多参数铁路轨道检测仪的研制（共4篇）
多参数铁路轨道检测仪的研制 篇1
多参数铁路轨道检测仪的研制
成果承担单位：河北省自动化研究所 项目负责人：连翠玲 联系人：刘祥乔
联系电话：0311-83018762
一、成果简介
“多参数铁路轨道检测仪”是一种检测铁路轨道轨距、水平、轨向、高低、正矢、行走距离和三角坑、轨距变化率等轨道长波不平顺参数的自动化仪器。它以右轨为基准轨，利用激光准直技术、高精度传感器和内置的数学模型，得出以上参数,并将结果作为指导铁路维护的重要依据。
检测仪由激光发射装置和检测接收车两部分组成。检测时，将激光发射装置与检测接收车间隔一定距离锁紧固定在钢轨上（直线轨最远检测距离200米，半径900米轨最远检测距离50米），系统工作时，通过瞄准镜将激光光斑打在检测接收车的激光接收器上，接收器的接收范围360mm×270mm。以一定速度连续推动检测接收车行进，激光接收器实时接收激光信号，根据陀螺仪、位移传感器、编码器以及系统内置的数学模型测得轨道轨距、水平、轨向、高低、正矢、行走距离和三角坑、轨距变化率等轨道长波不平顺参数，并将结果按查询条件进行显示。
该项目已研制完成“多参数铁路轨道检测仪”样机一台，并通过河北省科技厅组织的验收。
二、技术指标
项目 轨距 水平轨向 高低
检测范围
检测精度
1415～1480mm
±0.5mm
±100mm
±100mm
±0.5mm
±0.5mm
±75mm
±0.5mm 正矢
200mm
±0.5mm 行走距离
0～1000km
1‰
三、应用说明
1．应用实例与效果
“多参数铁路轨道检测仪”在北京铁路局石家庄工务段上行线路车间试用，上线测量了线路的轨距、水平、里程等参数。在试用过程中，该系统运行稳定，推行方便，并能够根据线路情况调整参数的设置，达到了铁路养护操作指导规范所要求的内容，降低了我们对于线路的养护劳动强度，在一定程度上节约了人力，提高了劳动效率。
“多参数铁路轨道检测仪”在石家庄铁路工务工程队试用，使用情况如下：该检测仪的操作性和测量参数的可靠性都达到了预期的要求，在操作上较为简便，测量时无需太多步骤，可方便的上线测量；其人机界面友好，能够做到各项功能一目了然；上线测量的铁路轨道的轨距和水平等参数，与经验数据对比，精度能够达到预期；但该检测仪对光稍显繁琐，主要是对光时所用的望远镜功能不足，需要频繁的调整焦距，可能会降低测量效率。
总体来说，该检测仪的使用情况良好，达到了预期的目标。
四、成果推广简介
1．应用范围：该检测仪可应用于全国铁路系统。
2．成果转化方式：我们采用自行转化方式进行成果转化。
3．资金需求：25万元。
多参数铁路轨道检测仪的研制 篇2
关键词：生理参数检测,学习仪,开放式
1 引言
《医用电子仪器原理与维修》是医用电子仪器维护专业最为核心的一门课程。目前,由于医用电子仪器比较贵重,不能大量购买此类设备用于教学,使得实践教学较难开展,因此大部分院校实施该课程的实践教学时,都是以一类典型设备为载体,在此基础上再进行拓展。以生理电测量类仪器为例,大多利用光电6511或东江11B(A)心电图机为学习载体,学生往往是拆开心电图机,对照原理图从输入放大、显示、键控制和电源等4个部分逐一分析学习原理和结构,而脑电、肌电等设备就在此基础上进行简单而表浅的拓展。
这种现状存在几个问题:学生将电路原理图和实物电路对照起来学习难度大,对于集成度高的电路则更加无法入手;学生所学的电路原理停留于理论,实际运用上存在困难;对现代医用电子仪器逐渐普及的微机控制、处理和显示技术的学习无法深入。
开放式人体多生理参数检测学习仪就是基于以上问题的考虑而研制的,在对经典医用监护仪的结构与原理进行剖析的基础上,搭建一个开放式微机平台,根据目前各种典型生理参数信息检测电路设计出分立模块,有机组合制成专供教学使用的学习仪。
2 系统的设计
该学习仪根据现代常见医用电子仪器的基本结构设计,体现理论与实践内容的系统性,涵盖了传感器技术、模数电路技术、单片机软硬件技术等内容,结构及原理框图如图1所示[1]。
系统的电路、模块、接口、程序按照开放式思路设计,在软件和硬件上可以在之后简便地进行修改、完善、调试。在教学上为学生提供一个可全方位切入进行学习的教学平台,满足科研、教学的需要。以下重点介绍检测电路、A/D转换部分、单片机系统和开放式设计的关键技术。
