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3 `- Q6 K+ x8 C- Q7 e摘要:介绍了基于单片机航空交流电参数测试仪的系统设计。以Silicon Labs公司的C8051F005单* ~! f0 h7 U' w$ k4 H9 @
片机为核心设计出数据采集板,通过RS-232串口与上位机通讯。运用Lab Windows/CVI编写的上3 v# \% W3 x3 A
位机软件实现信号的检测以及波形和数据的显示，给出了测试仪硬件电路的组成和软件流程困。/ v0 {' y+ [) G
本系统具有硬件结构简单、容易实现和成本低等特点，在实际应用中其稳定性、精确性均能满足客" n3 U& I7 {/ k. V
户要求。0 g& z% J/ m) m' `8 r
( z% w# a+ z! n* o# a* M* l关键 词: C8051F005单片机;相位差;数据采集; Lab Windows/CVI$ D- w! O) F& t. W, j
" U/ U. p* k) z3 c6 R
1引言
, D) @) u- h" [在运行过程中,航空设备对工作电源的稳定性4 `. o$ N; O3 w* h" _8 I
要求很高，因此,设计航空交流电参数测试仪对电' _4 Q3 Y* z8 M
源参数进行实时检测具有重要意义。( p" R; |. a. U' x7 N9 r
测试仪的主控器件采用Silicon Labs公司的一
- M3 ]5 n) U6 `; E! x( n款C8051F005单片机，它具有强大的数据采集、存" B) X( Y4 [- a% D5 c! ^$ ~
储、运算和控制功能。应用虚拟仪器[ab Windowse/! c3 w' D8 v3 b" C
CVI软件分析和处理大量数据,以软件分析替代硬& ]$ P$ r0 }3 ~% O1 j% J
件电路,大大简化了硬件电路,节约成本,提高系统+ o9 V/ l I% R+ m; D
的可靠性。
7 }9 o0 X# m' [2系统概述! _) q. d5 K. s5 `- G7 q( [
基于测试技术与信号处理中的采样定理四,实5 x7 p# Z9 x8 ` S h& u* K
现对400 Hz航空交流电信号采集。系统充分发挥了( W2 j+ i2 _) y
C8051F系列单片机强大的数据采集能力,A/D采集6 ?3 e s/ x( s; M4 W
速率可达到80 Kb/s,对于400 Hz航空交流电,每个
$ Z2 W. g7 U4 D6 f9 L6 p" ]周期内的采样点数为200个。Lab Windows/CVI提$ v# W6 |. N. |, |) L- P2 y
供了串口编程的函数库，这样便于用户开发程序。7 t. ?6 \& g4 G e# f1 o# W7 q
应用软件分析计算出相位差、有用功率,功率因数、6 t7 ?1 a/ G$ y9 V, H
电压基波有效值等参数。应用Lab Window8/CVI软
* I7 g; ^1 \7 w" X1 \件设计的用户界面具有良好的人机交互功能。
# P5 W; B5 O; S- G' q测试仪系统结构如图1所示。软件结构上、下
% `; B2 H) s n3 e1 y位机采用Keil C软件编程，上位机采用Lab Win-7 i. @' N' S! M8 Y* Z
dows/CVI软件编程。电路设计中,交流信号经过放.
/ B3 ]0 a, f Z4 c) t大处理后,由频率测量电路、电压测量电路和电流1 P' V+ ^! q# _. {! j( O; B& i
测量电路分别输人单片机,采集到的数据经单片机, h$ C) L1 h5 f4 A4 j1 E" K
处理后,通过串口送到上位机做进-一步的信号分析9 A/ K4 ]! \3 z# c+ Q: M
处理。单片机内部12位8通道AD转换器用于采2 E# F6 y2 n" f t, Y+ W
样4路电压.4路电流信号,并将其转化结果通过: \5 O {8 P8 L( |& m! m
RS- 232串口送人上位机。根据这些信息，上位机用
# j. T) C2 p( N" G- T/ c户界面显示电压、电流波形;用LabWindows/CVI中5 @" {+ ^ N( t- m! ~+ r
的相关分析函数计算相位差,根据离散积分公式内& ]$ x9 s) ]5 u8 r5 `# y
计算电压、电流的有效值以及有用功率、功率因数,
" }* l' y e2 H. q6 ?& A( Z并在用户界面上，显示。
& o% N4 y3 @( q5 z2 O3硬件设计
& B; r ]6 |' l' J3.1 C8051F005 单片机的选用
$ V! i9 G3 C9 C' rC8051F005单片机囤功能强大的集成模块简化
+ M! ^( D( {& ]: m& |* K9 R了硬件电路设计。测试仪AD转换器选用 X/ [+ c" q4 q4 {/ A+ G
C8051F005内部电压基准,是由内置的8通道12位
) [' _" Q' b3 i' u% jA/D转换器实现。频率测量采用PCA捕捉触发定时
( w4 A4 h7 ` R$ B- D9 ~; L3 d2 C7 Y器。与8051兼容的控制内核和内置的32KBFlash
' `* V: B! J7 v0 C便于用户编程和电路设计。最重要的是片内2 304) z0 J7 Z! `$ e
字节的RAM,执行速度可达25MI/s。与上位机通讯
% F7 O2 [8 u( i& Z; P/ I% D( p时,可在RAM中开辟下位机的数据缓存区,这样下.' E+ ~2 M$ ^0 B5 I& C/ r5 G6 o
位机可分时进行数据采集和数据传输，大大提高了# Y* B& Q' S' j5 n
数据采集速度。
/ c: Z; ]$ P" |, g- u将单片机I0口分配为:AI0~AI3为电压模拟+ Z" K' ^# h. T% a; E; F
量输入口,Al4~AI7为电流模拟量输人口,P04~P07$ b2 E/ q$ i' [
为PCA捕捉输人口,用于测量频率。
8 D9 H/ e3 L" {. ] k3.2信号调理电路
5 s# G2 b- w1 T4 s' ]% _3 b电压信号采集电路如图2所示。采用互感器对5 ^6 R# W* J, F
115 V航空交流电隔离降压，经差模放大后输人单) R( a k) y2 k; k/ P* V
片机。采用VREF/2为参考电压基准,将交流电压信( K5 z! d/ m0 F, j$ x" l; s. ~
号的零点提升到VREF/2,使采样到的正弦信号介.
2 M# v3 O' ~& K于0和VREF之间，单片机能够识别。而电压信号2 r! s. U6 D/ O6 q3 z5 Z
放大采用LM324差模放大,满足速度和精度要求。
2 V. n) ~( a3 D( t; a) y- g6 v电流信号采集电路如图3所示，采用5:1 000的交1 b9 ]1 l: L: W
0 V1 H7 _2 e5 n3 N0 t4 e) p8 e+ l4 e, g
: ~5 _8 ^9 [9 l9 \6 p7 r/ t3 V
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发表于 2020-2-6 13:09
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