單片機(jī)系統(tǒng)的輸入輸出通道及信號(hào)的輸入分析

周 雯 張秀娟

[摘要]以單片機(jī)為核心的二次壓降測量儀,其結(jié)果準(zhǔn)確可靠。分析以單片機(jī)為核心的二次壓降測量儀的輸入輸出通道及信號(hào)的輸入,證明采用單片機(jī)作為快速處理數(shù)據(jù)的微處理器是合理可行的。

[關(guān)鍵詞]電壓互感器二次壓降單片機(jī)

中圖分類號(hào):TN6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1120004-01

隨著電力系統(tǒng)市場化步伐的加快,電能計(jì)量對(duì)準(zhǔn)確性測量的要求越來越高。而電能計(jì)量的綜合誤差過大是普遍存在的一個(gè)問題。電能計(jì)量綜合誤差是由電壓互感器的合成誤差、電流互感器的合成誤差、電能表的誤差、電壓互感器二次導(dǎo)線壓降所引起的計(jì)量組成。在這四項(xiàng)誤差中,電壓互感器二次導(dǎo)線壓降所引起的誤差最大,因此必須準(zhǔn)確、快速、方便、可靠的把它測量出來。二次壓降測量儀的中數(shù)字電路部分是一個(gè)典型應(yīng)用的單片機(jī)系統(tǒng),它主要是完成對(duì)繼電器和A/D的控制,以及完成轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算、顯示以及與上位機(jī)的通訊。此單片機(jī)的CPU內(nèi)核具有16位數(shù)據(jù)線和22位地址線,由此決定其基本數(shù)據(jù)類型是16位的“字”型;22位地址線最多可尋訪4M字的存儲(chǔ)容量,以獲取指令代碼和指令數(shù)據(jù)。地址線中的高6位稱為存儲(chǔ)器地址頁碼,它來自段寄存器中的6位代碼段和6位數(shù)據(jù)段選擇字段,亦即頁碼的檢索通過段的編碼實(shí)現(xiàn)。地址線低16位稱為存儲(chǔ)器地址偏移量,它來自其它一些寄存器,通過段和偏移量組合產(chǎn)生22位地址線。

一、輸入輸出通道的概述

在計(jì)算機(jī)內(nèi)部,信息是以二進(jìn)制數(shù)字量表示的。而在自然界中,物理量大多數(shù)是連續(xù)變化的模擬量,如溫度、壓力、速度等。這些模擬量信號(hào)經(jīng)過各種傳感器變換成為模擬電壓信號(hào)。模擬信號(hào)無法直接輸入數(shù)字計(jì)算機(jī),必須再轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)。即使外部物理量以數(shù)字信號(hào)來描述的,這些信號(hào)在電平和邏輯上也不一定能夠與計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平兼容,還必須進(jìn)行處理。與輸入相對(duì)應(yīng),計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)字信號(hào)輸出時(shí)又必須還原為與之相適應(yīng)的外部模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。在智能儀器中,微處理系統(tǒng)與外部的信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳送是由輸入/輸出通道來完成的。可以說,輸入/輸出通道是微處理系統(tǒng)與外部聯(lián)系的“橋梁”。表示自然界物理量的信號(hào)分別為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。這兩類信號(hào)在輸入計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)輸出時(shí),輸入/輸出通道結(jié)構(gòu)不同,相應(yīng)的輸入/輸出通道分為兩類:模擬量輸入/輸出通道和數(shù)字量輸入/輸出通道。本系統(tǒng)的信號(hào)通道屬十模擬量輸入/輸出通道。

經(jīng)過傳感器變換后輸出的模擬電壓信號(hào)一般很微弱,而且含有噪聲,需要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路放大和調(diào)節(jié)到適合于后級(jí)電路轉(zhuǎn)換的電平范圍內(nèi)。采樣/保持器在指定的時(shí)刻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣,并由保持電路把采樣信號(hào)保持下來,變成時(shí)間離散信號(hào)。該模擬信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后由接口電路輸入到計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)將輸入的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過處理,再經(jīng)過接口電路輸出到D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),輸出到外部。

