一種基于DSP的電量測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

謝 濤

一種基于DSP的電量測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

謝 濤

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471000）

針對(duì)電機(jī)試驗(yàn)中的電參數(shù)測(cè)試，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的電量測(cè)量?jī)x。詳細(xì)論述了整個(gè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)架與軟件算法，該系統(tǒng)通過采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器、DSP芯片以及上位機(jī)來完成電壓、電流、功率、功率因數(shù)及頻率的測(cè)量與數(shù)據(jù)的輸出顯示。對(duì)于中小型電機(jī)，測(cè)量?jī)x既可測(cè)三相交流電參數(shù)，又可同時(shí)測(cè)量單相交流與直流電參數(shù)；當(dāng)被測(cè)對(duì)象為直流有刷電機(jī)時(shí)，還能測(cè)量其轉(zhuǎn)速；測(cè)試量程根據(jù)輸入電流、電壓的大小自動(dòng)進(jìn)行切換。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能滿足實(shí)際需求。

交/直流；電參數(shù)測(cè)試；A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)字信號(hào)處理器；量程切換

1 研究背景

在電機(jī)的生產(chǎn)、運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)研究過程中，需要對(duì)電機(jī)的參數(shù)、性能等進(jìn)行必要的測(cè)試，以檢驗(yàn)電機(jī)是否滿足有關(guān)技術(shù)要求，或是尋求改進(jìn)生產(chǎn)工藝的方法與途徑［1-2］。近年來，電機(jī)工業(yè)飛速發(fā)展，同時(shí)帶動(dòng)了電機(jī)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。電機(jī)電參數(shù)的測(cè)量是電機(jī)測(cè)試中的必要部分。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的智能化程度與數(shù)據(jù)處理能力大幅提高，在測(cè)量精度、功能等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的測(cè)試方法，電參數(shù)測(cè)試步入了一個(gè)新的時(shí)代。

目前，市場(chǎng)上電參數(shù)測(cè)量?jī)x種類繁多，但國內(nèi)產(chǎn)的測(cè)量?jī)x大多精度不高，測(cè)試誤差較大［3］，而國外生產(chǎn)的專用數(shù)字測(cè)量?jī)x價(jià)格昂貴，不適合一般的工業(yè)應(yīng)用單位，再加上大多數(shù)參數(shù)測(cè)試儀對(duì)交流和直流參數(shù)需分開測(cè)試，不能將對(duì)各種電機(jī)的測(cè)試集中于一臺(tái)儀器上，使用不便。因此，設(shè)計(jì)一種集成性好、精度高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電參數(shù)測(cè)量?jī)x具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了一種新型電參數(shù)測(cè)試儀，以DSP芯片TMS320F2182為核心實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和控制，采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS8364Y高速采樣信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換與交直流的通用測(cè)試，提高測(cè)試精度與速度，通過與上位機(jī)的通信及LCD液晶顯示，提供友好的人機(jī)交互界面。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電參數(shù)測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括以下模塊：信號(hào)采集及變換調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、DSP數(shù)據(jù)處理、LCD數(shù)據(jù)顯示等。本設(shè)計(jì)著重信號(hào)采集與量程切換電路的設(shè)計(jì)，從硬件與軟件兩方面對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，自動(dòng)完成測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲(chǔ)與顯示，同時(shí)提高系統(tǒng)的通用性與可靠性。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分以TI公司的DSP芯片TMS320F2812為控制核心，該芯片具有快速的數(shù)字信號(hào)處理能力、強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，外圍接口豐富。硬件電路包括信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、LCD顯示、串口通信電路等。電壓和電流信號(hào)采集完畢后，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，送至ADS8364進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果傳送至上位機(jī)及LCD顯示。

