智能功率测量仪
[摘要]:许多工业设备在运行过程中，需要对其进行实时在线测量，随时了解其功率等参数。所以电力用户都迫切需要一种安全可靠、实施快速的交流电量检测仪器，有效地对参数进行测试。
本项目所研制的智能功率测量仪以 INTEL8051 单片机为核心，采用了交流采样计算技术，以软件代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测量电流电压有效值、有功功率、功率因数等参数，并具有越限报警功能。
文中论述了该智能功率测量仪的工作原理，并讨论了非同步采样算法在本项目中应用的几个实际问题。在此基础上，详细介绍了整个仪器的软硬件开发过程。最后对仪器进行了误差分析，给出了误差分析结果。
[关键字] 单片机, 功率测量, 非同步交流采样算法
第一章 概述
1.1课题背景介绍电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源，在现代社会中起着越来越重要的作用。电测量仪是一种测量电网中电压、电流、功率等参数的仪器，它在电力系统中起着非常重要的作用。电测仪表的发展经历了三个阶段[8]。
第一代是指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表，这些仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式等，由于这类仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性较差，应用场合有一定的局限性。但由于它的原理简单、坚固耐用、容易生产、成本低，因而还在广泛使用。
第二代是数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将被测量模拟信号通过电子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。但电子线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化，而且仪器的校准复杂。第三代是智能仪器。所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。因此能够用软件的方法实现信息的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。这类仪器的硬件基础是采集技术和输入输出技术，而软件基础在于采样数据的处理方法。同传统仪器相比较，其有如下特点[2]：
⑴ 测量过程的软件控制
计算机软件进入仪器，可以替代大量的逻辑电路。仪器在 CPU 的指挥下，按照软件流程不断寻址、取指、进行各种转换、逻辑判断，驱动某一执行单元完成某一操作，使仪器的工作按照一定顺序进行下去，可以实现测量过程的高度自动化。另外，软件控制也带来了很大的方便，当需要改变仪器功能时，只要改变程序即可，并不需要改变硬件结构。
⑵ 测量数据的处理
对测量数据进行存储和运算的数据处理功能是智能仪器最突出的特点，它表现在改善测量的精确度及对测量结果的再加工两个方面。
在测量精确度方面，大量的工作是对随机误差和系统误差进行处理。过去传统的方法是用手工的方法对测量结果进行事后处理，工作量大，效率低，而且往往会受到主观因素的影响，使处理结果不理想。智能仪器中用软件对测量结果进行及时的、在线的处理可以收到很好的效果，不仅方便、快速，而且可以避免主观因素的影响，使测量的精确度及处理结果的质量大大提高。由于可以实现各种算法，不仅可以实现误差的计算及补偿，而且对仪器中的非线性校准等问题也易于解决。
对测量结果的再加工，可以使智能仪器提供更多高质量的信息。可以对样本进行时域的（如相关分析、卷积等）和频域的（如幅度谱、相位谱、功率谱等）分析，这样就可以从原有的测量结果中提取更多的信息量。
⑶ 仪器的多功能化
智能仪器的软件控制测量过程及数据处理功能使得测量过程中采集的数据，可由具备不同测量功能的软件模块共享，一机多用的多功能化易于实现，这是智能仪器的又一特点。
⑷ 仪器有联网功能
智能仪器可以通过标准的接口和上位机通信，接收上位机的指令进行相应的动作，响应请求把数据传至上位机。这样，多台智能仪器可以形成一个复杂的测量系统，可以方便地实现远程自动化测量。
⑸ 仪器具有自校正、自诊断功能
智能仪器有自动校正零点、满度和量程切换功能，大大降低了因仪器零漂和特性变化造成的误差，同时可以提高读数的分辨率。另外，智能仪器在运行开始或运行过程中，可以对自身各部分进行一系列测试，一旦发现故障就可以报警，并给出相应的故障位置，给系统维护提供很大的方便。
近年来，随着数字信号处理器（DSP）的广泛应用和多种电测专用集成芯片的成功开发，将第三代电测仪表的发展推向了高潮。美国 AD 公司提供了一种电测仪表方案，采用“DSP＋MCU＋高精度 ADC”的解决方案，结果在不减少功能的前提下，缩小了体积、功耗、可靠性明显提高。同时，若增加具有扩展功能的外围辅助电路，并采用相应的软件，便可满足客户的特定功能需求，灵活性大大提高。
