基于-USB電力諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、-. z基于USB的電力諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)摘要：電力是人們生活越來(lái)越不可缺少的一種能源，但是隨著非線性負(fù)載在電力系統(tǒng)中的增加，使得電力系統(tǒng)受到的諧波污染日趨嚴(yán)重。電力諧波帶來(lái)的危害，既影響電網(wǎng)中接連設(shè)備的壽命，也影響電網(wǎng)的自身平安。針對(duì)電力諧波進(jìn)展研究，找到防治方法是非常重要的，防治的首要前提就是及時(shí)正確的獲取諧波數(shù)據(jù)。 本文針對(duì)要獲取的電力諧波數(shù)據(jù)進(jìn)展了分析，提出了基于USB的數(shù)據(jù)采集方案，并比擬了基于傳統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)采集方式。隨后，對(duì)USB的體系構(gòu)造進(jìn)展了深入的分析，結(jié)合電力諧波數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)。其中，硬件局部完成了傳感器的選擇，A/D轉(zhuǎn)換器的選擇，并選擇了

2、Cypress公司的CY7C68013-56pin芯片為作為接口的核心芯片。在對(duì)上述傳感器和芯片作了詳細(xì)地介紹后，也給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)電路，包括A/D轉(zhuǎn)換器與接口芯片的連接設(shè)計(jì)，電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)等，并對(duì)電路的PCB制作提出了工藝要求。在軟件局部，詳細(xì)闡述了CY7C68013在固件控制下，進(jìn)展的數(shù)據(jù)采集和傳輸，文中還介紹了USB的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)過(guò)程，以及上位機(jī)管理程序的設(shè)計(jì)，最后，完成了一個(gè)用USB對(duì)電力諧波信號(hào)的進(jìn)展采集的完整系統(tǒng)。 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用USB總線技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸和保存數(shù)據(jù)的功能，并且使系統(tǒng)具有了即插即用的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:電力諧波，數(shù)據(jù)采集，USB，固件，驅(qū)動(dòng)程序

3、Power harmonic data acquisition systemBasedon USBAbstract: Electricity is an essential source of energy for peoples lives.With increase of the non-linear loads in power system,harmonics pollution of the power system is growing.Harm of power harmonics is very great.Not only affects the life of power

4、equipment in the grid,but also affects the grids own security.To study the power harmonic so as to find the way of control is very important.To get the data of harmonic is the primary prerequisite for prevention.Through analysis of the data acquisition,the program of data acquisition based on USB wa

5、s put forward in the paper,and pare with the traditional bus-based data acquisition program.Then,the architecture of the USB was deeply analysed.According as the features of power harmonic data acquisition,the detailed hardware and software design was introduced.In the hardware section,choice of sen

6、sor and A/D converter was introduced,and With the CY7C68013-56pin chip of Cypress pany as the core for the entire data acquisition system based on USB is designed.The sensor and chip were introduced detailed.Hardware design is pleted,including design of A/D converter and interface chip connection,an

7、d design of power conversion circuits,etc.The technology of PCB process was required.In the software part,the data collection and transmission were controlled by firmware in CY7C68013.The USB driver design process and the design of PC management procedures were introduced in the paper.Finally,the sy

8、stem of data acquisition based on USB was designed plete.The data acquisition system used the USB technology to acquire、transmit and save data have the attributes of plus-and-play.Key word: harmonics in power system,data acquisition,USB,firmware,driver program 1 序 言1.1 課題研究背景1.1.1 電力諧波 隨著社會(huì)的開(kāi)展進(jìn)步，電器設(shè)

9、備的大量應(yīng)用，人們生活的方方面面越來(lái)越離不開(kāi)電力能源，各種各樣的用電設(shè)備，方便了人們的生活和工作?，F(xiàn)代人們對(duì)電的依賴(lài)有增無(wú)減表現(xiàn)在科研、生產(chǎn)、交通、運(yùn)輸、生活、娛樂(lè)等等各個(gè)方面。隨著科技水平的進(jìn)步，人們對(duì)電力資源的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越透徹，從而發(fā)現(xiàn)了電力資源中存在著諧波現(xiàn)象，電力諧波對(duì)電力供給有著非常嚴(yán)重的影響。 研究說(shuō)明，非線性負(fù)載在使用中，由于其獲得的電流和電壓是一種非線性關(guān)系的，故可產(chǎn)生畸變的電流，畸變電流反響到電路回路中又會(huì)引起電壓的畸變。從而形成對(duì)電力系統(tǒng)的污染。 非線性負(fù)載包括各種各樣的電力電子裝置，如電弧類(lèi)設(shè)備，家用電器以及一些高新技術(shù)應(yīng)用的多種設(shè)備。這些類(lèi)型的設(shè)備就單個(gè)個(gè)體而言，所產(chǎn)生

10、的諧波不大。但隨著社會(huì)的開(kāi)展，這類(lèi)用電設(shè)備的大量增加，己經(jīng)構(gòu)成了一個(gè)產(chǎn)生電力諧波的群體，它們產(chǎn)生的諧波總和已經(jīng)不能再被忽略，而成為了電力系統(tǒng)諧波的一個(gè)主要來(lái)源。 世界各國(guó)的電力開(kāi)展過(guò)程也說(shuō)明了這一點(diǎn)，美國(guó)在上世紀(jì)九十年代中后期非線性負(fù)載比1992年上升了4污倍。而英國(guó)從六十年代電子技術(shù)快速開(kāi)展開(kāi)場(chǎng)，假設(shè)不對(duì)諧波加以有效的控制，到八十年代末，英國(guó)的電力系統(tǒng)供電電壓畸變率可能高達(dá)100k。在電子領(lǐng)域飛速開(kāi)展的日本也面臨著同樣的問(wèn)題，就其換流裝置一種設(shè)備而言，從1990年到2000年的十年間，假設(shè)不加以控制，估計(jì)產(chǎn)生的諧波量和電力系統(tǒng)容量的比例能上升2倍左右。隨著非線性負(fù)載的快速增加，諧波對(duì)電力系統(tǒng)

11、的污染也日趨嚴(yán)重。而諧波的存在對(duì)于用電設(shè)備而言，存在著不同程度的影響和危害。例如，電機(jī)受諧波的影響，傳輸效率降低，功率損耗加大，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲，甚至由于克制無(wú)用功而要提高功率，導(dǎo)致大量的熱的產(chǎn)生，使電機(jī)使用壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)直接損毀設(shè)備;對(duì)于繼電器和自動(dòng)控制設(shè)備來(lái)說(shuō)，諧波可能會(huì)造成信號(hào)識(shí)別錯(cuò)誤，而產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作，直接造成控制失誤，也會(huì)帶來(lái)的危害;對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)備來(lái)說(shuō)，諧波會(huì)使傳輸信號(hào)的誤碼率增加，嚴(yán)重時(shí)可能直接淹沒(méi)信號(hào)，使信號(hào)根本無(wú)法識(shí)別;對(duì)于一些精細(xì)的儀器儀表等設(shè)備而言，諧波會(huì)使測(cè)量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的偏差，而直接影響到測(cè)量的結(jié)果。此外用電設(shè)備長(zhǎng)期存在嚴(yán)重的諧波的環(huán)境下工作，設(shè)備的使用壽命