2.1 检测电路与A/D转换部分
系统的检测电路选择人体常见且有代表性的3种生理信息(体温、心电、血氧饱和度)作为采集的目标,通过各类型传感器及其电路完成电能量转换(采集)。
2.1.1 体温检测
利用温度传感器测量腋下温度,并转换为与之对应的电信号,经过预处理最后送入单片机[2,3],其流程如图2所示。体温探头选用AD590作为温度传感器,它具有灵敏度高、线性度好、响应速度快、良好的线性度和一致性等特点,通过外围电路调整后,AD590的输出电压为5~45 mV,反映体温5~45℃。
2.1.2 心电信号检测
为使导联线更加简单,该学习机采用监护仪上常用的“左右手检测,右腿浮地驱动”的导联方式,检测电路设计也较简单,如图3所示。其中,前置放大电路使用KT-2集成芯片,使输入阻抗提高至100 MΩ,主放大部分采用3级运放电路,其中最后一级增益可调,使用AH6561集成运放,通过负反馈通路选择×0.5、×1和×2这3种增益倍数,利用模拟开关控制,由键控部分经单片机发出增益选择信号。心电信号最后经由N120B(TL072)组成的缓冲放大器,送至A/D转换器转换为数字信号[4]。该生理信息采集模块主要锻炼学生电路方面的开发和调试技能,并学习利用单片机实现前端电路的控制。
2.1.3 血氧检测
考虑到目前医用电子仪器的开发方式已经发展到模块化运用,该部分设计采用广泛使用的指夹式血氧探测探头及其附带电路,其基本原理如图4所示,主要体现对成熟电路模块的迁移运用能力[5,6]。
该电路输出为血氧饱和度和脉搏的变化曲线,经A/D转换电路实现数字化,并由单片机处理显示。
2.1.4 A/D转换器
A/D转换器作为系统多路检测信号共用的模块,采用图5(a)所示的结构,由模拟开关进行信号输入通道的切换,其切换动作由键盘通过单片机发出指令完成。A/D转换器本身选择12位逐次逼近式串行的A/D转换芯片MAXl87,转换速度为8.5μs,能耗低,采用8脚DIP封装,外接元件简单,使用方便,完全可以满足对心电信号的采集速度和系统便携式的要求。MAXl87的SCLK(时钟)、CS(片选)、DOUT(数据)端分别与AT89S52的P3.0、P3.1、P3.2脚连接,通过控制MAXl87的串口时序,完成A/D连续转换的读写操作[7],其基本连接图如图5(b)所示。
2.2 控制与显示部分
控制模块采用4×4键盘输入,其中定义用于信号通道选择4个;心电模块控制6个,包含增益调节、闭锁信号和校准信号输入等;血氧检测模块控制2个;温度检测模块自动与手动模式切换1个;复位按钮1个;备用按钮2个。以温度检测为例,系统初始化后,系统处于体温自动测量模式下,AT89S52定时从温度传感器电路和实时时钟中读取温度数据和时间信息,再将两者进行组合成一条记录,然后存储在存储器中,同时将最新的一条记录送往液晶显示模块进行显示。而通过键盘进入手动模式后下,由键盘给一操作信号控制单片机完成上述工作。
显示部分选择240×128的图形液晶模块,实时显示血氧、体温数值以及心电波形,显示清晰,方便观察[8]。
2.3 单片机核心及软件部分
单片机核心使用AT89S52芯片,它具有以下标准功能:8 KB Flash,1 000次擦写周期,256 B RAM,32 bit I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,3个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。这些丰富的资源使得该学习仪可以灵活地设计和拓展。
该学习仪的系统软件采用单片机C语言编制。为了便于程序调试和提高可靠性,同时方便学生进行学习,软件采用模块化结构程序设计方法,主要包括初始化程序、主程序、定时中断服务程序、串行口中断服务程序、各子程序模块等。主程序完成系统初始化,打开多路转换开关,查询各种状态并控制相应操作等功能。
