【正文】 。其一，由于系統(tǒng)沒有安裝到機箱內(nèi)，所以不會受到計算機系統(tǒng)內(nèi)部信號干擾，也減小了相互干擾，對采集數(shù)據(jù)的準確性有很大的好處。其三，開發(fā)的采集板卡，一般面積較小，容易封裝，所以增加了采集電路的可移動性，無需整機搬運，只需要攜帶采集電路及相應軟件即可。 現(xiàn)在的計算機標準配置中的接口，除了專用接口外(如PSZ)，通用的接口主要是并行口、USB接口、RS232接口、RS485接口和正EE1394接口。 IEEE1394接口也叫火線支持外設熱插拔，也可以為連接的外設供電，在這方面和USB接口相同。在Cable模式下，速度更高，分別為100Mbps、200Mbps和400Mbps，甚至可用于傳輸未經(jīng)壓縮的高質(zhì)量數(shù)據(jù)電影。 USB(通用串行總線)接口在近年來得到了廣泛地應用。USB接口支持熱插拔，可以通過接口向外部設備提供電源，而且支持多個外設的連接，使用菊花鏈式連接，最多可以接127個外設，并且不會損失帶寬。隨著計算機廣泛應用，與其配套的硬件設備飛速發(fā)展，外設數(shù)量種類急劇增加，使外設接入計算機產(chǎn)生了一系列問題，而使用USB接口成為解決之道，USB接口現(xiàn)在成為了計算機外設連接的標準化、單一化的接口，并且得到了主要的計算機生產(chǎn)商和軟件開發(fā)商的支持。 本課題在開發(fā)，也選擇使用更為普及的USB接口對采集的電力諧波數(shù)據(jù)進行傳輸。主要原因是，當時用電設備本身數(shù)量有限，而能引起諧波的非線性負載設備數(shù)量更少，其產(chǎn)生的諧波相對于電網(wǎng)容量而言，所占的比例非常低，對電網(wǎng)的影響也非常有限，故爾沒有引起廣泛的注意。我們國家對電力諧波的研究起步稍晚，但重視程度高，幾乎在所有涉及電力電子應用的工業(yè)部門中，都有把諧波干擾及其分析處理作為重要技術(shù)課題進行研究的。到目前為止，研究電力諧波的時間也不算短了，技術(shù)手段在不斷加強。早期在計算機上采用的是內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集板卡，對電壓、電流信號進行采集，這類設備，缺乏靈活性，而且當時的計算機價格較高，造成整個系統(tǒng)成本過大。這一類設備，國外的產(chǎn)品遵守的是其本國標準，若專為我國生產(chǎn)，則價格又相當昂貴。而且這類設備均保留有與計算機的接口，對于進一步的分析運算還需要把數(shù)據(jù)上傳到計算機，由計算機來完成數(shù)據(jù)的處理。 另外，目前的電力系統(tǒng)諧波治理，是以防為主，以治為輔，多是被動的采用加濾波器或分開輸電線等方式，這樣的治理能起到一定的作用，但缺乏針對性。隨著計算機本身性能的不斷提高，運算處理速度越來越快，己經(jīng)可以滿足一定條件下的諧波實時處理要求，利用計算機的自身優(yōu)勢，我們可以對諧波數(shù)據(jù)大量的采集、存儲，以利于進行分析研究，比如可以對多種諧波數(shù)據(jù)分析方式進行研究，從中找出最好最適合當前電網(wǎng)的分析方法。2 電力諧波的數(shù)據(jù)采集技術(shù)及USB諧波是電力系統(tǒng)的波形畸變，在我國的供電系統(tǒng)中，規(guī)定的交流電壓和交電流的頻率是50HZ，基本波形是標準的余弦波形，標準的電壓表達式是:u(t)=√2Ucos(2πf+θ)其中，U表示供電電壓的有效值，在用戶用電系統(tǒng)中是220伏。 f表示頻率，在我國標準的基本頻率是50HZ。其中是基波頻率若干倍的電量，就是相應倍數(shù)次諧波。偶數(shù)倍的稱為偶次諧波。要得到以上的值，需要測量出電路的電壓數(shù)據(jù)，再對周期性的非余弦電壓進行傅立葉級數(shù)分解，計算出所要求的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率。 綜上所述，可以看出，對諧波的分析就是要獲得電壓電流的準確信號，才能正確分解為所要研究的各次諧波，從而考察諧波相應的指標。按國家標準中規(guī)定的值，正確分析出25次諧波即可，但為了以后的發(fā)展要求，本課題將以分析50次諧波作為標準。圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 傳感器主要負責把要觀察和測量的物理信息轉(zhuǎn)換成電信號，或者說是感應物理現(xiàn)象并生成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測量的信號。 調(diào)理電路為配合數(shù)據(jù)采集信號的輸入要求，由傳感器直接得到的電信號必須經(jīng)過處理，其主要作用是對低電壓信號進行了放大，并對無用信號和干擾信號進行隔離和濾波。 調(diào)理電路中一般都有放大電路，放大電路的主要作用是為了從小信號獲得更高的信號分辨率，同時還要讓放大后的信號匹配后續(xù)電路要求的最大輸入電壓范圍或模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路的最大輸入范圍。比如，在電路中，如果數(shù)據(jù)采集設備輸入和所采集的信號使用不同的參考“地線，而一旦這兩個參考地線有電勢差，就有可能產(chǎn)生接地回路，這樣會造成采集的信號不準確；如果兩個地線的電勢差太大，會直接造成對測量系統(tǒng)危害。所謂多路復用，就是使用單個測量設備來測量多個信號的技術(shù)，調(diào)理電路對于一些相對于系統(tǒng)速度變化較慢的信號，可以使用多路復用，即模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集了一個通道的信號后，再轉(zhuǎn)換到另一個通道進行采集，如此往復下去。 調(diào)理電路還是具有濾波功能的電路、產(chǎn)生傳感器激勵的電路和具有線性化功能的電路等。 經(jīng)過調(diào)理的模擬信號在進入模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路時，我們要關心的是所來信號的通道情況，保持信號滿足分析處理要求的采樣速率、分辨率和輸入電壓范圍等方面的情況。 數(shù)據(jù)采集的通道分為單端輸入通道和差分輸入通道兩種。這種方法主要用于輸入信號電壓較高(高于1V)，信號源到模擬輸入硬件的導線較短(小于5米)，且所有的輸入信號共用一個基準地線。差分輸入中，每一個輸入信號都有自己的基準地線，可以減小共模噪聲，從而減小因噪聲引起的誤差。采樣速率越高，越能真實的反映原始信號，但過高的采樣速率也會造成浪費，會使性價比降低。