12、也會(huì)受到很大影響的。電力諧波的存在就是對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的污染。 諧波的存在的一個(gè)問(wèn)題是影響了設(shè)備的正常工作，降低了電器設(shè)備的使用壽命，為了在這個(gè)環(huán)境下能夠正常的工作，就要在研制生產(chǎn)帶過(guò)程中做很多額外的工作，使設(shè)備提高對(duì)諧波的承受能力，當(dāng)然這些都是以增加額外成木為代價(jià)的。同時(shí)，諧波的存在，大大增加了能耗，造成電力資源的浪費(fèi)，也不符合現(xiàn)在提倡的低碳生活的要求，加之諧波分布圍廣，可以在整個(gè)電網(wǎng)中傳播，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)直接造成人身的傷害和財(cái)產(chǎn)損失。所以，整治電力諧波的任務(wù)已經(jīng)是迫在眉睫，去除電力污染，是一件利國(guó)利民的好事。 要想治理電力諧波，對(duì)電力諧波污染進(jìn)展控制，則它的前提就是對(duì)電力諧波的準(zhǔn)確測(cè)量。電力系統(tǒng)中的

13、負(fù)載分為兩類(lèi)，一類(lèi)是線性負(fù)載，另一類(lèi)是非線性負(fù)載。在電力供給中，非線性負(fù)載的接入，破壞了電壓和電流的線性關(guān)系，產(chǎn)生了與供電基波頻率有著倍頻關(guān)系的諧波，并會(huì)把產(chǎn)生的諧波回送到電力供給網(wǎng)中。而在含有諧波的電力供給中，線性負(fù)載吸收的能量就包括基波和諧波提供的能量，而基波提供的是有用功，諧波提供的不僅是無(wú)用功，而且還可能會(huì)造成危害。但是，現(xiàn)在的用電計(jì)量設(shè)備只是對(duì)簡(jiǎn)單的功耗進(jìn)展計(jì)量，也就是說(shuō)，它計(jì)量的是基波能量與諧波能量之和。因此也就造成了這樣一種現(xiàn)象，非線性負(fù)載吸收基波，產(chǎn)生了一定量的諧波，在計(jì)量時(shí)，總的功耗量是吸收的基波能量減去產(chǎn)生的諧波能量。而線性負(fù)載消耗的能量則是基波能量加上無(wú)用的甚至是有危害的

14、諧波能量。這樣的計(jì)量結(jié)果使產(chǎn)生了污染的非線性負(fù)載不僅不用為產(chǎn)生了諧波負(fù)責(zé)任，而且還可以頂?shù)艟植空５哪芰肯?，降低了其真正的使用本錢(qián)。而線性負(fù)載，則不僅要為自己的正常消耗埋單，而且要為自身受到的諧波污染埋單。這是一種非常不合理的現(xiàn)象。 要克制這種不合理的現(xiàn)象，就需要從電力測(cè)量這個(gè)根本入手，也就是在測(cè)量時(shí)，不僅能計(jì)量基波的能量，而且對(duì)諧波也能進(jìn)展全面的監(jiān)測(cè)。這就要求全面準(zhǔn)確的取樣電壓電流數(shù)據(jù)，進(jìn)展諧波的分析計(jì)算，從而準(zhǔn)確掌握諧波能量的吸收及產(chǎn)生情況，了解諧波含有率等有關(guān)數(shù)據(jù)，全面監(jiān)測(cè)電力質(zhì)量，并可以以此為依據(jù)進(jìn)展合理的收費(fèi)，同時(shí)也可以采取相應(yīng)的抑制手段，以減少電網(wǎng)中的諧波成分。1.1.2 數(shù)據(jù)采

15、集計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開(kāi)展，使得計(jì)算機(jī)進(jìn)入了越來(lái)越多的行業(yè)，計(jì)算機(jī)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用就要求計(jì)算機(jī)要獲取各種應(yīng)用環(huán)境或?qū)ο蟮南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，然后才能進(jìn)展分析和處理。數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集就是把待處理的物理信息通過(guò)相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)變換，傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)展存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)換、顯示的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集是計(jì)算機(jī)獲取信息的重要手段，能完成上述過(guò)程的系統(tǒng)，稱(chēng)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)覆蓋了多個(gè)領(lǐng)域，因此采樣的信號(hào)也是多種多樣，采集系統(tǒng)要根據(jù)信號(hào)的不同類(lèi)型選擇適宜的傳感器、轉(zhuǎn)換電路，把采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能正確識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)。在采集過(guò)程中為了保持信號(hào)的有用信息，需要對(duì)

16、采集速度和精度等指標(biāo)做出要求，只有符合計(jì)算機(jī)才能正確的做出分析和處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就其應(yīng)用領(lǐng)域，多是實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的處理和實(shí)時(shí)的控制傳輸是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性，就要求電路處理速度符合要求。另外準(zhǔn)確、方便、平安和低本錢(qián)也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)就注意的要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以以板卡形式集成在計(jì)算機(jī)主機(jī)箱，也可以利用計(jì)算機(jī)通用接口外接處理電路。機(jī)箱置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，曾經(jīng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主流，因?yàn)楫?dāng)時(shí)微機(jī)上配置的是RS-232或RS-485串口，由于其傳輸速率較低，常常會(huì)使數(shù)據(jù)吞吐量受到限制，所以只有在信號(hào)取樣頻率不高的場(chǎng)合才使用。 因?yàn)樗俾时扰渲玫拇谒俣纫咭恍?，早期機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多

17、使用ISA插槽。ISA插槽是基于ISA總線(Industrial standardArchitecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造總線)的擴(kuò)展插槽。其工作頻率為SMHZ左右，最大的傳輸速率可以到達(dá)16MBPs，數(shù)據(jù)總線為16位，曾經(jīng)是微機(jī)的主流配置，但是由于ISA總線占用的CPU資源太高，總線帶寬相對(duì)所使用資源的占用率又太低，使用本錢(qián)過(guò)高。所以，ISA逐漸被淘汰，現(xiàn)在的微機(jī)主流配置中已經(jīng)沒(méi)有了IsA的身影。取而代之的是PCI總線。PCI總線(PeripheralponentInterconnect，外設(shè)組件互連)總線是目前數(shù)據(jù)采集機(jī)系統(tǒng)主要使用的接口。其工作頻率早期為33MHZ，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的主頻提高

18、，PCI的總線頻率也提升到了66MHZ，數(shù)據(jù)總線為32位。 1993年又出現(xiàn)了與之標(biāo)準(zhǔn)一樣，數(shù)據(jù)位數(shù)增加到64位的PCI-*總線。數(shù)據(jù)帶寬得到了很大的提高。目前，PCI技術(shù)還在不斷的開(kāi)展，新的 PCIE*press已經(jīng)應(yīng)用到微機(jī)當(dāng)中。與ISA總線相比，PCI總線是與系統(tǒng)總線并行的總線，其上連接的設(shè)備進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不需要CPU的介入，極大的提高了CPU的利用率。加之具有總線構(gòu)造簡(jiǎn)單，成木低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使其應(yīng)用圍廣泛。但是PCI總線并行總線無(wú)法連接太多設(shè)備，總線擴(kuò)展性較差，加之位于機(jī)箱，具有線間干擾可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)常工作的缺點(diǎn)，也使得PCI總線在一定場(chǎng)合使用受到了限制。 利用計(jì)算機(jī)配置的標(biāo)