依托微电子、计算机、软件、通信和网络技术的飞速发展，现代电工电子仪器和自动测试技术的进步日新月异，最先由国防、军方对仪器仪表产业提出的应具有的开放式工业标准、互换性和互操作性要求的合理性与正确性，已经越来越受到更多用户和生产企业的认同。满足以上要求的虚拟仪器的出现及其应用领域的不断扩大，已给仪器仪表产业指明了一个发展趋势──仪器标准逐渐向计算机标准靠拢。这样，可以充分利用计算机的软硬件资源。不同功能的仪器仅体现于测量模块及其软件的不同，而各种测量功能都是由测量程序来完成的。仪器不再以传统的独立形式出现了，一台计算机只要配备相应的测量模板或扩展机箱，就可立即成为存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、数字多用表、函数发生器等仪器。另外，以计算机技术为基础，虚拟仪器的高精度、高稳定性的实现已变得相当容易。目前，高精度的电量测量仪器已经和计算机、软件、大规模集成电路、甚至是网络技术的联系越来越紧密，因此，虚拟式电参数测量仪的诞生为时不远了。
1.2 课题简介 1.2.1技术参数传统的功率测量仪的局限性一般体现在以下几个方面：第一，进一步提高精度十分困难，动圈式仪表目前只能做到一级，自动平衡仪表结构相对复杂，精度一般在 0.5 级，若采用闭环结构虽可以提高精度，但随之而来的却是结构相当复杂，成本也会大幅提高。第二，仪器的功能单一，进行综合测量时要携带多个仪器，操作人员工作强度大。第三，无法重新写入程序，实现软件升级，提高劳动生产率。
本课题研究的智能功率测量仪可用于在线进行交流电压电流有效值、有功功率、功率因数等电量参数的综合测量，采用LED显示，读数直观、准确。并且程序存储器采用了EPROM，可以很容易的实现软件升级，从软件方面提高仪器精度。具有广阔的市场和发展前景。
该仪器要求达到的技术指标为:
电压量程：420V
电流量程：10A
交流电压、电流有效值测量：准确度 0.5%；
交流有功功率测量：准确度 0.5%；
1.2.2本文的主要工作⑴ 查阅了大量的国内外有关电参数测量仪器方面的文献资料，剖析了一些电测仪器的实际产品，并吸取同类产品的优点。
⑵ 根据目前电参数测量仪的发展趋势和现有的设计条件，提出了多功能电参数测量仪的整体方案和技术要求。
⑶ 分析了各种算法的优缺点和实现的可行性，选用了非同步采样算法。
⑷ 完成了系统硬件部分选型、设计和制作。
⑸ 完成软件方案的整体设计，进行了具体的软件编程，实现绝大多数功能。
第二章 系统设计原理及其方法
2.1 交流数字化测量方法测量[11]就是借助专用的器具，通过实验、计算来获得表征被测对象特征的某些参量的定量信息。交流电参数的测量，通常指对交流工频信号的测量，包括电压、电流、频率、功率等参量。其中，电压、电流的测量包括有效值和峰值的测量。功率包括有功、无功和视在功率的测量。不同的仪器采用不同的方法，也就决定了测量结果的准确度。在数字化测量技术应用以前，人们通过模拟电子线路及电磁机构来测量交流信号，并用指针显示测量结果。采用这种方法制作的仪器，体积大、精度低、操作复杂。随着微处理器及大规模集成电路技术的发展与应用，测量技术进入数字测量阶段。数字化测量技术的基本原理是将被测量先转化为相应的数字量，进而传输、存储、数据处理、显示和打印等。数据处理在数字化测量技术中处于重要地位，通过不同的数据处理方法，可以对不同信号进行测量，实现自动校准、非线性补偿、数字滤波等功能，从而修正和克服了各个变换器、放大器等引入的误差和干扰，有效地提高了仪器的精度和其它性能指标。
目前，采样计算式测量方法主要分为两类[8]：直流采样法和交流采样法。直流采样法，即采样的是经过变换后的直流量。采用直流采样法通常是通过测量平均值来计算电压、电流有效值的。此方法软件设计简单、计算方便，对采样值只需作比例变换即可得到被测量的数值。但是直流采样方法存在一些问题，如：测量准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难, 而且受波形因数的影响较大等。当被测信号为纯正弦量时, 有效值Vrms与平均绝对值Vave之间的关系为：Vrms =1.11Vave。当输入信号中含有谐波时,Vrms与Vave之间的关系将发生变化, 并且谐波含量不同，两者之间的关系也不同，这将给计算结果带来误差。目前，随着电网中非线性负载应用的增多，所产生的高次谐波电流大量注入电网中，使得电网电压、电流波形发生了很大的畸变，这样一来，采用直流采样方法就会带来较大的误差。