系统软件工作过程如图6所示。系统软件在启动后先进行系统硬件和操作系统的初始化,然后进入系统主程序,等待键盘响应,当按键按下选择需要实现的功能时,系统向单片机发出命令采集相应的生理信号,并等待接收采集的数据,接收数据后进入数据处理子程序,计算得到所要求的生理参数和波形,并进行显示、存储或传输。
由于AT89S52片内的Flash存储器只有8 KB,为了提高其存储能力,可以扩展一片K9F2808(u)0b存储器,它是一种NAND Flash存储器,内部存储空间为16 MB,是一款理想的大容量数据存储芯片。串口接收数据时,读操作自动访问接收寄存器,然后将数据存储到K9F2808中。以采集心电信号为例,如以200 Hz的采样频率和一点位一个字节计算,这个Flash可以存储24 h的心电数据[9]。
2.4“开放式”的设计方法
为了使整个系统体现良好的教学适用性,方便学生从系统的各个方面进行切入学习研究,设计上采用“开放式”的思路,不仅是系统本身开放,其研发过程也完全开放,主要体现在:
(1)硬件电路方面,参考经典产品的结构进行设计,电路板采用较大的实验板制作,元器件和线路的布局与原理图直观对应,在关键点设置测试点、通断开关和插孔等,方便测量和电路改造。例如,在心电检测电路中预留闭锁、电极脱落检测、光电耦合等功能模块的扩展接口,在后期学习中,鼓励学生进行创新实验,通过理论与实践的结合设计出电路,与该系统对接实现相关功能。另外,单片机系统采用通用的接口,兼容其他功能模块接入,实现可拓展性。
(2)软件方面,以C语言为基础,采用模块化结构程序设计方法进行系统编程,程序语言给以逐行注释。同时预先按照几种编程思路进行软件编写和调试,作为备用程序包,实训时学生可以验证程序的语法规则,也可以进行修改再写入调试,还可以按照课程需求设计应用型编程题库,让学生进行自主选择,利用课余时间完成拓展[10]。同时,电路设计软件和程序开发环境完全开放,方便学生快速进入学习状态。
(3)辅助资料方面,将开发过程中相关的资料进行梳理及整合,形成书面材料,针对医用电子仪器维护专业各门课程中运用在该系统的各种知识和理论,设计出实训项目,项目列表如表1所示。同时编写相关的实训指导书,便于学生自主学习。
各实训项目虽属于不同的课程,但之间存在着紧密的联系,例如:传感器电路的设计需要各种检测、放大、输出电路的基础理论;A/D转换电路需要配合单片机处理I/O接口等。在这些项目的设计上遵循从简单到复杂、由单元到模块、再由模块到整体的原则,尽量做到深入浅出。所有课程结束时,可以根据专业方向设计一个综合性的项目,将所有课程串接起来,使这些单一的知识和技能汇成解决实际问题的合力。
3 结果分析
在上述方案的指导下,通过整体电路的设计、系统平台和各模块的搭建,最后开发出一个用于人体生理电、体温和血氧饱和度等典型生理信息测量的教学仪器。由于在开放式的指导思路下完成研制,该学习仪具有诸多特点。
3.1 应用效果良好
开放性的设计使得该仪器直观易懂,易于切入学习,学生在演示、检测、调试、开发设计等环节中可以由浅入深地学习医用电子仪器的系统结构和各模块的基本原理,并进行“模仿训练”和“创新尝试”,也使教学形式更加生动灵活。
3.2 改变了以往的教学模式
全过程开放使该学习仪像一本教材,其“目录”就是这个研发过程中的每一个步骤或每一个项目,学生可以通过“目录”切入具体的知识点进行学习,又可在学习仪上实践而达到具体技能的训练,学习和训练的目的性大大增强。而教师可以将精力集中在学生的学习引导上,从而根本上改变了以前“填鸭式的知识讲解”和“机械式的实践操作”的教学模式。
3.3 具有较好的适用性
该学习仪的适用性主要表现在研制过程和使用范围2个方面:
(1)人体生理参数测量技术已经比较成熟,有很多相关的理论和实践资料可以参考,这使得该学习仪的研制基础变得简单,其研制过程也有章可循,适合一般院校开展研究,具有较好的适用性。
(2)学习仪运用于教学的设计初衷,使其具有结构简单清晰、各模块相对独立、检测调试方式成熟、成本较低等特点,其使用范围也大大拓展。
3.4 提升教学资源的利用率
利用现有医用电子仪器专业实践教学资源的支撑作用,将传感器器件、模电、数电实验台、单片机实验箱等各种设备仪器进行有机组合,可以完成人体多生理参数测量的简单验证、集中开发和调试应用,通过这一过程将各种单一功能的实验室的实验设备仪器有机联合起来,产生了“1+1>2”的效益,大大提升了实践教学资源的利用效率。