19、準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)采集電路連接通信，是現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)趨勢(shì)，主要是利用USB(UniversalserialBus)接口和IEEE1394接口等。與機(jī)箱安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比通過(guò)接口連接的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。其一，由于系統(tǒng)沒(méi)有安裝到機(jī)箱，所以不會(huì)受到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)部信號(hào)干擾，也減小了相互干擾，對(duì)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有很大的好處;其二，由于所使用的接口均具有即插即用功能，所以，采集電路安裝方便;其三，開(kāi)發(fā)的采集板卡，一般面積較小，容易封裝，所以增加了采集電路的可移動(dòng)性，無(wú)需整機(jī)搬運(yùn)，只需要攜帶采集電路及相應(yīng)軟件即可。此外還有本錢(qián)低，采集效果好，靈活實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置中的接口，除了專(zhuān)用接口外(如

20、PSZ)，通用的接口主要是并行口、USB接口、RS-232接口、RS-485接口和正EE1394接口。并行口即 IEEE1284接口，也叫centronies接口，最大的傳輸速率是2MBPs，但連接電纜的長(zhǎng)度不能超過(guò)2米，也不支持熱插拔2。 IEEE1394接口也叫火線支持外設(shè)熱插拔，也可以為連接的外設(shè)供電，在這方面和USB接口一樣。它有兩種工作模式，BackPlan模式傳輸速率分別為12.5Mbps、25Mbps和50Mbps;在Cable模式下，速度更高，分別為100Mbps、200Mbps和400Mbps，甚至可用于傳輸未經(jīng)壓縮的高質(zhì)量數(shù)據(jù)電影。其支持連接的電纜最大長(zhǎng)度是4.5米。雖然I

21、EEE1394接口有諸多好處，但是，現(xiàn)在絕大多數(shù)主流的計(jì)算機(jī)沒(méi)有配置IEEE1394接口，要使用該接口必須外購(gòu)相應(yīng)的接口卡。 USB(通用串行總線)接口在近年來(lái)得到了廣泛地應(yīng)用。很多原先使用其它接口的計(jì)算機(jī)外設(shè)，現(xiàn)在都在使用USB接口。USB接口支持熱插拔，可以通過(guò)接口向外部設(shè)備提供電源，而且支持多個(gè)外設(shè)的連接，使用菊花鏈?zhǔn)竭B接，最多可以接127個(gè)外設(shè)，并且不會(huì)損失帶寬。目前常用的USB2.0接口支持的最大傳輸速率是480Mbps。隨著高版本的USB接口的開(kāi)發(fā)，在保持了對(duì)低版本兼容的同時(shí)，最大傳輸速率可以到達(dá)5GbPs。隨著計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用，與其配套的硬件設(shè)備飛速開(kāi)展，外設(shè)數(shù)量種類(lèi)急劇增加，使外

22、設(shè)接入計(jì)算機(jī)產(chǎn)生了一系列問(wèn)題，而使用USB接口成為解決之道，USB接口現(xiàn)在成為了計(jì)算機(jī)外設(shè)連接的標(biāo)準(zhǔn)化、單一化的接口，并且得到了主要的計(jì)算機(jī)生產(chǎn)商和軟件開(kāi)發(fā)商的支持。與正 EE1394接口相比，其普及率大大超過(guò)了IEEE1394接口。本課題在開(kāi)發(fā)，也選擇使用更為普及的USB接口對(duì)采集的電力諧波數(shù)據(jù)進(jìn)展傳輸。1.2 課題研究的現(xiàn)狀及意義 電力諧波的問(wèn)題，最早是德國(guó)在上個(gè)世紀(jì)二十年代發(fā)現(xiàn)的，隨后對(duì)此進(jìn)展了大量的研究，也發(fā)表了許多的文章，但是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起很大的關(guān)注。主要原因是，當(dāng)時(shí)用電設(shè)備本身數(shù)量有限，而能引起諧波的非線性負(fù)載設(shè)備數(shù)量更少，其產(chǎn)生的諧波相對(duì)于電網(wǎng)容量而言，所占的比例非常低，對(duì)電網(wǎng)的

23、影響也非常有限，故爾沒(méi)有引起廣泛的注意。但隨著社會(huì)的進(jìn)步，在工業(yè)興旺的國(guó)家電力工業(yè)高速開(kāi)展，使用的電器設(shè)備從種類(lèi)到數(shù)量呈爆炸性的超前增漲，其中非線性負(fù)載的也隨之大量增加，其結(jié)果是造成電網(wǎng)諧波所占成分快速增加，由此引起的危害和造成的損失越來(lái)越多，引起了工業(yè)興旺國(guó)家的高度重視，開(kāi)場(chǎng)了對(duì)電力諧波的研究，并從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上采取手段限制電力網(wǎng)中的諧波成分，并制定公布了電力系統(tǒng)諧波限制標(biāo)準(zhǔn)3。我們國(guó)家對(duì)電力諧波的研究起步稍晚，但重視程度高，幾乎在所有涉及電力電子應(yīng)用的工業(yè)部門(mén)中，都有把諧波干擾及其分析處理作為重要技術(shù)課題進(jìn)展研究的。我國(guó)政府也非常重視電力諧波的控制，在1984年由水利電力部公布了SD126-

24、84電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定，之后在結(jié)合國(guó)情，吸取國(guó)外諧波標(biāo)準(zhǔn)研究成果的根底上，又于1993年由能源部組織制定并經(jīng)國(guó)家技術(shù)監(jiān)視局批準(zhǔn)發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了電網(wǎng)的諧波允許量，以保證用電的質(zhì)量及電網(wǎng)的平安。到目前為止，研究電力諧波的時(shí)間也不算短了，技術(shù)手段在不斷加強(qiáng)。從開(kāi)場(chǎng)的手工測(cè)量計(jì)算，到后來(lái)的使用計(jì)算機(jī)進(jìn)展分析。早期在計(jì)算機(jī)上采用的是置的數(shù)據(jù)采集板卡，對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)展采集，這類(lèi)設(shè)備，缺乏靈活性，而且當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)價(jià)格較高，造成整個(gè)系統(tǒng)本錢(qián)過(guò)大。為解決這些問(wèn)題，又開(kāi)發(fā)出多種嵌入了微處理芯片的諧波測(cè)量?jī)x器，其特點(diǎn)是體積小，可以手持，有一定的存儲(chǔ)能力

25、，可以記錄測(cè)量的多個(gè)參數(shù)，并可以安指定的計(jì)算方式，進(jìn)展電力諧波的一些固定方式的分析計(jì)算。這一類(lèi)設(shè)備，國(guó)外的產(chǎn)品遵守的是其本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)專(zhuān)為我國(guó)生產(chǎn)，則價(jià)格又相當(dāng)昂貴。國(guó)的產(chǎn)品在價(jià)格上有優(yōu)勢(shì)，但性能上與國(guó)外有一定差距。而且這類(lèi)設(shè)備均保存有與計(jì)算機(jī)的接口，對(duì)于進(jìn)一步的分析運(yùn)算還需要把數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)來(lái)完成數(shù)據(jù)的處理。再者，手持式的設(shè)備只是對(duì)一個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，要實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，還是采用計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更方便。 另外，目前的電力系統(tǒng)諧波治理，是以防為主，以治為輔，多是被動(dòng)的采用加濾波器或分開(kāi)輸電線等方式，這樣的治理能起到一定的作用，但缺乏針對(duì)性。我們相信，隨著人們對(duì)諧波的研究日漸深入，會(huì)