交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值，它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能。1974年美国国家标准局的R. S. Turgel博士将计算机采样数值计算用于精密测量领域[21], 研制出第一台用采样方法的数字式瓦特表。从此，这种采样计算式的周期信号的测量方法，在国际上获得了人们广泛的研究兴趣。交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的连续曲线，其原理误差主要有两项：一项是用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差；另一项是将连续的电压和电流进行量化而产生的量化误差。
采用均匀采样方式对周期信号进行数字化测量时，把采样频率与信号基波频率之间是否存在整数倍的关系，称为同步采样或非同步采样。两者间满足整数倍关系的采样称为同步采样，否则便称为非同步采样。同步采样理论上可以达到精确的信号测量和分析的目的[21]。但实际同步采样中，尤其是在非正弦情况下，由于硬件锁相环路的跟踪误差或采样频率软件自动锁定误差的存在，总存在同步误差。当采样同步误差
本仪器的设计中，采样方法采用了非同步采样技术中的非过零起始采样算法[10]。由数学分析方法可知在区间[0，T]上的复化矩形数值求值公式为
复化梯形数值求值公式为
周期为T的交流电源u(t)在一个无源单端口网络产生电流i(t)，则电压u(t)、电流i(t)的有效值U、I可分别表示为[1]：
如果把u2(t)、i2(t)看作一个函数f(t)的话,不再考虑开方运算，则可表示成以下形式
式中F0表示周期信号f(t)在一个周期T中的均值。对于电压F0=U2，f(t)=u2(t)；对于电流F0=I2，f(t)=i2(t)。
本仪器设计中，电压、电流测量是在采样瞬时值u(t)、i(t)（i=0，1，…，n）获取后，通过复化矩形完成的。被测电压u(t)与电流i(t)有效值定义（2—5）可知，电压与电流测量中所完成的积分均值运算式相同的。因此，以电压为例，而电流测量算法则是相同的。将式（2—1）代入式（2—5），取F0=I2，f(t)=i2(t)可得
则
在电压侧量中，主要依据式（2—7）的算法完成有效式的计算。上述计算是在理想采用情况下进行的，这种采样是将被测信号的一个周期平均分成n等分。设每个采样间隔时间为ts，则周期T与n和ts之间的关系可以表示为
对于一个无源单端口网络，若加上电压u(t)产生电流i(t)，用T表示电压、电流信号的周期，则有功功率为[1]：
如果把u(t)与i(t)的乘积看作一个函数f(t)的话，则式（2—9）可以写成
有功功率测量过程中的采样方法与电压、电流测量过程中的采样一致。电压、电流的瞬时值u(t)、i(t)（i=0，1，…，n）被同时采样，并A/D转换后存于内存，瞬时功率值由u(t)与i(t)瞬时值乘法计算得到。由有功功率定义和复化矩形数值求积公式可得
式（2—3）为本仪器中有功功率采用测量算法公式。与电压、电流测量技术相同，有功功率测量中采样间隔为
在理想的线性系统中，系统的输入与输出之间成比例关系。但现实中理想的系统是不存在的，严格意义上讲，系统不但是非线性的，而且是时变系统，非线性和时变的程度决定了仪器的精度。在传统模拟仪器的研制和生产过程中，通过选择线性度好、温度漂移小的元器件来提高仪器的精度，但这是以增加仪器成本为代价来实现的。随着微处理器的应用和数据采集技术的发展，仪器的结构发生了很大的变化，应用微处理器高速数据处理功能来替代模拟电子线路，并对测量结果进行误差分析和处理，来提高仪器的精度，降低成本。要对仪器系统测量结果进行数据处理和误差补偿，首先应正确分析仪器的测量误差。一般测量误差可分为三类：①系统误差，这是系统本身所具有的，应该在测量过程中进行校正和采用正确合理的测量方法，把它们尽可能地减小或消除。②随机误差，主要由各种随机量对测量值的综合影响，它在多次测量的总体上服从统计规律，因此可以通过统计学的方法来减小它。③粗大误差，这一般由于实验者不正确的操作和试验条件的突变引起的。含粗大误差的测量结果成为坏值，应予以剔除。
本设计中采用了自校准技术[1]来消除系统误差。
在智能仪器中，利用微处理器的数据处理功能，通过专门设计的校准程序，必要时增加少量附加电路，可对仪器自身进行校准，以消除系统误差对测量结果的影响，这种功能称为系统的自校准。在一定条件下，选择一个标准基准量代替被测信号进行测量，从而可以得到仪器的系统误差，将误差存储起来，在以后的实际测量中扣除此系统误差，就可得消除误差后的校准值。图 2.3 是用来克服智能仪器中增益和零漂对测量结果影响的自校准电路。
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自校准时，首先将多路开关接通地，因此系统输出电压为：
式中 G 是系统的总增益，ε为折合到系统输入端的增益及漂移的影响，其次将开关接通到基准电压输入端，测量电压为
