分地線或是電源的協(xié)調(diào)匹配。 信號(hào)采集模塊 諧波數(shù)據(jù)采集是諧波特征分析的基礎(chǔ)，采集數(shù)據(jù)的精確度直接影響著諧波分析結(jié)果，諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為諧波分析的載體，其良好的性能設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。硬件設(shè)計(jì)電路的合理性決定著系統(tǒng)工作時(shí)的高精度和穩(wěn)定性。高效、穩(wěn)定和安全的軟件設(shè)計(jì)也直接影響著采集系統(tǒng)的性能。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介 作為獲取信息的一種重要手段，數(shù)據(jù)采集 (Data Acquisition， DAQ)是指利 用傳感器對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的物理信號(hào)，如壓力、溫度、流量等模擬量 (模擬信號(hào) ) 進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 (數(shù)字信號(hào) ) 后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示或打印的過程。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備，通常稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (Data Acquisition System， DAS)。歸納其主要任務(wù)為： A/D 轉(zhuǎn)換，即將采集終端中傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以方便計(jì)算機(jī)識(shí)別處理；計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)字信號(hào)根據(jù)不同的需要進(jìn)行計(jì)算處理，或進(jìn)一步將處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和打印，來方便實(shí)現(xiàn)對(duì)有用物理量的控制和監(jiān)視。 按照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算 機(jī)的通信方式可以將采集系統(tǒng)分為兩大類，即內(nèi)置式和外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線與計(jì)算機(jī)通信，常被做成板卡的形式安裝在計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部插槽上，因此容易受到諸如插槽數(shù)量、中斷資源、不易擴(kuò)展和不支持熱插拔等限制；外置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)的外部接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，常見的外部接口有 RS232(Remended Standard 232)、USB(Universal Serial Bus)等。與內(nèi)置式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比具有可靠性高、成本低、易擴(kuò)展、支持熱插拔、使用方便和穩(wěn)定性好等優(yōu) 點(diǎn)。 信號(hào)采集電路總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和外圍模塊包括：模擬轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理電路、過零檢測(cè)電路。 結(jié)構(gòu)圖如圖 39 所示。 圖 39 采樣電路結(jié)構(gòu)圖 過零比較器 電壓信號(hào)調(diào)理模塊 電流信號(hào)調(diào)理模塊 MSP430F149 PT CT 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)須遵循一定的原則：測(cè)量諧波時(shí)，為了使原始信號(hào)不產(chǎn)生畸變，電壓互感器和電流互感器的頻率響應(yīng)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸?；考慮到系統(tǒng)要采集處理大量的數(shù)據(jù)， CPU 的選擇要充分考慮到它的快速性；采集終端需要響應(yīng)數(shù)據(jù)采集中斷和數(shù)據(jù)通信中斷等，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)需要具備良好的中斷異步響應(yīng)能力；此 外，微控制器芯片應(yīng)選擇低功耗和具有豐富集成外設(shè)功能的，電路設(shè)計(jì)上也應(yīng)本著低功耗和精簡(jiǎn)可靠性，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性。 過零檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 考慮周期信號(hào)的諧波分析中常用的采樣方法，同步采樣法分析簡(jiǎn)單易于操作但是難于實(shí)現(xiàn)；準(zhǔn)同步采樣法計(jì)算諧波參數(shù)簡(jiǎn)單但實(shí)時(shí)性差；非整周期采樣法雖然實(shí)時(shí)性好，但需要對(duì)其誤差深入討論。本課題對(duì)軟件同步采樣法進(jìn)行改進(jìn)，利用硬件過零檢測(cè)電路產(chǎn)生采集中斷信號(hào)輔助軟件周期采樣，大大降低了采樣同步偏差。如圖 310為硬件過零中斷電路。 圖 310 硬件過零中斷電 路 此電路原理為過零比較器，其閥值電壓等于零。比較器的輸入信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號(hào)是數(shù)字量 1 和 0，因此可以為采樣電路提供硬件中斷。