26、針對(duì)不同的諧波類(lèi)型，采取更有效的針對(duì)性的措施進(jìn)展治理，而這種識(shí)別和治理的主角還是計(jì)算機(jī)，前提條件是計(jì)算機(jī)能獲得電網(wǎng)當(dāng)中電壓、電流的有效數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)本身性能的不斷提高，運(yùn)算處理速度越來(lái)越快，己經(jīng)可以滿(mǎn)足一定條件下的諧波實(shí)時(shí)處理要求，利用計(jì)算機(jī)的自身優(yōu)勢(shì)，我們可以對(duì)諧波數(shù)據(jù)大量的采集、存儲(chǔ)，以利于進(jìn)展分析研究，比方可以對(duì)多種諧波數(shù)據(jù)分析方式進(jìn)展研究，從中找出最好最適合當(dāng)前電網(wǎng)的分析方法。此外，現(xiàn)在配置了USB接口的計(jì)算機(jī)體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越低，相對(duì)于基于微處理機(jī)的專(zhuān)業(yè)工具，本錢(qián)和性能上反而更有優(yōu)勢(shì)。2 電力諧波的數(shù)據(jù)采集技術(shù)及USB2.1電力諧波的概述諧波是電力系統(tǒng)的波形畸變，在我國(guó)的供電

27、系統(tǒng)中，規(guī)定的交流電壓和交電流的頻率是50HZ，根本波形是標(biāo)準(zhǔn)的余弦波形，標(biāo)準(zhǔn)的電壓表達(dá)式是:u(t)=2Ucos(2f+)其中，U-表示供電電壓的有效值，在用戶(hù)用電系統(tǒng)中是220伏; a-表示初相角，在三相電力系統(tǒng)中，其相互間的差值是120; f-表示頻率，在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的根本頻率是50HZ。假設(shè)電壓不是上述波形，而是畸變的周期性波形，則可以看成是基于上述標(biāo)準(zhǔn)的基波與頻率假設(shè)干倍于基波的各個(gè)余弦波疊加的結(jié)果。其中是基波頻率假設(shè)干倍的電量，就是相應(yīng)倍數(shù)次諧波。例如，是基波頻率3倍的波稱(chēng)為三次諧波，另外，如果是基波頻率的奇數(shù)倍，稱(chēng)為奇次諧波。偶數(shù)倍的稱(chēng)為偶次諧波。根據(jù)國(guó)家 GB/T14549-93電

28、能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓限值要求，需要知道電路的標(biāo)稱(chēng)電壓，得到電壓的總諧波畸變率及各次諧波電壓含有率。要得到以上的值，需要測(cè)量出電路的電壓數(shù)據(jù)，再對(duì)周期性的非余弦電壓進(jìn)展傅立葉級(jí)數(shù)分解，計(jì)算出所要求的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率。標(biāo)準(zhǔn)同樣對(duì)公共連接點(diǎn)允許注入的諧波電流值也做了規(guī)定，分析電流的情況，同樣也需要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)展采集，然后進(jìn)展傅立葉級(jí)數(shù)分解，以便于檢測(cè)各次諧波量，判斷是否符合規(guī)定。綜上所述，可以看出，對(duì)諧波的分析就是要獲得電壓電流的準(zhǔn)確信號(hào)，才能正確分解為所要研究的各次諧波，從而考察諧波相應(yīng)的指標(biāo)。諧波的產(chǎn)生與功率轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)相關(guān)，脈沖數(shù)越高，諧波分量的

29、頻率次數(shù)就越高，而一般的功率消耗設(shè)備，其脈沖數(shù)都不是很高，且隨著諧波分解的次數(shù)增高，諧波分量的振幅值越來(lái)越小，其在總電量中所占的成份也越來(lái)越小，當(dāng)諧波次數(shù)高到一定值時(shí)，它的振幅值己經(jīng)非常小了，可以忽略它的存在，這并不會(huì)影響到分析的結(jié)果。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的值，正確分析出25次諧波即可，但為了以后的開(kāi)展要求，本課題將以分析50次諧波作為標(biāo)準(zhǔn)。2.2 數(shù)據(jù)采集概述一般的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由傳感器、調(diào)整電路、接口電路和裝有相關(guān)軟件的計(jì)算機(jī)組成，其構(gòu)造關(guān)系如圖1所示。圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 傳感器主要負(fù)責(zé)把要觀察和測(cè)量的物理信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，或者說(shuō)是感應(yīng)物理現(xiàn)象并生成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測(cè)量的信號(hào)。直

30、接轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)是和它所檢測(cè)的物理量呈比例的模擬信號(hào)，不能直接被計(jì)算機(jī)使用，并且?guī)ж?fù)載能力差，這些問(wèn)題都需要調(diào)理電路進(jìn)展適當(dāng)?shù)奶幚怼?調(diào)理電路為配合數(shù)據(jù)采集信號(hào)的輸入要求，由傳感器直接得到的電信號(hào)必須經(jīng)過(guò)處理，其主要作用是對(duì)低電壓信號(hào)進(jìn)展了放大，并對(duì)無(wú)用信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)展隔離和濾波。此外，一些傳感器需要加電才能進(jìn)展正常工作，調(diào)理電路也要為其提供適宜的電源。 調(diào)理電路中一般都有放大電路，放大電路的主要作用是為了從小信號(hào)獲得更高的信號(hào)分辨率，同時(shí)還要讓放大后的信號(hào)匹配后續(xù)電路要求的最大輸入電壓圍或模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的最大輸入圍。 此外，隔離也是調(diào)理電路的主要責(zé)任，其目的是為了把傳感器的信號(hào)和計(jì)算機(jī)進(jìn)展

31、隔離，以防止外部電路產(chǎn)生有害信號(hào)，造成對(duì)計(jì)算機(jī)的損壞。比方，在電路中，如果數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號(hào)使用不同的參考地線，而一旦這兩個(gè)參考地線有電勢(shì)差，就有可能產(chǎn)生接地回路，這樣會(huì)造成采集的信號(hào)不準(zhǔn)確；如果兩個(gè)地線的電勢(shì)差太大，會(huì)直接造成對(duì)測(cè)量系統(tǒng)危害。 調(diào)理電路局部在需要時(shí)還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。所謂多路復(fù)用，就是使用單個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量多個(gè)信號(hào)的技術(shù)，調(diào)理電路對(duì)于一些相對(duì)于系統(tǒng)速度變化較慢的信號(hào)，可以使用多路復(fù)用，即模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集了一個(gè)通道的信號(hào)后，再轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道進(jìn)展采集，如此往復(fù)下去。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路假設(shè)進(jìn)展多通道數(shù)據(jù)采集，則每個(gè)通道的有效采樣速率和采樣的通道數(shù)呈反比4。 調(diào)理電路還是具有

32、濾波功能的電路、產(chǎn)生傳感器鼓勵(lì)的電路和具有線性化功能的電路等。在設(shè)計(jì)調(diào)理電路時(shí)，要了解測(cè)量的信號(hào)特性、前后電路的輸出輸入圍(用于測(cè)量信號(hào)的配置調(diào)整)和系統(tǒng)使用的周邊環(huán)境，根據(jù)這些信息，才能確定是否使用調(diào)理電路，及實(shí)現(xiàn)那些功能。 經(jīng)過(guò)調(diào)理的模擬信號(hào)在進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路時(shí)，我們要關(guān)心的是所來(lái)信號(hào)的通道情況，保持信號(hào)滿(mǎn)足分析處理要求的采樣速率、分辨率和輸入電壓圍等方面的情況。這些指標(biāo)在模數(shù)轉(zhuǎn)換是都要加以考慮，其主要原因是信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)有損失，對(duì)上述指標(biāo)的考慮，可以把這種損失控制在合理的圍，這樣就不會(huì)影響到后期的分析處理。 數(shù)據(jù)采集的通道分為單端輸入通道和差分輸入通道兩種。單端輸入中，輸入信號(hào)均以共