最后接通待测电压V，得
由式（2－13）、（2－14）、（2－15）可解得：
上式中，已将仪器增益及零漂变化对测量结果得影响ε消除掉了，可见测量过程中只要将测试值存入仪器内存中，利用式（2－16）即可实现自校准。在上述校准过程时间较短，所以认为零漂和增益是常数。
安排内部自动校准有二种方案：
1、 每测量一个被测量都进行零点漂移和倍率偏离的自动校准。这是测试速率会显著降低，测量时间会增加2倍。以牺牲速度求测量的准确度。
2、 有选择的进行自校准。设置“自校准”按钮，只有在按此按钮时，进行一次校准。
本仪器设计时，采用了第二种方案。
第三章 系统的硬件设计
3.1 系统硬件的总体设计本设计采用 INTEL 公司的 8031 单片机作为处理器，系统主要由信号采集、人机接口、等几个功能模块组成。整个系统的图 3.1 所示。
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它的工作过程是把被测交流电压、电流信号经过电压、电流传感器变换成-4.5～4.5的交流电压信号，再进行抗混叠滤波。采样模块对信号调理模块的输出进行采样，采样值进行 A/D 变换后存入数据存储器，采样过程结束后，CPU 对采样值进行数据处理。根据第二章中的算法，计算出电流、电压有效值，有功功率等参数，处理结果可以在LED显示器上显示。
3.2 存贮器扩展在对单片机进行开发时，首要的问题就是存储器和 I/O 口的扩展。单片机内部虽然设置了一定容量的存储器，但是这种存储器一般容量较小，远远满足不了实际需要，因此需要从外部进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。
由于本设计中测量的数据量和计算量都较大，而且8031单片机不带片内程序存储器，所以进行了数据存储器和程序存储器的扩展。
8031单片机有16根地址线，并且程序存储器和数据存储器空间是相互独立的。因此它们的寻址空间都为 64K 字节（0000H～FFFFH），本设计中扩展了2K数据存储空间和8K程序存储空间。分别选用了静态 RAM6116[4] 和 EPROM2764[4]。由于8031单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线分离开来。设计中采用了带三态缓冲输出的八D 锁存器74LS373[7]。将 74LS373的锁存控制端G与单片机的锁存控制信号端 ALE 直接相连，在ALE下降沿进行地址锁存，锁存住地址信号低8位（A0～A7），高 8 位地址（ A8～A15）由 P2 口提供。具体连线时将第16～12根地址线（A15～A11）参与片选控制，而将低8位（A0～A7）接到 6116 和 2764 的相应地址线，将高3位（A8～A10）接到 6116和高5位（A8～A12）接到2764，这样就完成了 2K 数据存储空间和 8K 程序存储空间的寻址。
3.3 数据采集单元采集的信号由此进入仪器，在此基础上仪器进行数据处理，因此，仪器的测量精度也与该单元的质量密切相关，所以，要根据仪器的技术要求合理选择通道的结构，恰当地选用芯片，并把它与主机电路正确连接起来，它包括模拟信号输入电路、抗混叠滤波电路、A/D 转换电路等。
3.3.1模拟信号输入电路系统的输入信号通过交流电压输入回路和交流电流输入回路，被测电压电流信号转换成为幅值为-4.5V～4.5 V的电压信号。这样就把电力系统中的强电信号变换成 A/D 转换器可以处理的弱电信号，同时起到隔离和抗干扰的作用。由于电网并不稳定，常常会出现幅值很高的高压脉冲，要将其幅度加以限制才不至于损伤后级器件，最简单的方法就是用两个并联且方向相反的二极管接在电流/电压转换电路运算放大器的输入端上。
一、电压输入回路
电压输入回路由无源电阻分压器、同相放大器组成；量程为420V。电压输入电路中，电阻分压器及放大器反馈电阻都采用内部补偿特性的合金膜电阻，该种电阻具有非常小的时间常数。同相放大器采用美国MAXIM公司CMOS工艺的斩波稳零运算放大器MAX430[11]。这种运放不需要外部电容，采用
二、电流输入回路
电流输入回路由电阻分流器、同相放大器组成，量程为10A。电流输入回路中分流器电阻采用锰铜片无感绕制作成，其余电阻均采用合金膜电阻以保证电阻具有非常小的时间常数。电流输入回路中的集成运算放大器采用美国MAXIM公司生产的MAX430。
3.3.2模拟抗混叠低通滤波电路系统处在一个强大的干扰源――电网中，另外由于传感器、放大电路本身的影响，造成在信号进入多路开关之前，所采信号中混有各种频谱的信号，但是很多是我们所不需要的。而且在实际应用中要获得模拟信号的全部信息，也要满足奈奎斯特采样定理的要求，防止发生频谱混叠。因此在进行采样前，要对信号进行滤波。为了获得较好的滤波性能本设计中采用了二阶有源低通滤波器[17]，如图 3.4所示。