3.1 信號(hào)采集與調(diào)理

3.1.1 信號(hào)采集。信號(hào)采集包括對(duì)電機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速的采集。開辟6路信號(hào)采集通道，分別采樣電機(jī)的三相電壓和三相電流信號(hào)，當(dāng)被測(cè)電機(jī)為直流電機(jī)或單相交流電機(jī)時(shí)，由于電壓和電流信號(hào)采集通道并未被完全占用，且兩者互不相關(guān)，因此，可以同時(shí)進(jìn)行直流電機(jī)與單相交流電機(jī)的信號(hào)采集，從而實(shí)現(xiàn)交直流通用。本設(shè)計(jì)通過計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，并做模數(shù)變換，用除法電路求其倒數(shù)可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

與傳統(tǒng)方法中采用電壓、電流傳感器對(duì)電壓與電流信號(hào)進(jìn)行采集不同，本設(shè)計(jì)直接測(cè)量電機(jī)輸入端的電源參數(shù)，采用電阻分壓代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓互感器進(jìn)行信號(hào)采集，用600kΩ/100Ω的分壓電阻進(jìn)行信號(hào)的降壓處理，被測(cè)信號(hào)輸入范圍降至0～83.32mV，保證了系統(tǒng)的安全性；對(duì)于電流信號(hào)，利用不同規(guī)格的分流器，測(cè)試不同大小的電流，將分流器串接在電機(jī)輸入電源的兩端，以完成信號(hào)的引入與采樣。當(dāng)流過分流器的最大電流為50A時(shí)，可轉(zhuǎn)換為75mV的電壓值。

3.1.2 信號(hào)調(diào)理。采集得到的輸入電壓、電流信號(hào)通常都含有開關(guān)次諧波。為不影響頻率測(cè)量，并保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，先將輸入信號(hào)濾波，通過3階巴特沃斯濾波器，設(shè)置截止頻率為10kHz，以消除開關(guān)次諧波分量的影響。

濾波之后的信號(hào)送入放大電路進(jìn)行一級(jí)放大，本設(shè)計(jì)采用儀表放大器AD620，其具有如下特征：①精度高，最大非線性度為40ppm；②失調(diào)電壓低，最大為50μV；③失調(diào)漂移低，最大0.6μV/℃；④功耗、噪聲與輸入偏置電流較低，適用于傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.2 量程切換

電壓與電流值變化范圍較大時(shí)，量程的切換能將測(cè)量誤差均勻控制在一定范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。部分電參數(shù)測(cè)試儀在進(jìn)行量程選擇時(shí)，通過按鍵切換來實(shí)現(xiàn)，無法做到真正的自動(dòng)切換；該系統(tǒng)通過CD4051來實(shí)現(xiàn)量程切換。CD4051是單8通道的數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，通過3個(gè)二進(jìn)制控制輸入端A、B、C和INH輸入電平選通相應(yīng)的輸出引腳。

被采集的信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路之后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換送至DSP主控芯片，并判斷信號(hào)所處的量級(jí)，控制CD4051A端口與B端口的電平，從而選通輸出通道。各輸出通道串有不同大小的反饋電阻，通過不同的串接阻值來改變自校準(zhǔn)運(yùn)算放大器TLC4501的倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換及整個(gè)測(cè)量電壓范圍內(nèi)的精確測(cè)量。電壓劃分為4個(gè)量程：0～16V，16～45V，45～150V，150～500V；電流的量程規(guī)格為：0～1.6A，1.6～6A，6～16A，16～50A。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用ADS8364Y。ADS8364Y為6通道同步采樣，高速、高精度、低功耗，適合同時(shí)采集多路信號(hào)；16位并行輸出接口，內(nèi)帶2.5V高精度基準(zhǔn)電壓源，外部時(shí)鐘為5MHz時(shí)，其采樣速度高達(dá)4μs。

經(jīng)過采樣電路后的信號(hào)為具有正負(fù)半波的正弦信號(hào)，而ADS8364對(duì)采樣信號(hào)電壓的要求是AGND-0.3V至AVDD+0.3V，即“-0.3～5.3V”，因此，需要在A/D前端加入調(diào)理電路，才能使輸入的模擬信號(hào)與模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的信號(hào)電壓匹配。ADS8364的前端信號(hào)調(diào)理電路如圖1所示。