33、同的地線為基準(zhǔn)。這種方法主要用于輸入信號(hào)電壓較高(高于1V)，信號(hào)源到模擬輸入硬件的導(dǎo)線較短(小于5米)，且所有的輸入信號(hào)共用一個(gè)基準(zhǔn)地線。如果信號(hào)達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該使用差分輸入。差分輸入中，每一個(gè)輸入信號(hào)都有自己的基準(zhǔn)地線，可以減小共模噪聲，從而減小因噪聲引起的誤差。 采樣速率就是每秒種進(jìn)展模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。采樣速率越高，越能真實(shí)的反映原始信號(hào)，但過(guò)高的采樣速率也會(huì)造成浪費(fèi)，會(huì)使性?xún)r(jià)比降低。采樣速率越高，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也越大，對(duì)信號(hào)的描述越仔細(xì)，但是對(duì)于一些信號(hào)而言，以一定的采樣頻率采樣后，其數(shù)據(jù)已經(jīng)滿(mǎn)足了我們對(duì)信號(hào)分析的要求，如果再提高采樣速率，對(duì)信號(hào)的描述也不會(huì)有顯著的提高，所以選取適宜

34、的采樣速率是一種既經(jīng)濟(jì)又不會(huì)影響到分析結(jié)果的好方法。適宜的采樣速率是多少，可以應(yīng)用奈奎斯特采樣定理方便的求出。 奈奎斯特采樣定理告訴我們?cè)诶硐肭闆r下，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，采樣頻率只要是信號(hào)最高頻率的二倍，就能夠保證經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)保存著相應(yīng)頻率完整的原始信息。 在電力諧波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，我們要研究的最高頻率的諧波信號(hào)是50次諧波，其頻率是2500HZ，要對(duì)其進(jìn)展正確取樣，保證原始信號(hào)的信息，按照奈奎斯特采樣定理，取樣頻率應(yīng)保持在5000HZ以上。奈奎斯特定理是一種理想的采樣定理，是在完全沒(méi)有噪聲干擾情況下的理論值，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往要保持理想采樣信號(hào)最高頻率的35倍。采樣信號(hào)的分辨率也

35、關(guān)系到信號(hào)對(duì)原始信息的保存情況，所謂分辨率是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來(lái)表示模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)的位數(shù)。用來(lái)表示數(shù)字信號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)越多，分辨率越高，信號(hào)圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越大，所以能探測(cè)到的電壓變化情況就越細(xì)微。比方一個(gè)振幅為10的正弦波電流，用一個(gè)理想的3位模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，獲得相應(yīng)的數(shù)字圖像如圖2所示，一個(gè)3位變換器可以把模擬圍劃分為23個(gè)區(qū)間，即8個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間都由000到111八個(gè)二進(jìn)制數(shù)中的一個(gè)來(lái)表示。從圖中可以明顯的看出，數(shù)字表示的階梯圖形與原始信號(hào)有著明顯的不同，這些不同就是由于模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，數(shù)字信號(hào)喪失了局部信息造成的。顯然分辨率越高，分區(qū)越多，數(shù)字化后的階梯圖形越接近原始波形。比方分辨率

36、增加到16位時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼數(shù)從8增加到216(65536)個(gè)，在取值圍，數(shù)據(jù)描述更加精細(xì)。由此可見(jiàn)，在恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)模擬輸入電路其它局部的情況下，提高分辨率可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)展更加準(zhǔn)確的數(shù)字化。 圖2 波形數(shù)字化信號(hào)比照例如編碼寬度在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中反映了最小可探測(cè)的電壓變化，其定義是數(shù)字化后，數(shù)據(jù)最低位有效位1(LSB)代表的電壓變化圍，從定義可知，用電壓圍除以增益和2的分辨率次冪的乘積來(lái)進(jìn)展計(jì)算。對(duì)于數(shù)據(jù)采集硬件而言，在設(shè)計(jì)和使用時(shí)還要考慮微分非線性度(DNL)、相對(duì)精度、所用放大電路的穩(wěn)定時(shí)間和噪聲等參數(shù)，這些都可能對(duì)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要注意技術(shù)規(guī)，不能只參考分辨率等幾個(gè)

37、指標(biāo)，而應(yīng)該全面考慮，這樣才能確保所采集的數(shù)據(jù)有足夠的精度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)從本錢(qián)上講，更多使用的是微機(jī)，它的性能和連接總線有可能直接影響數(shù)據(jù)連續(xù)采集的速度?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的高端微機(jī)大多可以集成PCIPCIE*press、P*IpactPCI和IEEE 1394總線，并保存了傳統(tǒng)的USB、RS-232或RS-485總線接口，所以對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總線的選擇是非常靈活的。使用RS-232或RS-485串口，數(shù)據(jù)采集的吞吐量會(huì)受到一定的限制，在采集速率要求較高時(shí)，就不能滿(mǎn)足需要了。數(shù)據(jù)采集的總線在選擇時(shí)，要考慮各類(lèi)總線所能支持的數(shù)據(jù)傳輸方式，進(jìn)展合理的選擇。計(jì)算機(jī)現(xiàn)在都有可編程IO傳送、中斷

38、傳送及DMA傳送方式。傳送方式的不同會(huì)影響數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐量，其中DMA方式具有更高的數(shù)據(jù)吞吐量，原因是其使用專(zhuān)門(mén)的硬件把數(shù)據(jù)直接傳送到計(jì)算機(jī)存，處理器不參加數(shù)據(jù)傳送的控制，可以并行地進(jìn)展自己的任務(wù)處理。選定使用*一類(lèi)傳送方式，必須使用支持這類(lèi)傳送的設(shè)備。例如，PCI和USB設(shè)備可以支持DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA設(shè)備只支持中斷傳送方式。對(duì)于計(jì)算機(jī)的選擇可以根據(jù)使用情況來(lái)確定，要實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，要選用高速的處理器或?qū)Ｓ玫牟迦胧教幚砥?，如?shù)字信號(hào)處理(DSP)板卡，而對(duì)于只采集或簡(jiǎn)單換算處理的數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，則選用一般微機(jī)就可以滿(mǎn)足。當(dāng)然，在選擇計(jì)算機(jī)時(shí)，滿(mǎn)足當(dāng)前目標(biāo)的同時(shí)，還應(yīng)

39、該考慮投資的長(zhǎng)期回報(bào)。軟件在數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，起著非常重要的作用，它負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)采集硬件和計(jì)算機(jī)結(jié)合成一個(gè)完整的系統(tǒng)，并控制完成數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示等任務(wù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能和軟件有著重要的關(guān)系，好的軟件可以和硬件很好的結(jié)合，使系統(tǒng)具有靈活性和高性能。在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，選擇適宜的開(kāi)發(fā)工具，可以到達(dá)事半功倍的效果，極降低開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集程序所需要的時(shí)間及本錢(qián)。2.3 USB接口概述USB(Universal Serial Bus)的出現(xiàn)為解決過(guò)去的遺留問(wèn)題找到了答案，很多人都經(jīng)歷過(guò)這樣的失敗，在安裝了調(diào)制解調(diào)器、打印機(jī)、掃描儀等計(jì)算機(jī)外設(shè)后，它們卻不能正常工作。更糟的是用戶(hù)不知道從哪下手解決問(wèn)題，為此我們不得