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本设计中，设计的滤波器截止频率为fC=50Hz ，根据2阶巴特沃兹低通滤波器中各参数计算公式：一般取R1＝R2＝R（R＝4.7K～10 K），这 里 取 R＝4.7K，则
本设计中的整形二分频电路如图 3.7所示。该电路中，电压输入衰减信号通过低通无源 RC 滤波器后加到集成电压比较器的反相输入端，在输出端整形为与被测信号同频率的方波信号。该方波信号输入到 D 触发器的时钟输入端 CLK，而 D 触发器的反相输出端反馈到输入端 D，由 D 触发器的工作原理可知，在时钟输入端CLK 上的脉冲正跳沿来到时，输入端 D 上的逻辑“1”或逻辑“0”被送到输出端Q，从而实现了二分频功能。图 3.7 中的电阻 R1、R2 的作用[16]是在比较器的输入形成回差，使得输入信号中存在较大误差时，比较器输出波形的前后沿不产生抖动，改善了输出波形的质量。电阻R3的作用是使集电极开路输出的比较器输出的电压在0V到5V之间，符合 TTL 电平的要求。
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3.3.4采样和 A/D 转换电路
模拟信号进行 A/D 转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变，否则转换精度没有保证，特别当输入频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在 A/D 转换开始时将输入信号的电平保持住，而在 A/D 转换结束后，又能跟踪输入信号的变化。能完成这种功能的器件叫采样/保持器。本设计中采用了集成采样/保持器 LF398[18]。采样/保持器中的采样/保持电容的选择对精度有很大的影响。如果电容值过大，则其时间常数大，将影响电容对输入信号的跟踪特性；如果电容的漏电流过大，则负载的内阻太小，引起保持信号电平的变化。所以，在选择电容时，容量大小要适宜，以保证其时间常数适中，并选用泄露小的电容，以保证采样保持器输出的瞬时电压值具有足够的准确度。本设计中采样保持器没有使用电位器调零，调零过程使用自校准技术完成。
在交流采样中，模数转化得到的瞬时信号值的精度影响到整个仪器的测量精度，因此 A/D 转换器的选择很重要[5]。一般来说，根据应用场合对 A/D 转换器要求的不同，器件选型时，应满足以下几条原则：
① A/D 转换的位数满足测量精度的要求
② A/D 转换速率满足测量速度的要求
③ 系统实现的性能价格比
本设计中为了在计算功率时减小相位误差，要求电压、电流是同一时刻的采样值，我们采用了用两路采样保持电路进行同时采样，再通过多路开关输入到 A/D 转换器的方案，如图 3.5 所示：
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这种方法既可达到同时采样的目的，又节约了一片较昂贵的 A/D 转换芯片，降低了成本。但这样处理也加大了对 A/D 转换器转换速率的要求，因此选用了转换速度较高的 AD574 为数模转换芯片。
AD574 [6]是美国模拟器件公司（Analog Devices）生产的 12 位逐次逼近型快速A/D 转换器。转换速度为25μs ，转换精度为≤ 0.05% ，因此其转换速度和转换精度都能满足系统的要求。AD574 片内配有三态输出缓冲电路，因此可直接与微处理器直接相连而无须附加逻辑接口电路，且能与 CMOS 及 TTL 电平兼容。由于AD574 片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一次 A/D 转换功能，应用非常方便。
本设计中，AD574与8031单片机的接口电路如图3.6所示。
单片机采用查询方式读取AD574 的转换结果数据，将AD574的转换结束状态线 STS 与单片机的 P1.0口线相连。当 8031 单片机执行对外部数据存储器的写指令，使CE＝1，
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电压信号U1、电流信号U2一次完整采样、模数转换过程如下。8031 单片机通过74LS138的Y4口线发低电平，控制两个采样保持器LF398保持信号瞬时值。同时通过选通多路模拟开关CD4052 将电压信号瞬时值接到模数转换器AD574。接着，对外部数据存储器地址 D000H 进行写操作，启动模数转换。P1.0 口不断对 AD574 的 STS 端口进行查询，直到 STS 为低电平，说明转换过程结束。接着对外部数据存储器地址 D000H 进行读操作，读取转换后 12bit 数据的高八位，然后在对外部数据存储器地址 D001H 进行读操作，读取转换后 12bit 数据的低四位。到此，电压瞬时信号U1采样转换已经结束。此后，改变多路模拟开关 CD4052的选通地址，把瞬时电流采样值U2接入 AD574，重复上述的启动 A/D 转换器和读取转换数据的过程。