處于開環(huán)狀態(tài)的集成運(yùn)放是一種簡(jiǎn)單的過零比較器，如上圖。上圖中集成運(yùn)放 TL062 工作在非線性狀態(tài)，因此當(dāng) 01?u 時(shí)， oppUu ??0 ；當(dāng) 01?u 時(shí)， oppUu ??0 。其中 opU 是集成運(yùn)放的最大輸出電壓。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 簡(jiǎn)單過零比較器電路圖、傳輸特性、輸出特性如圖 311 所示。 圖 311 簡(jiǎn)單過零比較器電路連接、傳輸特性、輸出特性 模擬信號(hào)采集電路 模擬量信號(hào)的采集和 A/D 轉(zhuǎn)換共同組成了模擬量輸入模塊；其中模擬量信號(hào)采集又 由隔離電路和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。采集到的交流電壓和交流電流經(jīng)過隔離電路和信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入 MSP430F149 的 A/D 通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 本采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)定的 ADC 輸入信號(hào)為 0~ V 的單極性信號(hào)，因此由互感器轉(zhuǎn)化來的雙極性信號(hào)在送入 ADC 前應(yīng)進(jìn)行信號(hào)的抬升工作，另外，為了提高有效信息的分辨率還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的放大，這就需要在互感器和 ADC 間設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路以滿足對(duì)信號(hào)的抬升放大。設(shè)計(jì)選取了 DVDI001 臥式穿芯小型精密電壓互感器 (Potential Transformer， PT)和 TA14194 臥式穿芯小型精密交流電流互感器(Current Transformer， CT)來來滿足以上要求。 220 V 的高壓電和大電流經(jīng)過互感器可轉(zhuǎn)化為幅值為 ~+ V 的微信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路使 ~+ V 的輸入信號(hào)進(jìn)行約 3倍的放大和 V 的抬升。如圖 38 上所示為此采集系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路。根據(jù)集成運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”原理及電壓電流運(yùn)算原則可分析得：若使輸出電壓不超出 0~ V，可調(diào)節(jié) RY20 和 RY32，使－ ~+ V 的輸入信號(hào)進(jìn)行約 3 倍的放大和 V 的抬升。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 電路圖如圖 312 所示。 圖 312 模擬量采集系統(tǒng)電路 諧波檢測(cè)電路 諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和采集到的數(shù)據(jù)的可靠性等問題。對(duì)一路諧波采集時(shí)可選用 RC 帶通濾波電路。 電路圖如圖 313 所示。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 313 RC帶通選頻電路 衡量濾波器性能的參數(shù)一般有通頻帶帶寬 f? ，通帶中心頻率 0f 、增益 G 、品質(zhì)因數(shù) Q。其中 0 /uLf f f f Q? ? ? ?在電流等于最大電流值的 倍范圍內(nèi)上下兩個(gè)頻率為 Hf 、 Lf ；0 12f RC??增益為通帶中心頻率處的信號(hào)放大倍數(shù)。 上圖所示的電路圖中，增益 1 即不改變輸入信號(hào)幅值的大小時(shí)應(yīng)滿足： 0010 8 646 7 8R L R L R L RR L Q RCL CL CL? ? ???? 當(dāng)電容值都取 100nF， 0R 取 10K， 4 220RL K? 時(shí)，得到通帶中心頻率 0 159f Hz? ，我們通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器 R3 來調(diào)節(jié)通帶中心頻率到 0 150f Hz? 此時(shí)通頻帶 Hz?? 。 為測(cè)定系統(tǒng)所用選頻電路性能，做了以下測(cè)試：調(diào)整信號(hào)發(fā)生器輸出峰峰值為 的正弦信號(hào) ,接三次諧波 (150Hz)選頻電路輸入端，調(diào)整正弦信號(hào)頻率用示波器，將電壓峰峰值折 算為最大值不超過 1 的數(shù)據(jù)值即表中的轉(zhuǎn)換值，可觀察到該選頻電路傳輸系數(shù)為 1，中心頻率為 150Hz，通頻帶約為 9Hz。實(shí)驗(yàn)表明，本文選取的選頻電路具有良好穩(wěn)定的帶通特性。 由于本設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)易電能質(zhì)量檢測(cè)儀所以通過使用四雙向模擬開關(guān) CD4066 結(jié)合RC 有源帶通濾波電路電路篩選出 9 次諧波。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 圖 314 CD4022 與 RC帶通濾波電路組成的選頻電路 CD4066 是四雙向模擬開關(guān)，主要用作模擬或數(shù)字信號(hào)的多路傳輸。引出端排列與 CC4016 一致，但具有比較低的導(dǎo)通阻抗。另外，導(dǎo)通阻抗在整個(gè)輸入信號(hào)范圍內(nèi)基本不變。 CD4066 由四個(gè)相互獨(dú)立的雙向開關(guān)組成，每個(gè)開關(guān)有一個(gè)控制信號(hào)，開關(guān)中的 p 和 n 器件在控制信號(hào)作用下同時(shí)開關(guān)。