4 结束语
本研究立足于现代医用电子仪器的基本原理和结构,结合新型教学仪器的基本要求,体现了高等教育培养创新型实用性人才的改革思路。我院经过长期的研究和实践,在该学习仪的平台上,满足了《医用传感器》、《单片机技术与应用》、《医用电子技术基础》、《医用电子仪器原理与设计》等核心课程“理实一体化”教学的需要,并可以将各课程进行有机结合,开发出具有明确的岗位技能培养目标的综合性实训项目,使教学效率和效果都大幅度提升[11]。
可以说,开放式人体多生理参数检测学习仪的研制,不仅仅是一个软硬件的开发过程,更是一种教学模式方法的形成过程。对学生而言,在学习仪上的重复调试、研究,再到创新的过程就是学习的过程;而对于教师,搭建学习仪这个平台的过程也就是组织教学资料,设计教学环节的过程,这是对教学很好的促进。
参考文献
[1]林家瑞.微机式医学仪器设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2004:31-33,225-226.
[2]梁家海,李尚平.基于AT89S52的自动连续温度记录仪的研究与设计[J].计算机与数字工程,2009(3):179-182.
[3]钱朋安,葛运建.一种人体体温自动检测监护系统的设计研究[J].仪器仪表学报,2008(4):59-61.
[4]余学飞.医学电子仪器原理与设计[M].广州:华南理工大学出版社,2000:85-94.
[5]罗剑,雷勇.便携式多参数监护仪的研制与开发[J].脉搏血氧测量仪,现代电子技术,2008(13):25-28.
[6]杨玉星.生物医学传感器与检测技术[M].北京:化工出版社,2005:229-236.
[7]赵正平,吴小培.便携式心电遥测系统中A/D转换的实现[J].计算机技术与发展,2008(3):207-209.
[8]陈雅楠,周丹.单导联心电图机学习机的研制[J].医疗卫生装备,2008,29(3):28-29.
[9]刘军,向平.基于单片机C8051F020的多生理信息检测仪[J].现代科学仪器,2007(2):37-39.
[10]王晋华.《C程序设计》教学中的开放式实验初探[J].电脑知识与技术,2009(12):9769-9770.
多参数铁路轨道检测仪的研制 篇3
关键词：铁路货车；轮对参数；铁路运输；安全系数；自动检测系统
中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）33-0025-02
轮对是铁路货车行走过程中重要的构件，安全高效的轮对是保证铁路能够快速、安全运输的关键因素，轮对故障导致的安全事故屡见不鲜，给铁路运输造成了严重的损失。另外，轮对故障也会给车辆本身以及铁路固定设施带来一定程度的损害。目前，我国仍然依靠传统的人工手动测量来对其进行故障的检测诊断，不但效率低下，检测精度以及可检测项目也不尽如人意，为铁路正常运行带来了隐患。因此，发展一种新型的自动货车轮对检测技术对于提高我国检测水平、提高铁路运输安全系数有着重要的意义。
1 轮对自动检测技术的原理及现状
目前来说，国内外主要应用的轮对自动检测技术按照原理分类，可分为以下三类：光截图像原理技术、视觉自动测量技术以及激光位移测距技术，主要应用于货车的入库检查以及地铁在线监查上。下面分别简述一下这三类原理：
1.1 光截图像原理技术
这种技术主要原理为利用三角激光测量技术来实现测量物体二维尺寸的目的。采用的投射光源为点状高强度激光，高速的CCD相机作为图像采集设备。当测试完毕后会得到一系列的曲线，将其和标准的校正曲线进行比对矫点，从而实现目标参数的自动检测。这种技术在低速以及静态测量中的精度比较高，但是对于高速测量的精度尚不能令人满意，这是由于CCD相机的采集速度有限而造成的。但是这种原理制备的设备价格低廉、操作简单，得到了广泛的应用，如丹麦的EDOC公司、美国的BEENA公司以及国内的哈尔滨威克公司等都有相应的产品。
1.2 视觉自动测量技术