上述两个数据的采样转换过程组成了一个采样周期。
在单片机控制的数据采样电路中，超量限判断电路起着重要作用。当仪器输入的电压或电流超过设定量程的最大值时，超量限电路应发出信号通知单片机显示过载信号。超量限判断电路通常采用将交流信号转换为直流信号，然后再与设定直流电压比较的方法。这种方法在设计中需要交直流转换电路，较复杂且成本高。本仪器的设计中，采用了交流信号比较的方法，其电路图示于图3.8中。输入电压衰减后的信号U1和输入电流转换的电压信号U2分别加到两对比较器的正负输入端。以U1信号为例，当U1的幅值大于-5V且小于+5V时，比较器A-1和A-2输出为高，若U1幅值大于+5V时，比较器A-1输出为低。此时，不论其它比较器的输出为高与否，输出U信号都为低信号。对于U2信号，超量限的比较过程是一样的。本电路的设计中，比较器采用集成四比较器LM339,四个比较器封装在一个芯片中，成本低。同时由于四个比较器采用“线或”的连接方式，无论U1或U2信号超载，输出U都将输出一串超载脉冲，这个超载脉冲送到单片机的P1.2端，提供程序判断使用。由于本电路采用的超载判断采用的是峰值比较方式，可以确保输入信号的任意时刻瞬时值都不会超过A/D转换器
智能仪器要有人机对话功能，这个功能有两方面的含义：一是人对仪器进行状态干预和数据输入；二是仪器向人报告运行状态和处理结果。实现人机对话功能的部件有键盘、显示器等，这些部件与仪器主体电路的连接是由人机接口电路来完成的。下面分别介绍本设计中的键盘和显示单元。
3.5.1键盘接口仪器的按键共有4个，它们分别是：功率测量键、电压测量键、电流测量键、频率因数测量键。由于只有4个键，所以采用了非编码键盘系统，其结构采用了独立按键结构，每个键单独占用一根 I/O 口线，这样每根 I/O 口线上的按键工作状态不会影响其他 I/O 口线上的状态。为了保持交流采样的连续性和实时性，采样时会关闭外部中断，所以键盘采用了查询的工作方式，在 CPU 完成测量任务后再调入键盘扫描程序，以响应键输入要求。键盘程序包括键盘扫描、去抖处理、键处理等工作，这部分在下一章的软件单元中介绍。
3.5.2显示接口单片机应用系统中，常用的显示器具有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。这两种器件都具有成本低、配置灵活、与单片机接口方便的特点。该仪器采用由MC14543[16]构成的静态LED驱动接口电路。MC14543为4线-7段译码/驱动电路具有4位二进制锁存器、BCD-7段译码奇和驱动功能。驱动接口电路主要由或非门、MC14543、共阴极数码管组成。其中或非门用来产生锁存信号，MC14543用来完成锁存、译码、驱动，数码管则用来显示。只要给出相应的地址，并在P0口输出BCD码，就会在相应的数码管上显示对应的数据。
3.6 复位及“看门狗”电路复位、看门狗及电源监控由MAX813芯片来完成[19]。通常，在单片机的工作现场，可能有各种干扰源。这些干扰源可能导致程序跑飞、造成死机或者程序不能正常运行。如果不及时恢复或使系统复位，就容易造成损失。看门狗电路的作用就是在程序跑飞或者死机时，能有效地使系统复位以使系统恢复正常运转。本仪器中CPU采用的8031本身不带有“看门狗”功能，为了克服这一现象，需外加“看门狗”电路。MAX813的主要特点如下：
（1）系统上电、掉电以及供电电压降低时，第7脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，高电平有效，复位门限为4.65V。
（2）如果在1.6s内没有触发该电路（即第6路无脉冲输入），则第8脚输出一个低电平信号，即看门狗电路输出信号。
（3）手动复位输入，低电平有效，即第1脚输入一个低电平，则第7脚产生复位输出。
（4）具有1.25V门限值检测器，第4脚为输入，第5脚为输出。
实际应用时，将第1脚与第8脚相连，第7脚接CPU的复位脚（8031的第9脚），第6脚与CPU的P3.4相连。在营运过程中，P3.4不断输出脉冲信号。如果因某种原因CPU进入死循环，则P3.4无脉冲输出。于是1.6秒后在MAX813的第8脚输出低电平，该低电平加到第1脚，使MAX813产生复位输出，使CPU有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于门限值4.65V时，MAX813也产生复位输出，CPU处于复位状态，不执行任何指令，直到电源电压恢复正常，因此可有效防止因电源电压较低时CPU产生错误的动作。
第四章 系统的软件设计
4.1 单片机汇编语言简介软件是仪器中非常重要的组成部分[7]，是整个仪器的灵魂。本设计中的软件编制采用了汇编语言。以助记符书写的指令系统就是计算机的汇编语言。它有以下特点：