40、不為等待幫助而擔(dān)擱數(shù)小時(shí)。由于得到了大多數(shù)廠商的支持，USB成為了上述問(wèn)題的解決方案。對(duì)于一般用戶(hù)而言，它使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接外部設(shè)備變得更為方便和容易了。USB的應(yīng)用圍非常廣泛，可以用于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，也可以用于有嵌入式處理芯片的電器設(shè)備上。2.3.1 USB的特點(diǎn)USB提供了最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)外設(shè)連接方式。使用了USB，用戶(hù)無(wú)需再為鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的連接是否正確而操心了。不管是連接顯示器、打印機(jī)，還是連接大容量磁盤(pán)存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器，只需要使用USB一種電纜就可以了。用戶(hù)再也不用考慮連接的端口是串口還是并口;因?yàn)槭褂昧薝SB接口，計(jì)算機(jī)也就不會(huì)再有DIP開(kāi)關(guān)、跳線、IRQ沖突和DMA沖突。USB使用戶(hù)可以在PC啟

41、動(dòng)和運(yùn)行時(shí)進(jìn)展外部設(shè)備的連接和斷開(kāi)，真正實(shí)現(xiàn)了即插即用。由于各種外設(shè)都可以使用USB接口進(jìn)展連接，而且連接方式非常簡(jiǎn)單，原先一般用戶(hù)很難完成連接的外設(shè)現(xiàn)在可以方便的接在計(jì)算機(jī)上了。USB的特點(diǎn)是傳輸功能非常全面，既支持非時(shí)實(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，如文檔、電子和圖像;同時(shí)也支持時(shí)實(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，如音頻、語(yǔ)音及壓縮視頻。USB的另外一個(gè)特點(diǎn)是本錢(qián)低廉，12Mbps高速傳輸和 1.5Mbps的低速數(shù)據(jù)傳輸使用的電纜設(shè)備都是一樣的，價(jià)格低廉。此外，鼠標(biāo)和鍵盤(pán)這樣的低速設(shè)備不需要全速的12Mbps帶寬，這樣的低速設(shè)備可以共用帶寬，從設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化和USB的易用性中獲得好處。2.3.2 USB硬件眾所周知，USB的

42、拓?fù)錁?gòu)造是多級(jí)星型構(gòu)造，中心結(jié)點(diǎn)是主控制器，USB主控制器一般集成在計(jì)算機(jī)主板上的主芯片群中。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB系統(tǒng)中，只有一個(gè)主控制器控制全部系統(tǒng)，主控制器負(fù)責(zé)處理各種外設(shè)的數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸。如果主控制器正忙，所有外設(shè)必須等到主控制器空閑是，然后再建立新的通信傳輸。外設(shè)可以直接連接到主控制器端口，更多的情況下，是使用USB集線器(Hub)直接連接到主控制器端口，這樣可以連接更多的外設(shè)。利用Hub連接主USB端口可以為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供更多的USB端口。外設(shè)或Hub可以連接到已經(jīng)與主控制器連接的HUB上，構(gòu)成多級(jí)星型構(gòu)造。如圖3所示。由于HUB能連接下一級(jí)的HUB，所以可以建立外設(shè)的多級(jí)星型拓?fù)?/p>

43、構(gòu)造。USB的集線器有兩個(gè)主要功能，即控制器和中繼器。作為中繼器使用時(shí)，把信息包上傳到連接的上一級(jí)主控制器(或上一級(jí)HUB)，或者下傳到所接的下一級(jí)外設(shè)。 USBhubs歸結(jié)為兩類(lèi)，即獨(dú)立型和復(fù)合型。獨(dú)立集線器通常只有上行和下行端口(上行即數(shù)據(jù)從外設(shè)傳送到主機(jī)，下行傳輸方向相反)，而復(fù)合型則是除了具有集線器的功能外，還具有其它的外設(shè)功能，像顯示器和鍵盤(pán)這樣的HUB設(shè)備。圖3 USB拓?fù)錁?gòu)造星型構(gòu)造的末端節(jié)點(diǎn)一定是外設(shè)，外設(shè)可以是具有單一功能的，也可以是具有多種功能的設(shè)備，多種功能的外設(shè)是與復(fù)合型HUB完全不同的復(fù)合型設(shè)備。此外，外設(shè)一般可以歸類(lèi)為具有12Mbps速率的全速設(shè)備和具有1.5Mbp

44、s的低速設(shè)備。USB的出現(xiàn)帶來(lái)的一個(gè)重要成果是它使連接變得簡(jiǎn)單了。對(duì)于USB的HUB和外設(shè)來(lái)說(shuō)，連接接口只有兩種類(lèi)型。所以用戶(hù)根木不可能把不配套的接口連接在一起。連接主機(jī)或上端HUB的連接頭叫做A型連接器，它的形狀是長(zhǎng)方形式的。圖4 USB接頭外形圖連接外設(shè)或下端HUB的連接頭叫做B型連接器，它的形狀稍方一些，并且有兩個(gè)角是弧型的，型兩種連接口以方便接頭的連接定位。主機(jī)只支持A型的連接，而HUB則有A型和B。對(duì)于多級(jí)星型拓?fù)錁?gòu)造，A型連接器都連接在主機(jī)或HUB而B(niǎo)型的連接器則連接在外設(shè)或HUB的輸出端。傳輸?shù)碾娎|可以長(zhǎng)達(dá)5米，而低速傳輸時(shí)，電纜只能有3米長(zhǎng)。以12MbPs的輸入端，進(jìn)展全速率全

45、速率的USB傳輸使用有屏蔽的電纜，可以提高傳輸?shù)男阅埽黾与娎|的長(zhǎng)度。低速傳輸時(shí)使用的是無(wú)屏蔽電纜，可以降低本錢(qián)。2.3.3 電源所有的USB端口均可以為己經(jīng)連接的外設(shè)提供電源。HUB和外設(shè)可以自己接供電電源，也可以使用USB提供的電源。使用USB供電的HUB或外設(shè)的全部電能均由USB提供，USB能夠?yàn)檫B接的全速外設(shè)端口提供最大500mA的電流，自供電的HUB可以為每個(gè)端口提供所需的最大功率的電源。但是，總線供電集線器只能從向上傳輸線上得到電源，這嚴(yán)重限制了他們?yōu)楫?dāng)前連接的外設(shè)提供全面能量的需要。連接在總線供電集線器的外設(shè)最大只能獲得100mA的電流?？偩€供電HUB在主機(jī)沒(méi)有進(jìn)展配置前，USB

46、設(shè)備所提供的電流最大不超過(guò) 100mA，而在配置后，可以根據(jù)配置情況，為外設(shè)提供更大的電流。USB具有多種省電模式，其中一種是掛起，即通過(guò)軟件控制減少電源的消耗。掛起又分為兩類(lèi)，全部的和選擇性的。所有的設(shè)備都支持這兩類(lèi)掛起模式，全部掛起就是所有USB設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)，而選擇性的是讓已經(jīng)無(wú)需工作的設(shè)備處于掛起狀態(tài)。一般情況下，設(shè)備在沒(méi)有總線活動(dòng)3ms后進(jìn)入掛起狀態(tài)，掛起后設(shè)備的用電消耗將不超過(guò)500A。500A掛起電流管理起來(lái)也不容易，其中 200A用于供給 1.5千歐的上拉電阻，剩余的300A提供給連接的外設(shè)。3 硬件設(shè)計(jì)3.1 主要芯片的選擇3.1.1 傳感器的選擇根據(jù)上一章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