视觉自动测量技术是一种基于视觉测量系统，建立在计算机视觉研究基础上的新兴技术，其优点为抗干扰能力强、高效易行，非常适合一些在现场生产中的在线非接触性监控及监测。在实际生产过程中，该技术基于视频成像原理及先进的图像识别功能工作，通过高速摄像机现场拍摄车辆轮对运行状况，采用逐帧截屏得到清晰图片，再对图片进行识别辨认的方法来实现对车辆轮对的监控监测。
1.3 激光位移测距技术
激光位移技术是一种高精度、高精密的非接触行测量技术，主要用于测量对象物体的位置以及位移的变化，可以准确监测出物体的位移、体积尺寸、振动频率等物理几何量的测量。按照原理，激光位移技术可分为激光回波法和激光三角测量法两种，而在铁轮货车轮对检测中主要用的是激光三角测量法，这种检测方法精度高，但监测的距离较短。在实际应用中，左右两路光电流从激光位移传感器发出，通过干涉成像，就可以反推算出物体激光点和成像透镜前面的距离，从而达到监测的目的。目前这种技术已经被应用于我国部分铁路
路段。
2 轮对自动检测系统的研制及简单介绍
2.1 系统结构整体设计
根据轮对检测工艺要求以及车间的实际工作状况，我们设计了一种以龙门通过式机械结构为基础的轮对自动检测系统，其简单组成主要包括进给总成、升降总成、带转总成、测量装置以及传感器等。待货车轮对沿着特定轨道进入测量装置后，通过各个部件的协同作用以及协调工作，自动完成对轮对各参数的测量。本装置可以检测的轮对参数主要包括轮缘厚度、轮座直径、车轮直径、车轴中央直径等。
待测的轮对在自动计算机控制系统的作用下，通过导向装置机构使得轮对到达指定的测量位置，具体如下：当轮对滚动到待测位置时，挡轮装置将其挡住，位于装置下方的轮对提升结构将轮对升起后由转动装置驱使轮对转动。
与此同时，测量装置在直线电机的驱动下，通过丝杠的带动使其沿直线运动单元迅速下降到测量位置停止。当测量传感器做横向运动时，可以测量轮对的中央直径，左右轮缘宽度等参数；和其相连的旋转电机可以控制测量传感器做顺时针以及逆时针的旋转，可以测量左右轮座直径以及轮辋厚等参数。在自动控制系统的作用下，激光传感器按照一定的路径做直线往复运动，可以自动采集被测轮对中各测量点的数据，通过安装的摄像装置可以将装置板上的图像反映到计算机的显示屏上，经过计算机运算处理后得到测量结果保存到相应数据库中并自动打印。当采集数据完成后，左右的测量装置以及激光传感器自动上升到初始位置，测试的轮对停止转动并自动下降，最后由轮推装置推出测量位置，完成整个的工作循环。
2.2 测控系统设计
本自动检测系统的测控系统主要有工业控制高精密计算机、运动控制部分、数据自动采集处理部分以及测控软件等部分组成。
2.2.1 工业控制高精密计算机。该部分作为整体系统的关键组成之一，担负着处理数据，采集打印图像以及对运动的部件进行高精度高准确度控制的作用。设计中我们采用的是方正的主机，CPU为AMD 速龙II X4 740，内存为4GB的DDR内存，配备Dell打印机，利用Windows自带的Microsoft Visual C++ 7.0编程系统进行编程。我们采用的计算机配置较高，编程系统较为先进，为整个检测系统的优良性能奠定了良好的基础。
2.2.2 运动控制部分。运动控制部分主要由步进电机、气动控制装置以及异步电机三部分组成。实际运行条件下，要求本系统的定位精度高，整体系统动作平稳，冲击力小。因为旋转特性不同，结合实际现场运行的需要，选择合适的电机是非常重要的。在轮对旋转中，由于对电机的要求较低，因此采用的是步进电机，最佳细分圈数为6400步/圈。在滑台极限位置两侧安装有光电开发，实现对运动极限位置的控制，保护与之相连的传感器。设计中旋转运动机构和横向运动机构对电机要求较高，因此我们使用了带有64位高性能RISC中央处理器的交流伺服电机，提高了机器的响应性。
2.2.3 数据自动采集处理部分。数据采集部分主要由激光传感器，电涡流传感器以及A/D采集卡三部分组成，这部分也是系统设计最重要的部分，其采集数据的准确度决定着系统的检测精度，是设计中的重点。其基本工作原理是激光传感器输出的电信号经由电涡流传感器的放大、滤波、抑躁处理后送入A/D采集卡进行模数转换。