圖1 ADS8364的信號(hào)調(diào)理電路

3.4 LCD顯示

LCD顯示電路由PCF85134驅(qū)動(dòng)，采用4組4位共陽極數(shù)碼管，分別顯示電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率及轉(zhuǎn)速等。功率、功率因數(shù)、頻率、轉(zhuǎn)速共用一個(gè)數(shù)碼管，通過按鍵切換顯示，小數(shù)位數(shù)隨著量程的不同而不同。指示燈采用發(fā)光二極管顯示，包括“A/mA”指示燈、“W/kW”指示燈和“PF/Hz/r·min-1”指示燈等。其中，“A/mA”與“W/kW”能自動(dòng)識(shí)別，“PF/Hz/r·min-1”指示燈通過按鍵切換指示。

4 軟件總體設(shè)計(jì)

該軟件采用C語言進(jìn)行編程，通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)檢測(cè)。本軟件系統(tǒng)大致可分為以下三大部分：①電流、電壓實(shí)時(shí)A/D采樣模塊，該模塊主要包含頻率測(cè)量子程序和數(shù)據(jù)采集子程序；②電流、電壓、功率、電度、功率因數(shù)等各電力參數(shù)的計(jì)算處理模塊，該模塊主要包含數(shù)據(jù)處理子程序、鍵盤顯示子程序；③數(shù)據(jù)通信模塊，該模塊主要是DSP與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

5 抗干擾設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，干擾的來源很多，性質(zhì)也不一樣，干擾竄入儀器的渠道主要有三個(gè)：①空間電磁感應(yīng)；②傳輸通道；③電源接地系統(tǒng)。為了保證儀表在實(shí)際應(yīng)用中能可靠工作，必須要考慮和解決抗干擾的問題。

5.1 空間電磁場(chǎng)抗干擾措施

空間電磁場(chǎng)干擾常引起串模干擾。其是指干擾電壓與被測(cè)信號(hào)串聯(lián)疊加后作用到儀表上，通過測(cè)量?jī)x器的輸入端進(jìn)入測(cè)量?jī)x器而引起測(cè)量誤差。串模信號(hào)來自高壓輸電線、與信號(hào)線平行鋪設(shè)的輸電線及導(dǎo)線中的大電流等。特別是空間的工頻電磁場(chǎng)，在輸入回路中產(chǎn)生的工頻感應(yīng)電勢(shì)影響最大。若測(cè)量控制系統(tǒng)的信號(hào)線較長，通過電磁和靜電耦合所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)有可能大到與被測(cè)有效信號(hào)相同的數(shù)量級(jí)。

抗空間磁場(chǎng)干擾的措施主要有：①靜電屏蔽防止靜電耦合干擾，主要采用導(dǎo)體接地；②電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場(chǎng)的影響，采用良好金屬材料作為屏蔽層以達(dá)到屏蔽的目的；③磁屏蔽主要用來防止低頻磁場(chǎng)干擾，采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層。

另外，采用RC低通濾波器可以濾掉難以抑制的串模干擾，同時(shí)信號(hào)線應(yīng)選用帶屏蔽層的雙絞線或電纜線，并有良好的接地系統(tǒng)。

5.2 傳輸通道抗干擾設(shè)計(jì)

傳輸通道主要指的是輸入通道、輸出通道，是與主機(jī)進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂?，也是儀表的主要干擾。

DSP應(yīng)用系統(tǒng)中，傳輸線上的信息多為脈沖波，它在傳輸線上傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變、衰減與通道干擾。為了保證長線傳輸?shù)目煽啃裕袛喔蓴_竄入的渠道，就要去掉與輸入/輸出之間的公共地線，實(shí)現(xiàn)彼此電隔離以抑制干擾脈沖。主要采用光電耦合隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配等措施。本設(shè)計(jì)采用光電耦合隔離抗干擾。