47、，首先要使用傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)展轉(zhuǎn)換，本課題采集的電力信號(hào)以220V有效電壓的市電的諧波為采集對(duì)象，依據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的要求，傳感器選用南車(chē)時(shí)代傳感技術(shù)生產(chǎn)的NCV4A電壓傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)是，測(cè)量圍是0到375V(對(duì)于220V交流電，其振幅值是311V，在測(cè)量圍，且正負(fù)兩端均有冗余量)，準(zhǔn)確度是0.7%，非線性度0.1%，響應(yīng)時(shí)間小于13s，工作頻帶寬度是0到13KHZ(可以完全包含我們要采樣的最高諧波次數(shù)2.5KHZ)。電流傳感器使用該公司的NT100-S(T)，其主要電氣參數(shù)為:測(cè)量圍是0-200A(對(duì)于供電線路，這個(gè)圍可以進(jìn)展多數(shù)情況的電流測(cè)試，如果電流超過(guò)圍，可以通過(guò)電路的并聯(lián)分流

48、，降至測(cè)量圍)，準(zhǔn)確度是0.7%，匝數(shù)比是1:1000，非線性度是0.1%，響應(yīng)時(shí)間小于1s，工作頻帶寬度是0到100KHZ。3.1.2模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的選擇目前，市場(chǎng)上模/數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)量眾多，幾乎每家半導(dǎo)體公司均有自己的產(chǎn)品，但其使用方法根本類(lèi)似。課題選用美國(guó)MA*IM公司生產(chǎn)的8通道刀D轉(zhuǎn)換器MA*197。MA*197的分辨率為12位，具有5MHZ的帶寬和100KSPS的高速數(shù)據(jù)吞吐量。我們需要的采樣信號(hào)是2.5KHZ帶寬，如果進(jìn)展12位的數(shù)據(jù)編碼，根據(jù)采樣定理，理想的數(shù)據(jù)吞吐量為2.5K*2*l2=60Kbps，而 MA*197的數(shù)據(jù)吞吐量轉(zhuǎn)換為一樣單位時(shí)，為100K*12=1200

49、KbP、，考慮到采樣并不能在理想情況下進(jìn)展，提高3至5倍的采樣頻率，吞吐量依然會(huì)有很大的冗余。12位的分辨率經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到大約0.15V的電壓編碼寬度，已經(jīng)大大滿(mǎn)足了電力諧波的采集信號(hào)要求了。此外，MA*197為電壓型A/D轉(zhuǎn)換器，提供了多種電壓測(cè)量量程，甚至可以測(cè)量高于供電電壓的模擬電壓信號(hào)，也可以測(cè)量低于系統(tǒng)地電壓的模擬電壓信號(hào)，使用靈活方便。將MA*197的主要性能指標(biāo)列出如下: 單+SV供電電壓; 12位的A/D轉(zhuǎn)換分辨率; 引腳電平和TTL/CMOS電平兼容; 8路模擬電壓輸入通道; 4種電壓測(cè)量量程:0+5V、0+10V、-5V+5V、-10V+10V; 典型轉(zhuǎn)換時(shí)間6s; 10

50、0kSPS的采樣速率; 部集成4.096V參考電壓源，也可以使用外部參考電壓; MA*197具備多種工作方式?？蛇x擇部工作時(shí)鐘或者外部工作時(shí)鐘，也可選擇使用部采集控制或者外部采集控制;其還具有兩種掉電工作模式，可在軟件中設(shè)置。 當(dāng)片外控制器向 MA*197發(fā)送控制字節(jié)來(lái)控制 MA*197的工作方式時(shí)，其控制字節(jié)及各位的定義如下表所示?？刂谱止?jié)通過(guò)D0D7引腳送入。 D7D6D5D4D3D2D1 D0PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0控制字節(jié)中的D7、D6位控制芯片的時(shí)鐘模式和低功耗模式。其組合如下:D7=0，D6=0時(shí)，使用外部時(shí)鐘模式;D7=0，D6=1時(shí)，使用部時(shí)鐘模式;D7

51、=1，D6=0時(shí)，進(jìn)入待機(jī)模式，時(shí)鐘模式不變;D7=1，D6=1時(shí)，進(jìn)入掉電模式，時(shí)鐘模式不變。控制字節(jié)中的DS位ACQMOD決定采集的模式:ACQMOD=0時(shí)，為部采集控制模式;ACQMOD=1時(shí)，為外部采集控制模式。控制字節(jié)中的D4和D3位用來(lái)選擇芯片的模擬輸入電壓圍和極性。D3位BIP=0時(shí)，選擇單極性輸入;BIP=0時(shí)，選擇雙極性輸入;D4位RNG=0時(shí)，選擇5V量程;RNG=l時(shí)，選擇10V量程5?？刂谱止?jié)的低3位A0AZ用來(lái)選擇模擬輸入通道。關(guān)系如表:A2A1A0通道000CH0001CH1010CH2011CH3100CH4101CH5110CH6111CH7 MA*197的時(shí)序

52、控制是由控制字節(jié)的PD1和PD0位的組合來(lái)確定工作模式， 當(dāng)PD1=0、PD0=0時(shí)，使用外部時(shí)鐘頻率模式，其時(shí)序圖如圖5所示。圖5 部采集控制模式下使用外部時(shí)鐘和WR的時(shí)序當(dāng)PD1=0、PD0=0時(shí)，選擇部時(shí)鐘模式，需在CLK端與地之間接一個(gè)l00pF的電容，相應(yīng)的采樣頻率可達(dá)1.56MHz。其控制字節(jié)的DS位ACQMOD決定采集控制模式，假設(shè)為0，則為MA*197部采集控制模式，否則為外部采集控制模式。其時(shí)序圖如圖6所示。圖6 部采集控制模式時(shí)序圖其相應(yīng)的控制字為PD1=0、PD0=l、ACQMOD=0;輸入量程圍為0+5V，RNG=0、BIP=0；低三位為輸入通道。整個(gè)控制字節(jié)為0l00

53、0*，即4*H(*表示CH0，l，2，3，4，5，6，7通道)。3.1.3USB接口控制芯片的選擇 本課題我們選用CyPress公司生產(chǎn)的EZ-USBF*2系列的56引腳芯片，Cypress公司的EZ-USB系列是目前市場(chǎng)上能提供端點(diǎn)數(shù)量最多的產(chǎn)品，它最多能提供31個(gè)端點(diǎn)。因?yàn)樗亩它c(diǎn)數(shù)量多，用戶(hù)可以靈活的為每個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)流分配不同的緩沖，而無(wú)需合并各種不同的數(shù)據(jù)流以單一的數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)展傳輸。另外，這些端點(diǎn)可以設(shè)置成雙緩沖，在一些應(yīng)用中用來(lái)提高帶寬。Cypress公司的EZ-USB系列的主要特征之一是8051固件代碼開(kāi)發(fā)工作量的顯著減少。在大多數(shù)應(yīng)用當(dāng)中，端點(diǎn)0用作控制端點(diǎn)，所以它的編程是最復(fù)雜

