交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺接口設(shè)計

李海軍，肖繼學(xué)，程 志，殷 巧， 董圣友， 王 澤

（1.西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都航天通信設(shè)備有限責(zé)任公司，四川 成都 610051；3.天府新區(qū)仁壽視高管理委員會，四川 成都 620500）

交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺接口設(shè)計

李海軍1，肖繼學(xué)1，程 志2，殷 巧3， 董圣友1， 王 澤1

（1.西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都航天通信設(shè)備有限責(zé)任公司，四川 成都 610051；3.天府新區(qū)仁壽視高管理委員會，四川 成都 620500）

為并行開發(fā)交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺的各構(gòu)成模塊，以便快速研發(fā)出該平臺，從指標(biāo)要求、功能需求和資源分配等方面設(shè)計采集接口、存儲接口、通信接口、微處理器接口、上位機接口以及用于上位機模塊內(nèi)的Visual C++-Matlab接口。基于這些接口，在Protus、Protel、Keil C、Visual C++6.0等電路、軟件集成仿真、開發(fā)環(huán)境中研制該平臺，并通過實驗結(jié)果驗證這些接口設(shè)計的有效性和合理性。

交流電力；智能傳感器；信號處理；設(shè)計；接口

0 引 言

交流電力智能傳感器的粗信號處理是對感知出來的電力信號進行分析，進而獲得電力特征參數(shù)或性能指標(biāo)的過程。人們基于最小均方根法、相關(guān)分析法和拉格朗日法等展開了這方面的研究，以便低成本地實現(xiàn)交流電力智能傳感器，并取得了初步成果[1-5]。

為更深入進行這方面的研究并檢驗所研究方法的實際性能，設(shè)計一套交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺，并設(shè)計、實現(xiàn)其各功能模塊即可高效、快速地研制出該平臺。各功能模并行設(shè)計、實現(xiàn)的首要條件為相互聯(lián)系的各模塊間在電氣、信息等方面具有明確的規(guī)定或約束特性（即接口[6]）。為盡快開發(fā)出該實驗平臺，本文進行了其接口設(shè)計。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺主要由嵌入式現(xiàn)場系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)兩部分構(gòu)成[5]。嵌入式現(xiàn)場系統(tǒng)包括感知單元、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微處理器、復(fù)位電路、時鐘電路、監(jiān)視單元、電源單元、鍵盤單元、顯示單元、存儲單元以及通信單元等，能夠完成交流電力信號探測、調(diào)理、粗信號處理方法的后期現(xiàn)場實際驗證、分析結(jié)果的顯示及通信等功能。上位機系統(tǒng)由一臺個人計算機即PC構(gòu)成，主要完成交流電力信號的信號模擬、粗信號處理的前期仿真研究以及與現(xiàn)場系統(tǒng)的通信等，其軟件在集成開發(fā)環(huán)境Visual C++6.0中研制。在Visual C++6.0中通過調(diào)用Matlab中功能豐富的基于傳統(tǒng)、經(jīng)典方法的分析工具，分析、處理實測交流電力信號來獲取交流電力特征參數(shù)或性能指標(biāo)的真值，以分析粗信號處理方法的精度，同時縮短研發(fā)周期。現(xiàn)場系統(tǒng)與上位機系統(tǒng)之間通過串口進行通信。

2 接口設(shè)計

交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺利用圖1所示的采集、存儲、微處理器、通信、上位機和VC-Matlab共6個接口即可將各功能模塊構(gòu)成一個有機整體。在研發(fā)該平臺時，根據(jù)這些接口，也可以并行開發(fā)與之相應(yīng)的采集模塊、存儲模塊、通信模塊、上位機模塊及其他模塊。由于粗信號處理研究的基本出發(fā)點在于為低成本實現(xiàn)交流電力智能傳感器提供方法和技術(shù)支持，實驗平臺選取成本低、性價比高和穩(wěn)定性好的89C51/52系列單片機作為其微處理器。接著將對這6個接口進行設(shè)計。