在實(shí)際電子電路系統(tǒng)中，I/O通道不可避免地存在各種各樣的干擾信號(hào)，若電路的抗干擾能力差，將導(dǎo)致測(cè)量、控制準(zhǔn)確性的降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而帶來破壞性的后果。因此，若硬件上采用一些技術(shù)，破壞干擾信號(hào)進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)的途徑，可有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

事實(shí)證明，采用隔離技術(shù)是一種簡(jiǎn)便且行之有效的方法。隔離技術(shù)是破壞干擾途徑的抗干擾方法，硬件上常用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電-光-電的隔離，能有效破壞干擾源的進(jìn)入，有效實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，并易構(gòu)成各種功能狀態(tài)。

光電耦合器件是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實(shí)現(xiàn)耦合，構(gòu)成電-光和光-電的轉(zhuǎn)換器件。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用該原理，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間信號(hào)通路相聯(lián)而電氣通路上相互隔離，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)將模擬電路和數(shù)字電路相互隔離，起到抑制交叉串?dāng)_的作用。

該電路應(yīng)用在A/D轉(zhuǎn)換、開關(guān)量接口等電路處，從而實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)間信號(hào)通路相聯(lián)的同時(shí)，在電氣通路上相互隔離，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模擬電路和數(shù)字電路的相互隔離，起到抑制交叉串?dāng)_的作用。

在應(yīng)用光電耦合電路時(shí)還需注意以下兩點(diǎn)：①在光電耦合器的輸入部分和輸出部分，必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義；②當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入和輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)字量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）進(jìn)行隔離，使被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離就沒有意義。

5.3 電源和接地系統(tǒng)的抗干擾

為防止電源對(duì)電網(wǎng)的干擾，本設(shè)計(jì)采用開關(guān)電源做工作電源。開關(guān)電源集成電路具有高集成度、高性價(jià)比、最佳外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點(diǎn)，為負(fù)載提供穩(wěn)定的工作電壓，抗干擾能力強(qiáng)，能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源。該工作電源具有欠電壓、過電壓保護(hù)，具有頻率抖動(dòng)特性，降低電磁干擾，EMI濾波器能更好地濾掉共模和串模干擾。

正確接地是儀表系統(tǒng)抑制干擾應(yīng)注意的重要問題。盡可能使用較粗的地線和電源走線，以減少電源電阻，減少噪聲。為了減少高頻數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，數(shù)字地和模擬地應(yīng)僅在A/D轉(zhuǎn)換處相連，其他地方應(yīng)分別走線。

5.4 軟件數(shù)字濾波

在數(shù)據(jù)采集過程中，特別是觀察數(shù)據(jù)采集的靜態(tài)測(cè)量特征時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)存在干擾尖脈沖。干擾產(chǎn)生的因素很多，如電源干擾、電磁干擾、繼電器的突然啟動(dòng)或釋放、多路開關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生的干擾等。這些干擾持續(xù)的時(shí)間雖然不長，但可能正好在采樣數(shù)據(jù)的瞬間產(chǎn)生，因此，會(huì)在模擬信號(hào)上疊加很大的尖峰干擾信號(hào)，從而對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度造成嚴(yán)重影響。為了進(jìn)行精確測(cè)量，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪聲和干擾。干擾通常分為兩大類：一類為周期性干擾，另一類為不規(guī)則的隨機(jī)干擾。對(duì)于隨機(jī)干擾，除采用模擬濾波外，還可以用數(shù)字濾波技術(shù)，對(duì)A/D采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以削弱或消除干擾信號(hào)。數(shù)字濾波具有成本低、精度高、可靠性高、適用范圍廣、使用靈活方便等特點(diǎn)。

