单片机系统的输入输出通道及信号的输入分析

周 雯 张秀娟

[摘要]以单片机为核心的二次压降测量仪,其结果准确可靠。分析以单片机为核心的二次压降测量仪的输入输出通道及信号的输入,证明采用单片机作为快速处理数据的微处理器是合理可行的。

[关键词]电压互感器二次压降单片机

中图分类号:TN6文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1120004-01

随着电力系统市场化步伐的加快,电能计量对准确性测量的要求越来越高。而电能计量的综合误差过大是普遍存在的一个问题。电能计量综合误差是由电压互感器的合成误差、电流互感器的合成误差、电能表的误差、电压互感器二次导线压降所引起的计量组成。在这四项误差中,电压互感器二次导线压降所引起的误差最大,因此必须准确、快速、方便、可靠的把它测量出来。二次压降测量仪的中数字电路部分是一个典型应用的单片机系统,它主要是完成对继电器和A/D的控制,以及完成转换后的数据信号进行存储、运算、显示以及与上位机的通讯。此单片机的CPU内核具有16位数据线和22位地址线,由此决定其基本数据类型是16位的“字”型;22位地址线最多可寻访4M字的存储容量,以获取指令代码和指令数据。地址线中的高6位称为存储器地址页码,它来自段寄存器中的6位代码段和6位数据段选择字段,亦即页码的检索通过段的编码实现。地址线低16位称为存储器地址偏移量,它来自其它一些寄存器,通过段和偏移量组合产生22位地址线。

一、输入输出通道的概述

在计算机内部,信息是以二进制数字量表示的。而在自然界中,物理量大多数是连续变化的模拟量,如温度、压力、速度等。这些模拟量信号经过各种传感器变换成为模拟电压信号。模拟信号无法直接输入数字计算机,必须再转换为计算机能够处理的数字信号。即使外部物理量以数字信号来描述的,这些信号在电平和逻辑上也不一定能够与计算机内部的逻辑电平兼容,还必须进行处理。与输入相对应,计算机内部数字信号输出时又必须还原为与之相适应的外部模拟信号或数字信号。在智能仪器中,微处理系统与外部的信号转换和传送是由输入/输出通道来完成的。可以说,输入/输出通道是微处理系统与外部联系的“桥梁”。表示自然界物理量的信号分别为模拟信号和数字信号。这两类信号在输入计算机或计算机输出时,输入/输出通道结构不同,相应的输入/输出通道分为两类:模拟量输入/输出通道和数字量输入/输出通道。本系统的信号通道属十模拟量输入/输出通道。

经过传感器变换后输出的模拟电压信号一般很微弱,而且含有噪声,需要经过信号调理电路放大和调节到适合于后级电路转换的电平范围内。采样/保持器在指定的时刻对输入信号进行采样,并由保持电路把采样信号保持下来,变成时间离散信号。该模拟信号输入到A/D转换器,转换成数字信号,然后由接口电路输入到计算机中。计算机将输入的数字信号经过处理,再经过接口电路输出到D/A转换器。D/A转换器把计算机输出的数字信号再转换成模拟信号,输出到外部。

二、单片机系统信号的输入

任何一个电子系统都可以分为三部分:第一部分是输入部分,信号在此被接受。这类信号通常是一个电量信号或者有待于用传感器转换成电参数信号的非电气物理量。第二部分是信号的加工处理部分。对信号的处理,有模拟和数字两种方法,也可以两种方法结合使用。对不需要作复杂运算和处理的单一信号,比较简单的系统可以用模拟电路来处理;对复杂系统需要用到微机等数字电路。第三部分是信号的输出部分。信号在这一部分输出给终端显示或者驱动执行机构(负载)等。系统首先采集信号(信号从输入通道进入系统),这些信号通常来源于各种物理量的传感器、变换器、接收器,或者来源于用于测试系统的信号发生器等。其中信号的(预)处理环节的作用是利用隔离、滤波、阻抗变换等各种手段将信号从各种噪声、干扰中分离出来并进行放大。所采集的信号经过处理、加工、运算、变换后应该能够为其它计算机等系统识别、接受;或能驱动执行机构完成其它的控制功能。对于测量系统被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务。获取被测对象信号的主要任务就是真实准确的反映被测对象的状态,包括实时性和测量精度,并能使这些测量信号满足计算机输入接口的要求。本测试系统即从取样互感器的二次端获取电压信号,然后经过模拟电路环节的一系列预处理,得到单片机所能识别的数字信号,然后再由此单片机系统对其信号进行相应的处理,如数据的运算变换、存储、显示和通讯等。在测试仪中,模拟信号的准确获取是关键。本仪器是要求被测系统不停电、实现在线测试,模拟信号的获取即成为系统要解决的首要关键问题。这样对被测的二次电压信号通过电力专用测试导线引入仪器,仪器内部的电压取样电路通过精密电压互感器取出与被测的二次电压信号成比例的电压信号,取出的电压信号再送给后面的信号调理电路进行相应的处理。通常在实际的测量中,输入通道采用仪用互感器变换量限而不采用传统的分流器和附加电阻的方式,主要是因为采用互感器可以隔离高电压,提高系统的可靠性,降低系统功耗。

三、取样电压互感器

测量用互感器是一种交换交流电压或电流使得便于测量的电器。其中变换交流电压的称为电压互感器;变换交流电流的称为电流互感器。采用了测量用互感器后,就可用一般的测量仪表来测量高电压、大电流、大功率等,并可以保证人身和测量仪表的安全,它在电测技术中得到了广泛的应用。电磁式互感器,这是目前应用最多的互感器,基本工作原理与一般变压器相同,仅在结构、材料、容量、误差范围等方面有所差别。按照应用范围可以分为电力互感器和仪用互感器。电力互感器工作电压、电流较大、容量大,体积大。

电压互感器是发电厂、变电所等输电和供电系统不可缺少的一种电器。电压互感器和变压器很相象,都是用来变换线路上的电压。通常变压器是电力系统用,它的主要目的是为了输送电能,因此容量很大,一般都在千伏或兆伏安为计算单位;而电压互感器变换电压的目的,主要是给测量仪表和继电保护装置供电,用来测量线路的电压、功率和电能,或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器,因此电压互感器的容量很小,一般都只有几伏安、几十伏安,最大也不超过一千伏安。仪用电压互感器是电测试验室内使用的一种电工仪器,也叫作精密电压互感器,主要是用来扩大量限,测量电压、功率和电能的一种仪器。在本测试仪器输入通道中就内置了一个标准的隔离仪用电压互感器,它有两个输出端,其中的一个一次端电压和二次端电压比为100/2,另一个的两端电压之比为100/100。当前国内有好多单位生产用于测量用的微型精密电压互感器,这类互感器工作电流范围宽,误差线性好,量限系列化,输出标准化。大部分非线性度达到:比差<0.1%(额定电压10-100%;角差<±5分)额定电压80-120%。

参考文献:

[1]何立民,MCS-51系列单片机应用系统设计,北京:北京航空航天大学出版社,1990.

[2]蒋映霞,电压互感器二次回路压降误差的测试,四川电力技术,2002

(4):29-31.