设计中利用电涡流传感器对轮对的踏面进行高速的数据采集，计算机处理后可得踏面特征；对于车轮直径以及车轴中央直径等则采用激光传感器。为排除实际操作条件下的干扰，我们自行设计了一种A/D采集卡，带有32bit分辨率的A/D转换器以及模拟输入通道，保证最佳转换精度，最大限度地保证了数据的可靠性。
2.2.4 测控软件。本系统采用先进的VC++7.0进行软件的设计，采用先进的多线程编程技术，利用模块化设计方法，软件程序结构清晰，使用界面具有自动填入、人工修改编辑的功能，上手快，使用方便。数据库方面，我们采用的是ODBC法来访问Access数据库。
3 货车轮对自动检测技术展望
国内外的研究结果表明，现有的轮对自动检测技术基本上已经具备实际应用的条件，但是目前我国的检测系统大部分安装于列车通过速度较低的路段，并且受气候条件影响较小；而铁路重载货车具有速度高、环境恶劣等特点，还需对现有自动检测系统技术作进一步的深入研究，从而实现其广泛应用，消除安全隐患，杜绝由轮对故障导致的严重安全事故。
参考文献
[1] 黄曙光，黄海，吴乃优，敖银辉，高向东.铁路货车轮对自动检测系统的研制[J].机电工程技术，2002，（2）.
[2] 白福生.轮对自动检测机的研制及应用[J].机车车辆工艺，1997，（2）.
新型多通道智能电参数仪的研制 篇4
1 C8051F041的主要性能特点
C8051F041器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU, 具有32个数字I/O引脚, 片内集成了一个CAN2.0B控制器。具有以下主要特性。
(1) 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核 (可达25MIPS) ;
(2) 控制器局域网 (CAN2.0B) 控制器, 具有32个消息对象, 每个消息对象有其自己的标识;
(3) 全速、非侵入式的在系统调试接口 (片内) ;
(4) 真正12位、100ksps的ADC, 带PGA和8通道模拟多路开关;
(5) 允许高电压差分放大器输入到12位ADC (60V峰-峰值) , 增益可编程;
(6) 真正8位500ksps的ADC, 带PGA和8通道模拟多路开关;
(7) 2个12位DAC, 具有可编程数据更新方式;
(8) 64kB可在系统编程的FLASH存储器, 4352 (4k+256) 字节的片内RAM;
(9) 可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口;
(10) 硬件实现的SPI、SMBus/I2C和2个UART串行接口;
(11) 5个通用的16位定时器;
(12) 具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列;
(13) 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。
具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F041系列器件是真正能独立工作的片上系统, 所有模拟和数字外设均可由用户配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力, 可用于非易失性数据存储, 并允许现场更新8051固件。
2 多通道智能电参数仪的基本原理及组成
多通道智能电参数仪主要由工作电源部分、电流电压采样部分、信号调理部分、主机部分、显示部分、数据通讯部分组成。
多通道智能电参数仪的硬件组成如图1。
考虑到多通道智能电参数仪一般是安装在配电箱或配电柜等集中配电场合, 这种场合一般采用三相五线制供电, 因此设计时每相基本均匀的安排通道数, 每个通道单独设立1个电流采样, 电压采样共用, 每相安排1个电压采样。考虑到多通道智能电参数仪的使用不能影响原强电线路的使用, 也为了抗干扰的需要, 采用隔离采样;电流采样采用小型电流互感器, 单匝穿心安装;电压采样采用电流型微型电压互感器, 体积小、微功耗、便于PCB安装。
