一种基于DSP的电量测量仪设计

谢 涛

一种基于DSP的电量测量仪设计

谢 涛

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000）

针对电机试验中的电参数测试，设计了一种基于DSP的电量测量仪。详细论述了整个系统的硬件构架与软件算法，该系统通过采用高精度A/D转换器、DSP芯片以及上位机来完成电压、电流、功率、功率因数及频率的测量与数据的输出显示。对于中小型电机，测量仪既可测三相交流电参数，又可同时测量单相交流与直流电参数；当被测对象为直流有刷电机时，还能测量其转速；测试量程根据输入电流、电压的大小自动进行切换。测试结果表明：该系统精度高，运行稳定可靠，能满足实际需求。

交/直流；电参数测试；A/D转换；数字信号处理器；量程切换

1 研究背景

在电机的生产、运行与实验研究过程中，需要对电机的参数、性能等进行必要的测试，以检验电机是否满足有关技术要求，或是寻求改进生产工艺的方法与途径［1-2］。近年来，电机工业飞速发展，同时带动了电机测试技术的发展。电机电参数的测量是电机测试中的必要部分。随着数字信号处理技术与计算机技术的发展应用，电参数测试系统的智能化程度与数据处理能力大幅提高，在测量精度、功能等方面远远超过传统的测试方法，电参数测试步入了一个新的时代。

目前，市场上电参数测量仪种类繁多，但国内产的测量仪大多精度不高，测试误差较大［3］，而国外生产的专用数字测量仪价格昂贵，不适合一般的工业应用单位，再加上大多数参数测试仪对交流和直流参数需分开测试，不能将对各种电机的测试集中于一台仪器上，使用不便。因此，设计一种集成性好、精度高、经济实用的电参数测量仪具有重要意义。

本文设计了一种新型电参数测试仪，以DSP芯片TMS320F2182为核心实现运算和控制，采用高精度A/D转换器ADS8364Y高速采样信号，以实现量程的自动切换与交直流的通用测试，提高测试精度与速度，通过与上位机的通信及LCD液晶显示，提供友好的人机交互界面。

2 系统结构

电参数测量仪的系统结构主要包括以下模块：信号采集及变换调理、A/D转换、DSP数据处理、LCD数据显示等。本设计着重信号采集与量程切换电路的设计，从硬件与软件两方面对测试系统进行改进，自动完成测试数据的采集、分析、存储与显示，同时提高系统的通用性与可靠性。

3 硬件设计

系统的硬件部分以TI公司的DSP芯片TMS320F2812为控制核心，该芯片具有快速的数字信号处理能力、强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，外围接口丰富。硬件电路包括信号采集、信号调理、模数转换、LCD显示、串口通信电路等。电压和电流信号采集完毕后，经过信号调理电路进行数据处理，送至ADS8364进行模数转换，DSP对采样数据进行分析，分析结果传送至上位机及LCD显示。

3.1 信号采集与调理

3.1.1 信号采集。信号采集包括对电机电压、电流和转速的采集。开辟6路信号采集通道，分别采样电机的三相电压和三相电流信号，当被测电机为直流电机或单相交流电机时，由于电压和电流信号采集通道并未被完全占用，且两者互不相关，因此，可以同时进行直流电机与单相交流电机的信号采集，从而实现交直流通用。本设计通过计数器对标准时钟脉冲计数，并做模数变换，用除法电路求其倒数可得电机的转速。

与传统方法中采用电压、电流传感器对电压与电流信号进行采集不同，本设计直接测量电机输入端的电源参数，采用电阻分压代替传统的电压互感器进行信号采集，用600kΩ/100Ω的分压电阻进行信号的降压处理，被测信号输入范围降至0～83.32mV，保证了系统的安全性；对于电流信号，利用不同规格的分流器，测试不同大小的电流，将分流器串接在电机输入电源的两端，以完成信号的引入与采样。当流过分流器的最大电流为50A时，可转换为75mV的电压值。

3.1.2 信号调理。采集得到的输入电压、电流信号通常都含有开关次谐波。为不影响频率测量，并保证测量结果准确，先将输入信号滤波，通过3阶巴特沃斯滤波器，设置截止频率为10kHz，以消除开关次谐波分量的影响。

滤波之后的信号送入放大电路进行一级放大，本设计采用仪表放大器AD620，其具有如下特征：①精度高，最大非线性度为40ppm；②失调电压低，最大为50μV；③失调漂移低，最大0.6μV/℃；④功耗、噪声与输入偏置电流较低，适用于传感器接口等精密数据采集系统。

