單片機系統(tǒng)的輸入輸出通道及信號的輸入分析

周 雯 張秀娟

[摘要]以單片機為核心的二次壓降測量儀,其結(jié)果準(zhǔn)確可靠。分析以單片機為核心的二次壓降測量儀的輸入輸出通道及信號的輸入,證明采用單片機作為快速處理數(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

中圖分類號:TN6文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1120004-01

隨著電力系統(tǒng)市場化步伐的加快,電能計量對準(zhǔn)確性測量的要求越來越高。而電能計量的綜合誤差過大是普遍存在的一個問題。電能計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)線壓降所引起的計量組成。在這四項誤差中,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)字電路部分是一個典型應(yīng)用的單片機系統(tǒng),它主要是完成對繼電器和A/D的控制,以及完成轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號進行存儲、運算、顯示以及與上位機的通訊。此單片機的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現(xiàn)。地址線低16位稱為存儲器地址偏移量,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

在計算機內(nèi)部,信息是以二進制數(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。這些模擬量信號經(jīng)過各種傳感器變換成為模擬電壓信號。模擬信號無法直接輸入數(shù)字計算機,必須再轉(zhuǎn)換為計算機能夠處理的數(shù)字信號。即使外部物理量以數(shù)字信號來描述的,這些信號在電平和邏輯上也不一定能夠與計算機內(nèi)部的邏輯電平兼容,還必須進行處理。與輸入相對應(yīng),計算機內(nèi)部數(shù)字信號輸出時又必須還原為與之相適應(yīng)的外部模擬信號或數(shù)字信號。在智能儀器中,微處理系統(tǒng)與外部的信號轉(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分別為模擬信號和數(shù)字信號。這兩類信號在輸入計算機或計算機輸出時,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一般很微弱,而且含有噪聲,需要經(jīng)過信號調(diào)理電路放大和調(diào)節(jié)到適合于后級電路轉(zhuǎn)換的電平范圍內(nèi)。采樣/保持器在指定的時刻對輸入信號進行采樣,并由保持電路把采樣信號保持下來,變成時間離散信號。該模擬信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后由接口電路輸入到計算機中。計算機將輸入的數(shù)字信號經(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)換器把計算機輸出的數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號,輸出到外部。

二、單片機系統(tǒng)信號的輸入

任何一個電子系統(tǒng)都可以分為三部分:第一部分是輸入部分,信號在此被接受。這類信號通常是一個電量信號或者有待于用傳感器轉(zhuǎn)換成電參數(shù)信號的非電氣物理量。第二部分是信號的加工處理部分。對信號的處理,有模擬和數(shù)字兩種方法,也可以兩種方法結(jié)合使用。對不需要作復(fù)雜運算和處理的單一信號,比較簡單的系統(tǒng)可以用模擬電路來處理;對復(fù)雜系統(tǒng)需要用到微機等數(shù)字電路。第三部分是信號的輸出部分。信號在這一部分輸出給終端顯示或者驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)(負載)等。系統(tǒng)首先采集信號(信號從輸入通道進入系統(tǒng)),這些信號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)的信號發(fā)生器等。其中信號的(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從各種噪聲、干擾中分離出來并進行放大。所采集的信號經(jīng)過處理、加工、運算、變換后應(yīng)該能夠為其它計算機等系統(tǒng)識別、接受;或能驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成其它的控制功能。對于測量系統(tǒng)被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務(wù)。獲取被測對象信號的主要任務(wù)就是真實準(zhǔn)確的反映被測對象的狀態(tài),包括實時性和測量精度,并能使這些測量信號滿足計算機輸入接口的要求。本測試系統(tǒng)即從取樣互感器的二次端獲取電壓信號,然后經(jīng)過模擬電路環(huán)節(jié)的一系列預(yù)處理,得到單片機所能識別的數(shù)字信號,然后再由此單片機系統(tǒng)對其信號進行相應(yīng)的處理,如數(shù)據(jù)的運算變換、存儲、顯示和通訊等。在測試儀中,模擬信號的準(zhǔn)確獲取是關(guān)鍵。本儀器是要求被測系統(tǒng)不停電、實現(xiàn)在線測試,模擬信號的獲取即成為系統(tǒng)要解決的首要關(guān)鍵問題。這樣對被測的二次電壓信號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成比例的電壓信號,取出的電壓信號再送給后面的信號調(diào)理電路進行相應(yīng)的處理。通常在實際的測量中,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,主要是因為采用互感器可以隔離高電壓,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)生故障時保護線路中的貴重設(shè)備、電機和變壓器,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)置了一個標(biāo)準(zhǔn)的隔離儀用電壓互感器,它有兩個輸出端,其中的一個一次端電壓和二次端電壓比為100/2,另一個的兩端電壓之比為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:

[1]何立民,MCS-51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計,北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1990.

[2]蔣映霞,電壓互感器二次回路壓降誤差的測試,四川電力技術(shù),2002

(4):29-31.