2.1 采集接口

采集模塊由電流、電壓等電力信號的感知部件、信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路等構(gòu)成。要求信號采集的分辨率為0.3V，采樣頻率不低于20kHz。采集模塊對其濾波等信號調(diào)理方面沒有要求，便于交流電力智能傳感器硬件的簡化，以利于減小體積和低成本實現(xiàn)。工業(yè)上一般采用三相交流電力，故采集模塊應(yīng)能采集三相電力的電壓、電流信號。實驗平臺留給采集模塊的微處理器I/O系統(tǒng)資源為P1口的低5位，以供采集模塊使用。

2.2 存儲接口

本實驗平臺需要存儲來自于上位機的模擬電力信號u′、通過采集模塊獲得的三相電壓、電流采集信號uA、uB、uC、iA、iB、iC，以及利用粗信號處理方法分析得來的電力特征參數(shù)或性能指標(biāo)等數(shù)據(jù)。模擬電力信號主要用于分析粗信號處理方法在電力智能傳感器中的實際測試精度、實時性以及可靠性。實測電力信號用于研究粗信號處理方法的現(xiàn)場分析性能，電力特征參數(shù)或性能指標(biāo)是粗信號處理方法性能評價的依據(jù)。電力信號的采樣周期Ts越短，一個電力信號周期T內(nèi)的采樣點數(shù)N越大，樣本就越趨近于實際的電力信號。因此，本實驗平臺需要存儲大量數(shù)據(jù)，僅利用微控制器自身的存儲空間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要擴展存儲器。

圖1 智能傳感器粗信號處理實驗平臺接口框圖

為確保分析精度，本實驗平臺采用基于IEEE 754—1985《IEEE Standard for Borary Floating-Point Arithmeti》標(biāo)準(zhǔn)的浮點型數(shù)據(jù)格式進行存儲，一個數(shù)據(jù)信息占用4個字節(jié)。為了讓樣本較好地逼近電力信號，無論對于實測信號還是模擬信號，N均取為512，存放3個周期的電力信號。頻率、電壓與電流的幅值、初相位是交流電力的特征參數(shù)；交流電力功率的基本性能指標(biāo)為視在功率、有功功率、無功功率和功率因子。通過不同方法獲得的這些參數(shù)或指標(biāo)均需要保存。另外，還有用于計算、分析過程中的數(shù)據(jù)臨時緩存區(qū)bufter，至少需要1kB的空間。另外，實驗平臺留給存儲模塊的系統(tǒng)I/O資源為P0、P2.0～P2.5、P3.6、P3.7。

2.3 通信接口

交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺對現(xiàn)場系統(tǒng)與上位機系統(tǒng)之間的通信速度無特別要求，采用RS-232串口全雙工通信，數(shù)據(jù)格式為16進制，波特率為9600bit/s、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗。

本平臺的通信協(xié)議格式如表1所示。其中字節(jié)頭取值為0x68，結(jié)束碼取值為0x16，A、B、C三相電壓、電流采集通道ID分別為1，2，3，4，5，6，數(shù)據(jù)域內(nèi)放置要傳送的具體數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)長度表示數(shù)據(jù)域中的字節(jié)數(shù)，占用2個字節(jié)。將除校驗碼和結(jié)束碼外的其他項通信信息累加，形成用1個字節(jié)表示的校驗碼。5個字節(jié)描述的控制字主要分成3類：數(shù)據(jù)請求控制字、數(shù)據(jù)上傳控制字和輔助控制字。對于前兩類，由于通信的內(nèi)容為表1所示的信息（buffer項除外），故其格式為：Q或S+4位描述的表1中的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)的下標(biāo)變?yōu)檎Ｗ煮w，數(shù)據(jù)不足4位的項，其高位用零表示，如θuA1、uA1、u1′分別描述為θuA1、0uA1、0u1′，表示利用粗信號處理方法1分析實測交流A相電壓信號所得的初始相位、電壓有效值，分析模擬信號所得的電壓有效值），其中，Q表示查詢信息，S表示發(fā)送信息。輔助控制字的格式為：ACW+兩位控制指令，其中，01表示測試串口通信是否正常（回復(fù)0表示串口通信正常，其他值表示串口通信不正常），02表示查詢平臺正常采集電力信號的通道數(shù)目，03表示查詢平臺正常采集電力信號的通道，04表示查詢平臺通信的波特率，05表示設(shè)置平臺通信的波特率。輔助控制指令還可以根據(jù)需要進行擴展。

