一種基于DSP的電量測量儀設計

謝 濤

一種基于DSP的電量測量儀設計

謝 濤

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000）

針對電機試驗中的電參數測試，設計了一種基于DSP的電量測量儀。詳細論述了整個系統的硬件構架與軟件算法，該系統通過采用高精度A/D轉換器、DSP芯片以及上位機來完成電壓、電流、功率、功率因數及頻率的測量與數據的輸出顯示。對于中小型電機，測量儀既可測三相交流電參數，又可同時測量單相交流與直流電參數；當被測對象為直流有刷電機時，還能測量其轉速；測試量程根據輸入電流、電壓的大小自動進行切換。測試結果表明：該系統精度高，運行穩定可靠，能滿足實際需求。

交/直流；電參數測試；A/D轉換；數字信號處理器；量程切換

1 研究背景

在電機的生產、運行與實驗研究過程中，需要對電機的參數、性能等進行必要的測試，以檢驗電機是否滿足有關技術要求，或是尋求改進生產工藝的方法與途徑［1-2］。近年來，電機工業飛速發展，同時帶動了電機測試技術的發展。電機電參數的測量是電機測試中的必要部分。隨著數字信號處理技術與計算機技術的發展應用，電參數測試系統的智能化程度與數據處理能力大幅提高，在測量精度、功能等方面遠遠超過傳統的測試方法，電參數測試步入了一個新的時代。

目前，市場上電參數測量儀種類繁多，但國內產的測量儀大多精度不高，測試誤差較大［3］，而國外生產的專用數字測量儀價格昂貴，不適合一般的工業應用單位，再加上大多數參數測試儀對交流和直流參數需分開測試，不能將對各種電機的測試集中于一臺儀器上，使用不便。因此，設計一種集成性好、精度高、經濟實用的電參數測量儀具有重要意義。

本文設計了一種新型電參數測試儀，以DSP芯片TMS320F2182為核心實現運算和控制，采用高精度A/D轉換器ADS8364Y高速采樣信號，以實現量程的自動切換與交直流的通用測試，提高測試精度與速度，通過與上位機的通信及LCD液晶顯示，提供友好的人機交互界面。

2 系統結構

電參數測量儀的系統結構主要包括以下模塊：信號采集及變換調理、A/D轉換、DSP數據處理、LCD數據顯示等。本設計著重信號采集與量程切換電路的設計，從硬件與軟件兩方面對測試系統進行改進，自動完成測試數據的采集、分析、存儲與顯示，同時提高系統的通用性與可靠性。

3 硬件設計

系統的硬件部分以TI公司的DSP芯片TMS320F2812為控制核心，該芯片具有快速的數字信號處理能力、強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，外圍接口豐富。硬件電路包括信號采集、信號調理、模數轉換、LCD顯示、串口通信電路等。電壓和電流信號采集完畢后，經過信號調理電路進行數據處理，送至ADS8364進行模數轉換，DSP對采樣數據進行分析，分析結果傳送至上位機及LCD顯示。

3.1 信號采集與調理

3.1.1 信號采集。信號采集包括對電機電壓、電流和轉速的采集。開辟6路信號采集通道，分別采樣電機的三相電壓和三相電流信號，當被測電機為直流電機或單相交流電機時，由于電壓和電流信號采集通道并未被完全占用，且兩者互不相關，因此，可以同時進行直流電機與單相交流電機的信號采集，從而實現交直流通用。本設計通過計數器對標準時鐘脈沖計數，并做模數變換，用除法電路求其倒數可得電機的轉速。

與傳統方法中采用電壓、電流傳感器對電壓與電流信號進行采集不同，本設計直接測量電機輸入端的電源參數，采用電阻分壓代替傳統的電壓互感器進行信號采集，用600kΩ/100Ω的分壓電阻進行信號的降壓處理，被測信號輸入范圍降至0～83.32mV，保證了系統的安全性；對于電流信號，利用不同規格的分流器，測試不同大小的電流，將分流器串接在電機輸入電源的兩端，以完成信號的引入與采樣。當流過分流器的最大電流為50A時，可轉換為75mV的電壓值。

3.1.2 信號調理。采集得到的輸入電壓、電流信號通常都含有開關次諧波。為不影響頻率測量，并保證測量結果準確，先將輸入信號濾波，通過3階巴特沃斯濾波器，設置截止頻率為10kHz，以消除開關次諧波分量的影響。