（1） 助记符指令和机器指令一一对应。用汇编语言编制的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快。汇编语言能编写出最优化的程序，且能反映计算机的实际运行情况。
（2） 编成比高级语言困难。因为汇编语言是面向计算机的，程序设计人员必须对计算机有相当深入的了解，才能使用汇编语言编制程序。
（3） 汇编语言能直接与存储器、接口电路打交道，也能申请中断。因此汇编语言程序能直接管理和控制硬件设备。
（4） 缺乏通用性，程序不易移植。不同计算机的汇编语言之间是不能通用的，因为他们都有各自适合于自己机型特点的汇编语言。但是，掌握了一种计算机的汇编语言，有助于学习其它计算机的汇编语言。
4.2 主程序设计主程序的流程如图 4.1 所示。程序首先自检，之后对单片机内部的特殊功能寄存器进行设置；内存中功能状态标志区设置为功率测量状态。而后，对仪器进行内部校准；对中断进行初始化设置。进入主程序流程后，程序根据功能标志，分别进入相应的测量程序。越限报警采用查询方式，当端口为低电平时报警。接下来工作流程进入判按键程序，这部分程序检查是否有键按下，如果有键按下就设置该键对应的功能标志。
SHAPE \* MERGEFORMAT
该模块完成电信号的采集、计算、显示等任务，流程如图 4.2 所示。进入测量功能模块，为了保障数据采样的实时性，需要将其他中断关闭。采集完毕，打开中断以响应校准请求。再根据非同步采样算法进行计算，可以得到电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数等参数。计算出的参数送到显示器进行显示。显示完毕，再进入键盘扫描。
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4.3.1数据采集模块
数据采集流程图如图4.3所示。采样开始信号是由硬件控制的，被测电压信号经过整形二分频电路，输出周期为被测电压信号的两倍的方波信号，该信号加到8031的输入端，在输入端上信号的高电平期间对被测信号采样。将采样点的二进制形式存入内存。输入端口信号为低，则结束采样。
SHAPE \* MERGEFORMAT
存于内存的测量值是以二进制浮点数得形式存放的，在显示之前，需将该二进制数转换成十进制数，由二—十进制转换程序完成。转换成十进制数的测量值再转换为压缩BCD码，并送入显示缓存区，调用显示子程序，将其送到显示器驱动电路完成显示。
4.4 键盘管理模块键盘管理模块包括键盘扫描、延时去抖、键处理等子模块。由于采用的
SHAPE \* MERGEFORMAT
是独立式键盘结构，每个按键占用一根测试线，这些测试线相互独立无编码关系，因而键盘软件不存在译码问题，一旦检测到某测试线上有键闭合，便可直接转入到相应的键功能处理程序进行处理。键盘软件的流程图如图 4.4 所示。
首先判断有无键按下，若检测到有键按下，就延时 12ms 避开抖动的影响，存放键码。然后再用软件查询等待按键的释放，当判明键释放后，用软件延时 12ms 后再返回。第二次延时的作用是：一方面避开键释放时触点抖动的影响；另一方面也具有防连击的功能。该软件对两个以上的键被同时按下具有判低序号按键有效的功能。
4.5中断管理在本软件中只使用了一个中断：内部自动校准中断。程序开始开放该中断，开放与禁止的情况在各功能模块中不同，具体情况为：
① 功能模块中，为了保证采集的实时性，采集数据时关闭所有中断。采集完毕后开放你部自动校准中断。
② 超量限报警模块中，采用查询方式查询端口的电平，为了保证报警的可靠，关闭所有中断。报警子程序返回时，开放内部自动校准中断。
下面介绍本软件的中断所对应的处理程序：
进行内部自动校准时既要考虑零点的漂移，也要考虑倍率的偏离。此时的校准步骤如下：
① 多路模拟开关选通“地”，保存零点的漂移量Dos。
② 多路模拟开关选通内部标准源，保存倍率的偏离量Dref。
③ 当一个被测数据Dx采集进来后，进行下列计算
所以
上述校准方法流程图如图4.5所示。
SHAPE \* MERGEFORMAT
第五章 误差分析
仪器设计时，以简化硬件电路、降低成本，充分利用微处理器为指导思想，因此仪器中硬件带来的误差不再成为仪器误差的全部来源。在误差构成中，除硬件带来的误差外，测量方法和软件实现上带来的误差占了很大一部分。仪器的误差主要表现在以下几个方面：
① 输入回路引起的测量误差
在仪器中被测信号是通过输入回路实现信号的变换和隔离的，输入回路的误差直接影响仪器的精度。本仪器采用的输入回路比值差为 0.1 级。
② 数据采集系统的量化误差
在数字化测量中，测量系统的系统误差来源于 A/D 转换的量化误差，量化误差的大小直接影响到数字化测量的精度[20]。
③ 采样方法引起的误差