3.2 量程切换

电压与电流值变化范围较大时，量程的切换能将测量误差均匀控制在一定范围内，以实现精确测量。部分电参数测试仪在进行量程选择时，通过按键切换来实现，无法做到真正的自动切换；该系统通过CD4051来实现量程切换。CD4051是单8通道的数字控制模拟电子开关，通过3个二进制控制输入端A、B、C和INH输入电平选通相应的输出引脚。

被采集的信号通过信号调理电路之后，经过模数转换送至DSP主控芯片，并判断信号所处的量级，控制CD4051A端口与B端口的电平，从而选通输出通道。各输出通道串有不同大小的反馈电阻，通过不同的串接阻值来改变自校准运算放大器TLC4501的倍数，从而实现量程的自动切换及整个测量电压范围内的精确测量。电压划分为4个量程：0～16V，16～45V，45～150V，150～500V；电流的量程规格为：0～1.6A，1.6～6A，6～16A，16～50A。

3.3 模数转换

模数转换芯片采用ADS8364Y。ADS8364Y为6通道同步采样，高速、高精度、低功耗，适合同时采集多路信号；16位并行输出接口，内带2.5V高精度基准电压源，外部时钟为5MHz时，其采样速度高达4μs。

经过采样电路后的信号为具有正负半波的正弦信号，而ADS8364对采样信号电压的要求是AGND-0.3V至AVDD+0.3V，即“-0.3～5.3V”，因此，需要在A/D前端加入调理电路，才能使输入的模拟信号与模数转换所需的信号电压匹配。ADS8364的前端信号调理电路如图1所示。

图1 ADS8364的信号调理电路

3.4 LCD显示

LCD显示电路由PCF85134驱动，采用4组4位共阳极数码管，分别显示电压、电流、功率、功率因数、频率及转速等。功率、功率因数、频率、转速共用一个数码管，通过按键切换显示，小数位数随着量程的不同而不同。指示灯采用发光二极管显示，包括“A/mA”指示灯、“W/kW”指示灯和“PF/Hz/r·min-1”指示灯等。其中，“A/mA”与“W/kW”能自动识别，“PF/Hz/r·min-1”指示灯通过按键切换指示。

4 软件总体设计

该软件采用C语言进行编程，通过对实时数据的处理，实现电机参数检测。本软件系统大致可分为以下三大部分：①电流、电压实时A/D采样模块，该模块主要包含频率测量子程序和数据采集子程序；②电流、电压、功率、电度、功率因数等各电力参数的计算处理模块，该模块主要包含数据处理子程序、键盘显示子程序；③数据通信模块，该模块主要是DSP与上位机进行数据通信。

5 抗干扰设计

在实际应用中，干扰的来源很多，性质也不一样，干扰窜入仪器的渠道主要有三个：①空间电磁感应；②传输通道；③电源接地系统。为了保证仪表在实际应用中能可靠工作，必须要考虑和解决抗干扰的问题。

5.1 空间电磁场抗干扰措施

空间电磁场干扰常引起串模干扰。其是指干扰电压与被测信号串联叠加后作用到仪表上，通过测量仪器的输入端进入测量仪器而引起测量误差。串模信号来自高压输电线、与信号线平行铺设的输电线及导线中的大电流等。特别是空间的工频电磁场，在输入回路中产生的工频感应电势影响最大。若测量控制系统的信号线较长，通过电磁和静电耦合所产生的感应电势有可能大到与被测有效信号相同的数量级。

抗空间磁场干扰的措施主要有：①静电屏蔽防止静电耦合干扰，主要采用导体接地；②电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，采用良好金属材料作为屏蔽层以达到屏蔽的目的；③磁屏蔽主要用来防止低频磁场干扰，采用高导磁材料作屏蔽层。

另外，采用RC低通滤波器可以滤掉难以抑制的串模干扰，同时信号线应选用带屏蔽层的双绞线或电缆线，并有良好的接地系统。

5.2 传输通道抗干扰设计

传输通道主要指的是输入通道、输出通道，是与主机进行信息传输的路径，也是仪表的主要干扰。

DSP应用系统中，传输线上的信息多为脉冲波，它在传输线上传输时会出现延时、畸变、衰减与通道干扰。为了保证长线传输的可靠性，切断干扰窜入的渠道，就要去掉与输入/输出之间的公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲。主要采用光电耦合隔离、双绞线传输、阻抗匹配等措施。本设计采用光电耦合隔离抗干扰。

在实际电子电路系统中，I/O通道不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差，将导致测量、控制准确性的降低，产生误动作，从而带来破坏性的后果。因此，若硬件上采用一些技术，破坏干扰信号进入测控系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力。