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式 Byte

2.4 微處理器接口

微處理器模塊主要由89C51/52集成芯片、復(fù)位電路、時鐘電路、鍵盤單元、顯示單元、CPU監(jiān)視單元和電源單元等構(gòu)成。它能將A/D單元后的電力信號進行采集并存放在存儲器中，并利用多種粗信號處理方法分析采集或模擬交流電力信號，輸入現(xiàn)場指令，顯示現(xiàn)場系統(tǒng)的工作狀態(tài)、分析結(jié)果；與上位機系統(tǒng)進行通信，監(jiān)視CPU的工作狀態(tài)，一旦出現(xiàn)“跑飛”等故障，復(fù)位CPU讓其重新正常工作；能提供現(xiàn)場系統(tǒng)正常工作的電源。供微處理器模塊使用的I/O為P1口的高3位。

2.5 上位機接口與Visual C-Matlab接口

上位機模塊能模擬交流電力信號，實現(xiàn)多種交流電力粗信號處理方法，并將模擬交流電力信號“告知”現(xiàn)場系統(tǒng)，從現(xiàn)場系統(tǒng)處“獲知”交流電力的實測信號以及現(xiàn)場系統(tǒng)的分析結(jié)果等；以圖、列表等方式顯示實測或模擬交流電力信號，并顯示交流電力信號多種粗信號處理方法的分析結(jié)果等。Visual C++6.0是Window平臺上一種強有力的軟件開發(fā)集成環(huán)境，所以，本實驗平臺的上位機將利用Visual C++6.0進行其軟件開發(fā)。

對于模擬的交流電力，其特征參數(shù)和性能指標(biāo)的真值是已知的；對于實測的交流電力，確定其特征參數(shù)和性能指標(biāo)的真值比較困難。利用現(xiàn)有的經(jīng)典方法獲得這些真值不失為一種有效途徑。Matlab工具箱提供了豐富的經(jīng)典方法、算法和繪圖方式，在Visual C++6.0中利用這些工具能可靠地計算出電力特征參數(shù)、性能指標(biāo)的真值，并有效地縮短上位機軟件的開發(fā)周期。

在Visual C++6.0中調(diào)用Matlab工具箱中的函數(shù)有幾種方式，結(jié)合自身特點，上位機模塊宜采用引擎方式。利用這種方式的具體步驟為：

1）在Visual C++6.0環(huán)境中添加Matlab引擎庫頭文件和庫函數(shù)的路徑，并在其菜單項Project→Settings的【Link】選項卡上【Object/library modules】文本框中添加3個文件名libmx.lib、libmex.lib、libeng.lib。

2）在工程頭文件中加入引擎庫頭文件名Engine.h。首次調(diào)用Matlab函數(shù)時先利用engOpen函數(shù)打開Matlab引擎。該函數(shù)返回的引擎指針用于之后Matlab函數(shù)的調(diào)用。不再調(diào)用Matlab函數(shù)時，通過engClose函數(shù)關(guān)閉引擎。

3）通過engEvalString函數(shù)向Matlab引擎發(fā)送包含所調(diào)用的Matlab函數(shù)名及其參數(shù)的命令字符串實現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。利用函數(shù)engGetVariable獲取Matlab函數(shù)分析出來的信息。該函數(shù)返回一個mxArray類型的指針。函數(shù)mxGetData可將該類型的指針轉(zhuǎn)化成可在Visual C++6.0中操作的void類型指針。