通道转换部分在软件控制下循环定位到某一通道, 该通道的电流电压采样经信号调理后同时送入C8051F041的2路模拟量输入通道, 由于C8051F041内部有可编程差分放大器, 软件可根据输入信号的大小来设定合适的增益。
C8051F041对2路信号同时高速采样和转换, 得到这个时间点上的电流I和电压U的瞬时值, 二者相乘并经数字调校参数修正后, 就得到了该用户的实时功率瞬时值;将固定时间段内的采样数据进行累加平均数字滤波后, 就得到电流、电压的有效值和有功功率的平均值, 再以这3个数据为基础, 可计算出视在功率、无功功率、功率因数、相位角等电参数;实时有功功率数据定时累加后就得到该用户的电能数。
本地显示部分包含以下部分, 分别是通道序号 (指示显示数据的通道) 、电流、电压、有功功率、视在功率、无功功率、功率因数、相位角、电量。
数据通讯功能是智能电参数仪的显著特点, 本设计数据通讯方式采用CAN现场总线方式, 通讯距离远、抗干扰强、组网方便是其最大优点;由于C8051F041芯片内置CAN2.0B控制器, 因此设计起来十分方便。
由于多个通道共用一个模数转换器, 某一时刻只能采样一个用户, 因此必须进行高速循环采样和高速模数转换, 而且还要进行快速计算, 解决好这些技术问题就是本型产品设计的关键所在。
软件设计采用模块化设计, 主要分为主程序模块、通道转换模块、数据采集模块、数据计算及校正模块、显示模块、通讯模块。
主程序在启动时经初始化后定位在T0中断服务程序, 通讯程序放在INT0外中断服务程序, 主程序流程如图2。
3 数字调校
多通道智能电参数仪作为一种数据测量产品, 各种测量数据的准确度还是要达到要求的, 虽然在不同的应用场合会有不同的要求, 但一般来讲达到2级精度是必要的。
传统的方法, 如果测量要达到一定的准确度, 一般会选择更高精度的传感元件, 如选择0.1级或0.2级的电流、电压传感器, 也会尽量选择角差比较小的;但这些高精度的互感器一般都比较贵, 导致产品成本下不来;理论上讲, 一个传感器只要能达到稳定性好和一致性好, 比差和角差, 甚至非线性误差, 都可以通过软件数字调校的方式使最终结果达到很高的准确度。本产品设计采用的就是成本极低的普通互感器, 经调校后在5%～120%的宽负载范围内都达到了1级以上的准确度。这也给出一个测量仪表设计的新思路, 在保证传感器稳定度和一致性的前提下, 可以选用低成本的传感器, 准确度要求达不到的时候, 可以通过无成本的数字调校方式来修正后达到高的准确度。
电流电压采样及数据转换部分存在一定的差异, 如果不进行调校是达不到准确度要求的。C8051F041芯片内含有64kB可在线擦写的FLASH存储器, 非常适合数字调校引入的调校参数的储存。
数字调校包含线性调校和相位调校, 硬件上设立2个调校按钮, 一个向上, 一个向下。
线性调校的原理是:引入一个2字节的调校参数与数据采集系统得到的数据相乘, 进行比例变换, 调试人员通过上下健改变调校参数的大小使仪表的显示值与标准表显示值误差最小。
相位调校的原理是引入一个1字节的相位调校参数, 对应电流电压采样时锁定模拟信号的延迟时间, 通过改变延迟时间来达到相位调校的目的。众所周知, 50Hz的交流电周期为20ms, 相位角与时间的对应关系如下式:
如果说电流传感器的角差是10′, 而电压传感器的角差是20′, 那么二次信号相位差为10′, 所以电流信号采样后延迟9.1μs再对电压信号采样, 就能消除由传感器角差而引起的误差。因此, 通过调整采样延迟时间, 就能使相位传感误差减到最小。
数字调校工作流程如图3。
4 数据通讯
数据远程通讯是智能电参数仪必不可少的功能, 但一般的电参数仪都没有数据接口, 有数据接口的一般也是采用RS232或RS485接口;但RS232通讯距离近, 不方便组网, RS485虽然通讯距离达到1.2km, 但抗干扰性能差, 都不能适用大规模组网数据传输的需要。
本型设计采用抗干扰能力极强的工业现场总线CAN总线, 通讯距离最远能达到10km, 而且布网没有严格的拓扑结构的要求, 非常适合于现场布线。
C8051F041内置CAN2.0B协议, 无需再外接CAN控制器芯片, 为了能多加入节点, 扩展了CAN专用驱动器芯片82C250。
5 结论