事实证明，采用隔离技术是一种简便且行之有效的方法。隔离技术是破坏干扰途径的抗干扰方法，硬件上常用光电耦合器件实现电-光-电的隔离，能有效破坏干扰源的进入，有效实现信号隔离，并易构成各种功能状态。

光电耦合器件是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合，构成电-光和光-电的转换器件。

本设计应用该原理，实现不同系统间信号通路相联而电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将模拟电路和数字电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。

该电路应用在A/D转换、开关量接口等电路处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现模拟电路和数字电路的相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。

在应用光电耦合电路时还需注意以下两点：①在光电耦合器的输入部分和输出部分，必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义；②当用光电耦合器来隔离输入和输出通道时，必须对所有的信号（包括数字量信号、控制量信号、状态信号）进行隔离，使被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离就没有意义。

5.3 电源和接地系统的抗干扰

为防止电源对电网的干扰，本设计采用开关电源做工作电源。开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最佳外围电路、最佳性能指标等特点，为负载提供稳定的工作电压，抗干扰能力强，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。该工作电源具有欠电压、过电压保护，具有频率抖动特性，降低电磁干扰，EMI滤波器能更好地滤掉共模和串模干扰。

正确接地是仪表系统抑制干扰应注意的重要问题。尽可能使用较粗的地线和电源走线，以减少电源电阻，减少噪声。为了减少高频数字信号对模拟信号的干扰，数字地和模拟地应仅在A/D转换处相连，其他地方应分别走线。

5.4 软件数字滤波

在数据采集过程中，特别是观察数据采集的静态测量特征时，可以发现存在干扰尖脉冲。干扰产生的因素很多，如电源干扰、电磁干扰、继电器的突然启动或释放、多路开关切换时产生的干扰等。这些干扰持续的时间虽然不长，但可能正好在采样数据的瞬间产生，因此，会在模拟信号上叠加很大的尖峰干扰信号，从而对数据采集的精度造成严重影响。为了进行精确测量，必须消除被测信号中的噪声和干扰。干扰通常分为两大类：一类为周期性干扰，另一类为不规则的随机干扰。对于随机干扰，除采用模拟滤波外，还可以用数字滤波技术，对A/D采样后的数据进行预处理，以削弱或消除干扰信号。数字滤波具有成本低、精度高、可靠性高、适用范围广、使用灵活方便等特点。

数字滤波不需要硬件，不存在阻抗匹配的问题，对多路信号可以供用一个软件滤波器，从而降低仪表的硬件成本。智能仪表中常用的数字滤波算法有限幅滤波、算术平均滤波、滑动平均滤波及加权滑动平均滤波等。在实际应用中，所面临的随机扰动往往不是单一的，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑，因此常将两种以上的滤波算法结合使用。把两种以上的方法结合起来使用，就形成复合滤波，去极值算术平均滤波法就是复合滤波中的一种。本设计就采用了此种复合滤波算法。该算法的特点是：先用去极值滤波法滤去采样值中的脉冲干扰，然后把剩余的各采样值进行平均。具体算法是，连续采样n次，剔除最大值和最小值，在求余下n-2个采样的平均值，所得的结果就是滤波以后的结果。它既适用于对一般具有随机干信号滤波，又能滤去明显的脉冲干扰。

表1 直流信号的电压、电流测试

表2 交流信号的电压、电流测试

6 性能检测

本设计开展了以下实验对该测量系统进行性能检测：利用标准信号源模拟来进行电流和电压的测量，得到不同电流电压输入值下的测试结果。直流与交流信号的电压、电流测试结果分别如表1、表2所示。

7 结语

本设计从硬件和软件两方面构建电机参数测量系统，利用分压电阻代替互感器并通过6路测试通道同时采集数据，实现了单相测量、多相测量及直流测量的无缝集成与量程的自动切换，避免了按键切换等带来的不便，使各种电机的测试更具通用性和灵活性。

本设计使用DSP作为主控芯片，结合16位A/D转换器，系统精度得以提高，为后续电机试验中的其他测试（冷态直流电阻、匝间绝缘、温升试验、空载试验等）奠定了坚实的基础。实际测试数据表明测量精度在0.2%以内。系统工作稳定，能连续可靠地运行，有效减少了电磁干扰，提高了测量的稳定性与准确性，有助于提高电机行业的产量与质量，进一步推动电机行业的发展。

［1］武建文，李德成.电机现代测试技术［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］林高翔.基于虚拟仪器的网络型电机测试系统软件设计［D］.杭州：浙江大学电气工程学院，2010.

［3］李纯.基于数字信号处理器的电机测试装置的研制［D］.重庆：重庆大学电气工程学院，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

谢涛（1976-），男，硕士，高级工程师，研究方向：自动化、项目管理。