濾波之后的信號送入放大電路進行一級放大，本設計采用儀表放大器AD620，其具有如下特征：①精度高，最大非線性度為40ppm；②失調電壓低，最大為50μV；③失調漂移低，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據采集系統。

3.2 量程切換

電壓與電流值變化范圍較大時，量程的切換能將測量誤差均勻控制在一定范圍內，以實現精確測量。部分電參數測試儀在進行量程選擇時，通過按鍵切換來實現，無法做到真正的自動切換；該系統通過CD4051來實現量程切換。CD4051是單8通道的數字控制模擬電子開關，通過3個二進制控制輸入端A、B、C和INH輸入電平選通相應的輸出引腳。

被采集的信號通過信號調理電路之后，經過模數轉換送至DSP主控芯片，并判斷信號所處的量級，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運算放大器TLC4501的倍數，從而實現量程的自動切換及整個測量電壓范圍內的精確測量。電壓劃分為4個量程：0～16V，16～45V，45～150V，150～500V；電流的量程規格為：0～1.6A，1.6～6A，6～16A，16～50A。

3.3 模數轉換

模數轉換芯片采用ADS8364Y。ADS8364Y為6通道同步采樣，高速、高精度、低功耗，適合同時采集多路信號；16位并行輸出接口，內帶2.5V高精度基準電壓源，外部時鐘為5MHz時，其采樣速度高達4μs。

經過采樣電路后的信號為具有正負半波的正弦信號，而ADS8364對采樣信號電壓的要求是AGND-0.3V至AVDD+0.3V，即“-0.3～5.3V”，因此，需要在A/D前端加入調理電路，才能使輸入的模擬信號與模數轉換所需的信號電壓匹配。ADS8364的前端信號調理電路如圖1所示。

圖1 ADS8364的信號調理電路

3.4 LCD顯示

LCD顯示電路由PCF85134驅動，采用4組4位共陽極數碼管，分別顯示電壓、電流、功率、功率因數、頻率及轉速等。功率、功率因數、頻率、轉速共用一個數碼管，通過按鍵切換顯示，小數位數隨著量程的不同而不同。指示燈采用發光二極管顯示，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”能自動識別，“PF/Hz/r·min-1”指示燈通過按鍵切換指示。

4 軟件總體設計

該軟件采用C語言進行編程，通過對實時數據的處理，實現電機參數檢測。本軟件系統大致可分為以下三大部分：①電流、電壓實時A/D采樣模塊，該模塊主要包含頻率測量子程序和數據采集子程序；②電流、電壓、功率、電度、功率因數等各電力參數的計算處理模塊，該模塊主要包含數據處理子程序、鍵盤顯示子程序；③數據通信模塊，該模塊主要是DSP與上位機進行數據通信。

5 抗干擾設計

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

5.1 空間電磁場抗干擾措施

空間電磁場干擾常引起串模干擾。其是指干擾電壓與被測信號串聯疊加后作用到儀表上，通過測量儀器的輸入端進入測量儀器而引起測量誤差。串模信號來自高壓輸電線、與信號線平行鋪設的輸電線及導線中的大電流等。特別是空間的工頻電磁場，在輸入回路中產生的工頻感應電勢影響最大。若測量控制系統的信號線較長，通過電磁和靜電耦合所產生的感應電勢有可能大到與被測有效信號相同的數量級。

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

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

5.2 傳輸通道抗干擾設計

傳輸通道主要指的是輸入通道、輸出通道，是與主機進行信息傳輸的路徑，也是儀表的主要干擾。

DSP應用系統中，傳輸線上的信息多為脈沖波，它在傳輸線上傳輸時會出現延時、畸變、衰減與通道干擾。為了保證長線傳輸的可靠性，切斷干擾竄入的渠道，就要去掉與輸入/輸出之間的公共地線，實現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。本設計采用光電耦合隔離抗干擾。

在實際電子電路系統中，I/O通道不可避免地存在各種各樣的干擾信號，若電路的抗干擾能力差，將導致測量、控制準確性的降低，產生誤動作，從而帶來破壞性的后果。因此，若硬件上采用一些技術，破壞干擾信號進入測控系統的途徑，可有效地提高系統的抗干擾能力。

事實證明，采用隔離技術是一種簡便且行之有效的方法。隔離技術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現電-光-電的隔離，能有效破壞干擾源的進入，有效實現信號隔離，并易構成各種功能狀態。

光電耦合器件是把發光器件（如發光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現耦合，構成電-光和光-電的轉換器件。