數(shù)字濾波不需要硬件，不存在阻抗匹配的問題，對(duì)多路信號(hào)可以供用一個(gè)軟件濾波器，從而降低儀表的硬件成本。智能儀表中常用的數(shù)字濾波算法有限幅濾波、算術(shù)平均濾波、滑動(dòng)平均濾波及加權(quán)滑動(dòng)平均濾波等。在實(shí)際應(yīng)用中，所面臨的隨機(jī)擾動(dòng)往往不是單一的，有時(shí)既要消除大幅度的脈沖干擾，又要做數(shù)據(jù)平滑，因此常將兩種以上的濾波算法結(jié)合使用。把兩種以上的方法結(jié)合起來使用，就形成復(fù)合濾波，去極值算術(shù)平均濾波法就是復(fù)合濾波中的一種。本設(shè)計(jì)就采用了此種復(fù)合濾波算法。該算法的特點(diǎn)是：先用去極值濾波法濾去采樣值中的脈沖干擾，然后把剩余的各采樣值進(jìn)行平均。具體算法是，連續(xù)采樣n次，剔除最大值和最小值，在求余下n-2個(gè)采樣的平均值，所得的結(jié)果就是濾波以后的結(jié)果。它既適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干信號(hào)濾波，又能濾去明顯的脈沖干擾。

表1 直流信號(hào)的電壓、電流測(cè)試

表2 交流信號(hào)的電壓、電流測(cè)試

6 性能檢測(cè)

本設(shè)計(jì)開展了以下實(shí)驗(yàn)對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測(cè)：利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源模擬來進(jìn)行電流和電壓的測(cè)量，得到不同電流電壓輸入值下的測(cè)試結(jié)果。直流與交流信號(hào)的電壓、電流測(cè)試結(jié)果分別如表1、表2所示。

7 結(jié)語

本設(shè)計(jì)從硬件和軟件兩方面構(gòu)建電機(jī)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，利用分壓電阻代替互感器并通過6路測(cè)試通道同時(shí)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了單相測(cè)量、多相測(cè)量及直流測(cè)量的無縫集成與量程的自動(dòng)切換，避免了按鍵切換等帶來的不便，使各種電機(jī)的測(cè)試更具通用性和靈活性。

本設(shè)計(jì)使用DSP作為主控芯片，結(jié)合16位A/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)精度得以提高，為后續(xù)電機(jī)試驗(yàn)中的其他測(cè)試（冷態(tài)直流電阻、匝間絕緣、溫升試驗(yàn)、空載試驗(yàn)等）奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)表明測(cè)量精度在0.2%以內(nèi)。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能連續(xù)可靠地運(yùn)行，有效減少了電磁干擾，提高了測(cè)量的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，有助于提高電機(jī)行業(yè)的產(chǎn)量與質(zhì)量，進(jìn)一步推動(dòng)電機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

［1］武建文，李德成.電機(jī)現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］林高翔.基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)型電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)［D］.杭州：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2010.

［3］李純.基于數(shù)字信號(hào)處理器的電機(jī)測(cè)試裝置的研制［D］.重慶：重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，2005.

Design of Novel Electrical Parameter Measurement System Based on DSP

Xie Tao
（China Airborne Missile Academy，Luoyang Henan 471000）

Aiming at the motor parameter test,a new kind of electrical parameter measurement system was investigated.After the analysis of various sized motors,hardware and software construction was established.Voltage,current,power,power factor and frequency were measured by using high-accuracy A/D converter and DSP chip,with results shown through computer.For medium and small-sized motors,the system can test parameters of DC and single-phase AC simultaneously,also three-phase electrical parameters,switching smoothly between AC&DC.Rotating-speed is additionally measured when DC brush motor is under test.

AC/DC；electrical parameter measurement；A/D converter；digital signal processor（DSP）；Auto-scale

TM306；TH73；TM932

A

1003-5168（2017）09-0038-04

2017-09-01

謝濤（1976-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：自動(dòng)化、項(xiàng)目管理。