這種結(jié)構(gòu)消除了開關(guān) 晶體管閥值電壓隨輸入信號(hào)的變化，因此在整個(gè)工作信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較低。與單通道開關(guān)相比，具有輸入信號(hào)峰值電壓范圍等于電源電壓以及在輸入信號(hào)范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 液晶顯示模塊 LCD1602 簡(jiǎn)介 1602 液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字 符地址，也就是告訴模塊在，哪里顯示字符，圖 315 是 1602 的內(nèi)部顯示地址。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 315 LCD1602 內(nèi)部顯示地址 在對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。 圖 316 LCD1602 接線圖 1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器 (CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了 160 個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫 的英文字母“ A”的代碼是 1000001B(41H)，顯示時(shí)模塊把地址 41H 中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“ A”。 LCD1602 引腳定義 字符型 LCD 通常有 14 條引腳線或 16 條引腳線的 LCD，多出來的 2 條線是背光電源線 VCC(15 腳 )和地線 GND(16 腳 )，其控制原理與 14 腳的 LCD 完全一樣，定義如表 31 所示。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 表 31 引腳定義 引腳號(hào) 引腳名 電平 輸入 /輸出 作用 1 Uss 電源地 2 Ucc 電源（ +5V） 3 Uee 對(duì)比調(diào)整電壓 4 RS 0/1 輸入 0=輸入指令 1=輸入數(shù)據(jù) 5 R/W 0/1 輸入 0=向 LCD 寫入數(shù)據(jù)或指令 1=從 LCD 讀取信息 6 E 1,10 輸入 使能信號(hào)， 1 時(shí)讀取信息， 1 0（下降沿）執(zhí)行指令 7 DB0 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line0(最低位 ) 8 DB1 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line1 9 DB2 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line2 10 DB3 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line3 11 DB4 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line4 12 DB5 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line5 13 DB6 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line6 14 DB7 0/1 輸入 /輸出 數(shù)據(jù)總線 line7（最高位） 15 A +Ucc LCD 背光電源正極 16 K 接地 LCD 背光電源正極 1602 指令集 1602 模塊的設(shè)定，讀寫，與光標(biāo)控制都是通過指令來完成，共有 11 條指令，如表 32 所示。 表 32 1602指令集 指令 RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標(biāo)返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 顯示控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標(biāo) /字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符發(fā)生器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址 8 置數(shù)據(jù)存貯器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存貯器地址 9 讀忙標(biāo)志和地址 0 1 BF 計(jì)數(shù)器地址 10 寫數(shù)據(jù)到指令 所設(shè)地址 1 0 要寫的數(shù)據(jù) 11 從指令 所設(shè)的地址讀數(shù)據(jù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù) 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 指令 1：清顯示，光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置。 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H。 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移，S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。 指令 4：顯示開關(guān)控制 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 指令 5： 光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。R/L，高向左，低向右。