3 實 驗

項目組將5位碩士研究生劃分成4個小組：從原理設(shè)計到系統(tǒng)集成、調(diào)試，研制出該平臺[7]共花費1個半月[8]。

圖2 單相交流電力測試

利用實驗室中的工業(yè)用交流電力對研制出的實驗平臺進行系統(tǒng)測試和驗證。圖2（a）為現(xiàn)場系統(tǒng)采集的一個單相交流電壓信號，上位機系統(tǒng)通過通信模塊獲取了該信號并利用0、1、2號粗信號處理方法對其進行分析。上位機系統(tǒng)調(diào)用Matlab工具箱中的FFT函數(shù)獲得該信號特征參數(shù)的真值，其中圖2（b）、2（c）分別為該信號幅頻、相頻特性。圖2（d）為該信號在實驗平臺上測試得出的綜合信息。其中，幅值數(shù)據(jù)、相位數(shù)據(jù)列表框中的內(nèi)容為圖2（b）、2（c）的數(shù)據(jù)化，對該信號進行的3種粗信號處理（一個信號周期內(nèi)用了21個采樣點進行分析）是在上位機系統(tǒng)上進行的，其分析結(jié)果與現(xiàn)場系統(tǒng)基本相同，不同的主要在于處理速度，其主要原因是微處理器的晶振頻率為12 MHz，而上位機的主頻為2.1 GHz。由圖2可知，方法1、2的精度高于方法0，這與相關(guān)研究成果相吻合，從而驗證了該實驗平臺的有效性、可靠性。

該實驗平臺研制的快速性、高效性以及研制出的平臺有效性、可靠性證明了用于該平臺研制的接口設(shè)計的有效性、合理性。

4 結(jié)束語

簡要分析了交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺基本結(jié)構(gòu)，指出其基本組成單元為采集模塊、存儲模塊、通信模塊、微處理器模塊和上位機模塊。在此基礎(chǔ)上，探討了該平臺的接口構(gòu)成。接著從指標(biāo)要求、功能需求、資源分配等方面設(shè)計了采集接口、存儲接口、通信接口、微處理器接口、上位機接口以及用于上位機模塊內(nèi)的基于引擎方式的VC-Matlab接口。對于VC-Matlab接口，探討并展示了具體實現(xiàn)過程。將這些接口用于研制該實驗平臺的實踐證明了這些接口設(shè)計的有效性、合理性，為后續(xù)工作提供了重要參考。

[1]肖繼學(xué)，李世璽，程志.交流電壓智能傳感器的粗信號處理[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（2）：35-38.

[2]車暢，胡丹.交流電力功率智能傳感器粗信號處理[J].西南交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，46（4）：598-603.

[3]肖繼學(xué)，楊瑜，王凱.交流電力智能傳感器中功率的一種高效測試方法[J].測控技術(shù)，2010，29（7）：94-102.

[4]肖繼學(xué)，楊瑜，王凱.交流電壓智能傳感器中信號處理的相關(guān)分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（5）：98-100.

[5]程志，肖繼學(xué)，李世璽.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（4）：68-71.

[6]趙書蘭.Matlab R2008接口技術(shù)程序設(shè)計實例教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：203-217.

[7]殷巧，肖繼學(xué)，童俊，等.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗平臺的軟件設(shè)計[J].中國測試，2013，39（2）：89-93.

[8]程志.交流電力智能傳感器粗信號處理實驗系統(tǒng)的研制[D].成都：西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，2012.

Interface design of experimental platform for AC power smart sensor coarse signal processing

LI Hai-jun1，XIAO Ji-xue1，CHENG Zhi2，YIN Qiao3，DONG Sheng-you1，WANG Ze1
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.Chengdu Aerospace Communication Device Company Limited，Chengdu 610051，China；3.Tianfu New Area Renshou Shigao Administration Committee，Chengdu 620500，China）

In order to develop the modules of experimental platform for AC power smart sensor coarse signal processing in parallel so that the platform can be implemented as soon as possible，the interfaces are designed in aspects of performance index，function demand and system resource allocation.They are interfaces of acquisition，storage，communication，micro-processor，host computer and Visual C++-Matlab，which is utilized in host computer module.Based on the interfaces，the platform is exploited in the circuit and software integrated development and stimulation environments such asProtus、Protel、KeilC and VisualC++6.0.The resultsofthe developmentand the experiments carried out on the platform improve the interfaces effective and reasonable.

AC power；smart sensor；signal processing；design；interface

TM711.2；TP212.1；TN911.7；TP334.7

：A

：1674-5124（2014）05-0111-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.029

2014-02-17；

：2014-05-05

教育部重點項目（Z2012015）四川省教育廳重點項目（13ZA0025）四川省人力資源和社會保障廳重點項目（川財教[2013]203）

李海軍（1990-），男，四川南充市人，碩士研究生，專業(yè)方向為單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。