54、的。每個(gè)設(shè)備都必須有一個(gè)控制端點(diǎn)(總是使用端點(diǎn)0)用于設(shè)備的配置、設(shè)備狀態(tài)的控制和其它操作方面的控制。因此編程時(shí)，端點(diǎn)0是最復(fù)雜的，因?yàn)樗诮㈦A段、數(shù)據(jù)階段(可能有也可能沒(méi)有)和狀態(tài)階段都要用到。隨著USB芯片其它問(wèn)題的解決，對(duì)端點(diǎn)0的處理方式可以和其它端點(diǎn)一樣。EZ-USB的核提供了有關(guān)的邏輯，以簡(jiǎn)化為支持端點(diǎn)0而進(jìn)展的編程。其高層協(xié)議的使用能減少80%以上的標(biāo)準(zhǔn)8051匯編程序調(diào)用。例如，USB硬件核保存了控制三個(gè)階段(建立、數(shù)據(jù)和握手)的路徑，而不是把數(shù)據(jù)放入8051當(dāng)中，所以CPU只對(duì)需要的數(shù)據(jù)裝載一個(gè)地址指針。 Cypress公司特有的重列舉技術(shù)，使USB設(shè)備功能很靈活，重列舉就是

55、設(shè)備在列舉配置之后，再一次進(jìn)展配置。當(dāng)驅(qū)動(dòng)安裝的時(shí)候，新的固件程序也下載EZ-USB的RAM中，這樣就改變了設(shè)備的特性。一般來(lái)說(shuō)，必須在實(shí)際設(shè)備斷開(kāi)后，再連接時(shí)才會(huì)再一次進(jìn)展列舉。對(duì)于EZ-USB設(shè)備來(lái)說(shuō)，它模仿斷開(kāi)再連接來(lái)完成一個(gè)新的列舉過(guò)程，一系列的設(shè)備描述就可以下載到設(shè)備上了。重列舉為更新設(shè)備功能帶來(lái)了方便，因?yàn)楣碳窃诹信e過(guò)程中下載到芯片上，而不是固化在芯片上的。使用EZ-USB系列可以降低固件開(kāi)發(fā)的難度。在開(kāi)發(fā)完成后，設(shè)計(jì)者把剛完成的USB設(shè)備第一次連接到計(jì)算機(jī)課上時(shí)，出現(xiàn)最多的情況是不能正常工作。外圍設(shè)備最開(kāi)場(chǎng)連接到計(jì)算機(jī)上后，主機(jī)控制器就會(huì)送出標(biāo)準(zhǔn)的USB命令，查詢(xún)外設(shè)的資源。一

56、般情況下，設(shè)計(jì)者不能預(yù)測(cè)主控制器的反響，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者沒(méi)有方法去控制下控制器發(fā)出的命令。不過(guò)，應(yīng)用EZ-USB的開(kāi)發(fā)工具包，可以使用CyPress公司提供的固件開(kāi)發(fā)器，通過(guò)它可以手動(dòng)發(fā)出主機(jī)的命令并且能夠清楚的知道外設(shè)對(duì)命令的響應(yīng)。這使得在不加驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，仍然可以進(jìn)展固件的編程和對(duì)主機(jī)命令的測(cè)試。有了這樣的工具，固件設(shè)計(jì)者即使沒(méi)有必要的驅(qū)動(dòng)程序也可以知道他們的固件代碼正確與否。這樣就可以更有效更高速的進(jìn)展固件代碼的開(kāi)發(fā)。驅(qū)動(dòng)的例如代碼可以提高開(kāi)發(fā)的效率。CyPress除了提供通用的USB驅(qū)動(dòng)程序以外，還提供了一系列的驅(qū)動(dòng)程序的例子，以加速驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。當(dāng)然用戶(hù)仍然可以使用微軟提供的含蓋了一系列驅(qū)

57、動(dòng)的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)集。另外，CyPress公司還提供了在重列舉時(shí)下載8051固件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的源代碼。CyPress公司提供的這類(lèi)代碼，為使用特有的軟配置技術(shù)帶來(lái)益處。 EZ-USBF*2芯片描述EZ-USB系列使用非常省電的設(shè)計(jì)，正常工作電源只需要3.3V。使用這么低的電壓，是目前理想的總線供電高速設(shè)備。Cypress公司的EZ-USBF*2系列芯片是世界上第一款集成了USB2.0協(xié)議的微處理器，最典型的就是CY7C68013，其提供了強(qiáng)大的功能，包括USB接口以及和8051兼容的指令系統(tǒng)，但是其功耗比擬大，其絕對(duì)值高達(dá)936mW。因此，Cypress公司隨后又推出了低功耗版本的EZ-USBF*

58、2LP系列芯片，其中用的比擬多的是CY7C68013A芯片，此款芯片也正是本課題選用的芯片。EZ-USBF*2LP芯片的部構(gòu)造如圖7所示。圖7 EZ-USB F*2LP芯片的部構(gòu)造其中主要包括 USB2.0收發(fā)器、串行引擎(SIE)、增強(qiáng)型8051核、 16KB的RAM、4KB的FIFO存儲(chǔ)器、I/O接口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口(GPIF)。CY7C68013的特點(diǎn):(1)USB2.0單芯片解決方案，包括USB2.0收發(fā)器，串行接口引擎(SIE)和增強(qiáng)型51核;(2)可進(jìn)展軟配置的RAM，大小為8.5K，取代傳統(tǒng)的51的RAM和ROM，程序可通過(guò)以下方式下載:-通過(guò)USB口下載;-

59、通過(guò)外面的EEPROM裝載;-外界存儲(chǔ)設(shè)備(僅128引腳的芯片支持)通用可編程接口GPIF，GPIF是F*Z的一項(xiàng)重要技術(shù)-可設(shè)置為主從模式，主模式下可對(duì)外部FIFO，存儲(chǔ)器，ATA接口設(shè)備進(jìn)展高速讀寫(xiě)操作，從模式下外部主控器(如DSP，MCU)可把GPIF端口當(dāng)作FIFO進(jìn)展高速讀寫(xiě)操作;-支持與外設(shè)通過(guò)并行8位或16位總路線傳輸;-支持通過(guò)GPIF編程工具編程，靈活產(chǎn)生各種波形;-支持多CTL輸出和多RDY輸入(4)增強(qiáng)工業(yè)級(jí)8051核，特點(diǎn)有：-支持48M時(shí)鐘:-4個(gè)時(shí)鐘指令周期，在時(shí)鐘為-兩個(gè)UART;-三個(gè)TIMER;-多中斷系統(tǒng);-雙數(shù)據(jù)指針;(5)3.3V工作電壓;(6)智能串行

60、接口引擎(SIE)(7)USB中斷矢量;(8)100KHz或400KHzI2C接口;(9)4個(gè)集成FIFO;-低成木與外設(shè)實(shí)現(xiàn)膠連接;-自動(dòng)實(shí)現(xiàn)從16位FIFO轉(zhuǎn)換-支持主從工作模式;-FIFO支持外時(shí)鐘和同步數(shù)據(jù)觸發(fā):-輕松實(shí)現(xiàn)與ASIC，DSP連接;(10)包括多達(dá)5個(gè)通用I/O端口:(11)4種可選封裝，56引腳SSOP和QFN，100引腳TPFP和128引腳TQFP。3.2 硬件的總體設(shè)計(jì)傳感器輸出端輸出的測(cè)量電流最大為20mA，而A/D轉(zhuǎn)換器的輸入圍選擇的是05V，可以計(jì)算出在二次邊需連接25歐姆電阻。依照第二章中的框圖，適當(dāng)調(diào)整后構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集電路圖，如圖8所示。圖8 數(shù)據(jù)采集電路