合適的采樣速率是多少，可以應用奈奎斯特采樣定理方便的求出。 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，取樣頻率應保持在5000HZ以上。采樣信號的分辨率也關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)。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111八個二進制數(shù)中的一個來表示。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。由此可見，在恰當?shù)卦O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行更加準確的數(shù)字化。 對于數(shù)據(jù)采集硬件而言，在設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)的準確度產(chǎn)生影響，所以在設計時要注意技術(shù)規(guī)范，不能只參考分辨率等幾個指標，而應該全面考慮，這樣才能確保所采集的數(shù)據(jù)有足夠的精度?，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。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，進行合理的選擇。傳送方式的不同會影響數(shù)據(jù)采集設備的數(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，可以并行地進行自己的任務處理。例如，PCI和USB設備可以支持DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA設備只支持中斷傳送方式。當然，在選擇計算機時，滿足當前目標的同時，還應該考慮投資的長期回報。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能和軟件有著重要的關系，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。 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后，它們卻不能正常工作。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。USB的應用范圍非常廣泛，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備上。使用了USB，用戶無需再為鼠標和鍵盤的連接是否正確而操心了。用戶再也不用考慮連接的端口是串口還是并口。USB使用戶可以在PC啟動和運行時進行外部設備的連接和斷開，真正實現(xiàn)了即插即用。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。USB的另外一個特點是成本低廉，12Mbps高速傳輸和 ，價格低廉。 USB硬件眾所周知，USB的拓撲結(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。如果主控制器正忙，所有外設必須等到主控制器空閑是，然后再建立新的通信傳輸。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。如圖3所示。USB的集線器有兩個主要功能，即控制器和中繼器。 USBhubs歸結(jié)為兩類，即獨立型和復合型。 圖3 USB拓撲結(jié)構(gòu)星型結(jié)構(gòu)的末端節(jié)點一定是外設，外設可以是具有單一功能的，也可以是具有多種功能的設備，多種功能的外設是與復合型HUB完全不同的復合型設備。USB的出現(xiàn)帶來的一個重要成果是它使連接變得簡單了。所以用戶根木不可能把不配套的接口連接在一起。 圖4 USB接頭外形圖連接外設或下端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。對于多級星型拓撲結(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或HUB的輸出端。以12MbPs的輸入端，進行全速率全速率的USB傳輸使用有屏蔽的電纜，可以提高傳輸?shù)男阅埽黾与娎|的長度。 電源 所有的USB端口均可以為己經(jīng)連接的外設提供電源。使用USB供電的HUB或外設的全部電能均由USB提供，USB能夠為連接的全速外設端口提供最大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。連接在總線供電集線器的外設最大只能獲得100mA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。所有的設備都支持這兩類掛起模式，全部掛起就是所有USB設備進入掛起狀態(tài)，而選擇性的是讓已經(jīng)無需工作的設備處于掛起狀態(tài)。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。375V(對于220V交流電，其振幅值是311V，在測量范圍內(nèi)，且正負兩端均有冗余量)，準確度是177。%，響應時間小于13μs，工作頻帶寬度是0到13KHZ()。%，匝數(shù)比是1:1000，非線性度是177。 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，幾乎每家半導體公司均有自己的產(chǎn)品，但其使用方法基本類似。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。已經(jīng)大大滿足了電力諧波的采集信號要求了。將MAX197的主要性能指標列出如下: 單+SV供電電壓。 引腳電平和TTL/CMOS電平兼容。 4種電壓測量量程:0~+5V、0~+10V、5V~+5V、10V~+10V。 100kSPS的采樣速率。 MAX197具備多種工作方式。其還具有兩種掉電工作模式，可在軟件中設置?？刂谱止?jié)通過D0~D7引腳送入。其組合如下:D7=0，D6=0時，使用外部時鐘模式。D7=1，D6=0時，進入待機模式，時鐘模式不變。控制字節(jié)中的DS位ACQMOD決定采集的模式:ACQMOD=0時，為內(nèi)部采集控制模式?？刂谱止?jié)中的D4和D3位用來選擇芯片的模擬輸入電壓范圍和極性。BIP=0時，選擇雙極性輸入。RNG=l時，選擇10V量程[5]。關系如表:A2A1A0通道000CH0001CH1010CH2011CH3100CH4101CH51