当信号频率变化范围在 49～51Hz 之间，采用非同步算法进行计算误差小于 0.001%。但由于开始采样时是由软件查询形成的，系统进入采样的延时时间是个随机数，故对采样误差留10倍余量，即采样误差应小于0.01%，可以满足设计要求。
本文论述了单相智能功率测量仪的设计，并对其在单片机系统中的具体实现进行了深入的研究。
现将本文的有关结论总结如下：
① 多功能电参数测量仪具有仪表多用的特点，是适合基层供电部门使用的一种新型电工仪器。
②在硬件方面采取特殊的措施，比如采用“看门狗”的方法防止程序跑飞；电源电压监控等。这些措施在实际产品化过程是必不可少的。
由于时间限制，本多功能电参数测量仪还存在以下不足：
① 电参数测量仪一般工作在电、磁干扰比较严重，多种干扰并存的复杂场合。由于处在试验阶段，本设计并没有详细分析各种干扰源产生的原因和耦合方式。
②仪器采用了非同步测量技术中的非过零起始采样算法。如果采用准同步交流采样技术，则可省去复杂的同步采样装置，简化电路，降低成本，并能获得接近理想同步采样的测量精度。
③缺少计算机数据通信功能，无法实现远程测量和控制。
[1] 赵新民，王祁．《智能仪器设计基础》[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999．
[2] 赵泰茂．《智能仪器原理及应用》[M] ．北京：电子工业出版社，1999．
[3] 李华．《MCS－51 系列单片机实用接口技术》[M] ．北京：北京航空航天大学出版社，1993．
[4] 周平，伍云辉．《单片机应用技术》[M] ．成都：电子科技大学出版社，2004．
[5] 徐维祥，刘旭敏．《单片微型机原理及应用》[M] ．大连：大连理工出版社，1996．
[6] 谢宜仁，谢炜，谢东辰．《单片机实用技术问答》[M] ．北京：人民邮电出版社，2003．
[7] 周航慈．《单片机应用程序设计基础》[M] ．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[8] 张志伟.《电测新技术及其发展》[J].电测与仪表，1997，(9).
[9] 丁丽娟.《数值计算方法》[M].北京：北京理工大学出版社，1997.
[10] 盛新富，戚庆成.《常用电工参数数字化测量中的非同步采样误差》[J].电工电能新技术，1998，(1).
[11] 周新云，朱湘临.《CX2461 型多功能电力参数测试仪的研制》[M].江苏理工大学学报，1995，16，(2).
[12] 王淑青.《交流采样测量电量的精度问题及解决方法》[J].工业仪表与自动化装置，2000，(2).
[13] 钱伟，许祖安，程肇基.《非正弦波有功功率测量误差公式的研究》[J].浙江大学学报（自然科学版），28，(6).
[14] 陈隆道，王伟华.《周期信号取样非同步度的研究》[J].电测与仪表，2000 ，(6).
[15] 许遐，《非正弦波形测量的同步采样技术》[J].电测与仪表，1988，(7).
[16] 陈尔绍.《电子控制电路实例》[M].北京：北京电子工业出版社，2004.
[17] 杨振江，蔡德芳.《新型集成电路使用指南与典型应用》[M].西安：西安电子科技大学出版社，1998.
[18] 梁廷贵，王裕琛，王瑞山.《现代集成电路实用手册》[M].北京：科学技术文献出版社，2002.
[19] 邓元庆，贾鹏.《数字电路与系统设计》[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.
[20] 王学伟，王向红，梁原华.《A/D量化、非线性、微分非线性误差对非同步、准同步采样算法误差影响的分析》[J]. 计算机学报，1999，20，（3）.
[21] R.S.Turgel. Digital Wattmeter Using a Sampling Method[J].IEEE Trans，IM，1974.
[22] 戴先中.《准同步采样应用中的若干问题》[J].电测与仪表，1988，(2).
[23] C.H.DIX .Calculated performance of a digital sampling wattmeter using systemmetic sampling.IEEE proc-A 1982(3).
[24] Backmutsky V，Zmudikov V，Agizim A. New DSP method for precise dynamic measurement of theactual power-line frequency and its data acquisition applications，measurement. Journal of the International Measurement Confederation，1996，18(3): 169～176.
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