二、單片機(jī)系統(tǒng)信號(hào)的輸入

任何一個(gè)電子系統(tǒng)都可以分為三部分:第一部分是輸入部分,信號(hào)在此被接受。這類信號(hào)通常是一個(gè)電量信號(hào)或者有待于用傳感器轉(zhuǎn)換成電參數(shù)信號(hào)的非電氣物理量。第二部分是信號(hào)的加工處理部分。對(duì)信號(hào)的處理,有模擬和數(shù)字兩種方法,也可以兩種方法結(jié)合使用。對(duì)不需要作復(fù)雜運(yùn)算和處理的單一信號(hào),比較簡單的系統(tǒng)可以用模擬電路來處理;對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)需要用到微機(jī)等數(shù)字電路。第三部分是信號(hào)的輸出部分。信號(hào)在這一部分輸出給終端顯示或者驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(負(fù)載)等。系統(tǒng)首先采集信號(hào)(信號(hào)從輸入通道進(jìn)入系統(tǒng)),這些信號(hào)通常來源于各種物理量的傳感器、變換器、接收器,或者來源于用于測試系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器等。其中信號(hào)的(預(yù))處理環(huán)節(jié)的作用是利用隔離、濾波、阻抗變換等各種手段將信號(hào)從各種噪聲、干擾中分離出來并進(jìn)行放大。所采集的信號(hào)經(jīng)過處理、加工、運(yùn)算、變換后應(yīng)該能夠?yàn)槠渌?jì)算機(jī)等系統(tǒng)識(shí)別、接受;或能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成其它的控制功能。對(duì)于測量系統(tǒng)被測對(duì)象拾取必要的原始參量信號(hào)是系統(tǒng)的核心任務(wù)。獲取被測對(duì)象信號(hào)的主要任務(wù)就是真實(shí)準(zhǔn)確的反映被測對(duì)象的狀態(tài),包括實(shí)時(shí)性和測量精度,并能使這些測量信號(hào)滿足計(jì)算機(jī)輸入接口的要求。本測試系統(tǒng)即從取樣互感器的二次端獲取電壓信號(hào),然后經(jīng)過模擬電路環(huán)節(jié)的一系列預(yù)處理,得到單片機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào),然后再由此單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)其信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理,如數(shù)據(jù)的運(yùn)算變換、存儲(chǔ)、顯示和通訊等。在測試儀中,模擬信號(hào)的準(zhǔn)確獲取是關(guān)鍵。本儀器是要求被測系統(tǒng)不停電、實(shí)現(xiàn)在線測試,模擬信號(hào)的獲取即成為系統(tǒng)要解決的首要關(guān)鍵問題。這樣對(duì)被測的二次電壓信號(hào)通過電力專用測試導(dǎo)線引入儀器,儀器內(nèi)部的電壓取樣電路通過精密電壓互感器取出與被測的二次電壓信號(hào)成比例的電壓信號(hào),取出的電壓信號(hào)再送給后面的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行相應(yīng)的處理。通常在實(shí)際的測量中,輸入通道采用儀用互感器變換量限而不采用傳統(tǒng)的分流器和附加電阻的方式,主要是因?yàn)椴捎没ジ衅骺梢愿綦x高電壓,提高系統(tǒng)的可靠性,降低系統(tǒng)功耗。

三、取樣電壓互感器

測量用互感器是一種交換交流電壓或電流使得便于測量的電器。其中變換交流電壓的稱為電壓互感器;變換交流電流的稱為電流互感器。采用了測量用互感器后,就可用一般的測量儀表來測量高電壓、大電流、大功率等,并可以保證人身和測量儀表的安全,它在電測技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。電磁式互感器,這是目前應(yīng)用最多的互感器,基本工作原理與一般變壓器相同,僅在結(jié)構(gòu)、材料、容量、誤差范圍等方面有所差別。按照應(yīng)用范圍可以分為電力互感器和儀用互感器。電力互感器工作電壓、電流較大、容量大,體積大。

電壓互感器是發(fā)電廠、變電所等輸電和供電系統(tǒng)不可缺少的一種電器。電壓互感器和變壓器很相象,都是用來變換線路上的電壓。通常變壓器是電力系統(tǒng)用,它的主要目的是為了輸送電能,因此容量很大,一般都在千伏或兆伏安為計(jì)算單位;而電壓互感器變換電壓的目的,主要是給測量儀表和繼電保護(hù)裝置供電,用來測量線路的電壓、功率和電能,或者用來在線路發(fā)生故障時(shí)保護(hù)線路中的貴重設(shè)備、電機(jī)和變壓器,因此電壓互感器的容量很小,一般都只有幾伏安、幾十伏安,最大也不超過一千伏安。儀用電壓互感器是電測試驗(yàn)室內(nèi)使用的一種電工儀器,也叫作精密電壓互感器,主要是用來擴(kuò)大量限,測量電壓、功率和電能的一種儀器。在本測試儀器輸入通道中就內(nèi)置了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的隔離儀用電壓互感器,它有兩個(gè)輸出端,其中的一個(gè)一次端電壓和二次端電壓比為100/2,另一個(gè)的兩端電壓之比為100/100。當(dāng)前國內(nèi)有好多單位生產(chǎn)用于測量用的微型精密電壓互感器,這類互感器工作電流范圍寬,誤差線性好,量限系列化,輸出標(biāo)準(zhǔn)化。大部分非線性度達(dá)到:比差<0.1%(額定電壓10-100%;角差<±5分)額定電壓80-120%。

參考文獻(xiàn):

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