本設計應用該原理，實現不同系統間信號通路相聯而電氣通路上相互隔離，并在此基礎上實現將模擬電路和數字電路相互隔離，起到抑制交叉串擾的作用。

該電路應用在A/D轉換、開關量接口等電路處，從而實現在不同系統間信號通路相聯的同時，在電氣通路上相互隔離，并在此基礎上實現模擬電路和數字電路的相互隔離，起到抑制交叉串擾的作用。

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

5.3 電源和接地系統的抗干擾

為防止電源對電網的干擾，本設計采用開關電源做工作電源。開關電源集成電路具有高集成度、高性價比、最佳外圍電路、最佳性能指標等特點，為負載提供穩定的工作電壓，抗干擾能力強，能構成高效率無工頻變壓器的隔離式開關電源。該工作電源具有欠電壓、過電壓保護，具有頻率抖動特性，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抑制干擾應注意的重要問題。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。為了減少高頻數字信號對模擬信號的干擾，數字地和模擬地應僅在A/D轉換處相連，其他地方應分別走線。

5.4 軟件數字濾波

在數據采集過程中，特別是觀察數據采集的靜態測量特征時，可以發現存在干擾尖脈沖。干擾產生的因素很多，如電源干擾、電磁干擾、繼電器的突然啟動或釋放、多路開關切換時產生的干擾等。這些干擾持續的時間雖然不長，但可能正好在采樣數據的瞬間產生，因此，會在模擬信號上疊加很大的尖峰干擾信號，從而對數據采集的精度造成嚴重影響。為了進行精確測量，必須消除被測信號中的噪聲和干擾。干擾通常分為兩大類：一類為周期性干擾，另一類為不規則的隨機干擾。對于隨機干擾，除采用模擬濾波外，還可以用數字濾波技術，對A/D采樣后的數據進行預處理，以削弱或消除干擾信號。數字濾波具有成本低、精度高、可靠性高、適用范圍廣、使用靈活方便等特點。

數字濾波不需要硬件，不存在阻抗匹配的問題，對多路信號可以供用一個軟件濾波器，從而降低儀表的硬件成本。智能儀表中常用的數字濾波算法有限幅濾波、算術平均濾波、滑動平均濾波及加權滑動平均濾波等。在實際應用中，所面臨的隨機擾動往往不是單一的，有時既要消除大幅度的脈沖干擾，又要做數據平滑，因此常將兩種以上的濾波算法結合使用。把兩種以上的方法結合起來使用，就形成復合濾波，去極值算術平均濾波法就是復合濾波中的一種。本設計就采用了此種復合濾波算法。該算法的特點是：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行平均。具體算法是，連續采樣n次，剔除最大值和最小值，在求余下n-2個采樣的平均值，所得的結果就是濾波以后的結果。它既適用于對一般具有隨機干信號濾波，又能濾去明顯的脈沖干擾。

表1 直流信號的電壓、電流測試

表2 交流信號的電壓、電流測試

6 性能檢測

本設計開展了以下實驗對該測量系統進行性能檢測：利用標準信號源模擬來進行電流和電壓的測量，得到不同電流電壓輸入值下的測試結果。直流與交流信號的電壓、電流測試結果分別如表1、表2所示。

7 結語

本設計從硬件和軟件兩方面構建電機參數測量系統，利用分壓電阻代替互感器并通過6路測試通道同時采集數據，實現了單相測量、多相測量及直流測量的無縫集成與量程的自動切換，避免了按鍵切換等帶來的不便，使各種電機的測試更具通用性和靈活性。

本設計使用DSP作為主控芯片，結合16位A/D轉換器，系統精度得以提高，為后續電機試驗中的其他測試（冷態直流電阻、匝間絕緣、溫升試驗、空載試驗等）奠定了堅實的基礎。實際測試數據表明測量精度在0.2%以內。系統工作穩定，能連續可靠地運行，有效減少了電磁干擾，提高了測量的穩定性與準確性，有助于提高電機行業的產量與質量，進一步推動電機行業的發展。

［1］武建文，李德成.電機現代測試技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］林高翔.基于虛擬儀器的網絡型電機測試系統軟件設計［D］.杭州：浙江大學電氣工程學院，2010.

［3］李純.基于數字信號處理器的電機測試裝置的研制［D］.重慶：重慶大學電氣工程學院，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，高級工程師，研究方向：自動化、項目管理。