[優(yōu)秀嵌入式畢業(yè)設(shè)計(jì)]電力系統(tǒng)接地電阻的智能測量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目： 電力系統(tǒng)接地電阻的智能測量 的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院： 電氣信息學(xué)院 專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班級： 0708 學(xué)號： 01 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 完成日期： 2011 年 6 月 4 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 題目： 電力系統(tǒng)接地電阻的智能測量的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓名 院 電氣信息學(xué)院 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班級 0708 學(xué)號 01 一、 指導(dǎo)老師 職稱 副教授 教研室主任 1、研究國內(nèi)外電力網(wǎng)接地電阻測試線裝。 2、完成電力系統(tǒng)接地電阻智能測試系統(tǒng)的總體構(gòu)思。 3、研究測量原理與技術(shù)。 4、完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 5、完成軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 6、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。 二、 進(jìn)

2、度安排及完成時(shí)間： 1：第一周至第二周：查閱資料，撰寫文獻(xiàn)綜述和開題報(bào)告。 2：第三周至第四周：畢業(yè)實(shí)習(xí)。 3：第五周至第六周：完成智能測試系統(tǒng)的總體框圖。 4：第七周至第八周：完成各單元電路設(shè)計(jì)。 5：第九周至第十周：完成總體硬件電路設(shè)計(jì)。 6：第十一周至第十二周：完成系統(tǒng)軟件設(shè)置。 7：第十三周至第十四周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。 8：第十五周至第十六周：6-15至6-18，畢業(yè)答辯。 目 錄第1章 緒論31.1 課題背景介紹及研究意義31.2 接地電阻測試方法的發(fā)展現(xiàn)狀41.2.1 接地電阻測量的基本原理41.2.2 伏安法(電壓電流表法)41.2.3 E型搖表法41.2.4 數(shù)字式接地電阻

3、測試儀51.2.5 主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)51.3 應(yīng)用前景分析6第2章 設(shè)計(jì)總體構(gòu)思及干擾分析72.1 設(shè)計(jì)總體構(gòu)思772.1.2 硬件原理框圖82.1.2 軟件程序框圖892.2.1 使用三重屏蔽，減少電磁干擾102.2.2 使用帶通濾波器，限制采樣信號帶寬112.2.3 特定頻率信號的DFT檢波122.2.4 同頻干擾信號分離19第3章 測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)21213.1.1 單片機(jī)選型213.1.2 C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)說明223.2 單片機(jī)外圍電路模塊設(shè)計(jì)233.2.1 電壓偏移電路233.2.2 JTAG接口電路243.3 微弱電流信號前置放大電路設(shè)計(jì)253.3.1 微電流測

4、試基本原理263.3.2 微電流放大電路元器件的選擇263.3.3 放大電路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)273.4 程控濾波器電路模塊設(shè)計(jì)283.4.1 硬件連接電路圖303.5 液晶顯示電路設(shè)計(jì)303.5.1 液晶管腳接口說明表313.5.2 液晶顯示電路硬件連接圖32第4章 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)334.1 液晶顯示334.2 干擾信號頻率檢測334.3 正弦電壓激勵(lì)信號發(fā)生354.4 可編程濾波器軟件設(shè)計(jì)364.5 電壓電流數(shù)據(jù)采集384.6 數(shù)字信號處理404.6.1 DFT選頻檢波及同頻信號矢量分解404.6.2 接地電阻計(jì)算42參考文獻(xiàn)43附錄：總電路圖44第1章 緒論1.1 課題背景介紹及研究意義 為

5、了維護(hù)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，保障電氣設(shè)備與運(yùn)行工作人員安全，發(fā)配電設(shè)備的質(zhì)量和各種保護(hù)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)固然十分重要，而一個(gè)安全可靠的接地系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和防止事故的發(fā)生同樣具有十分重要的意義，接地系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到電氣設(shè)備正常工作和人身的安全。因?yàn)榻拥夭涣级斐稍O(shè)備故障的情況屢有發(fā)生，全國各地就曾多次發(fā)生因接地網(wǎng)的問題而造成重大事故的事例。衡量接地系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)包括接地電阻、跨步電阻、接觸電阻、均衡電位、泄流能力、抗腐能力等，而接地電阻的大小是判斷接地系統(tǒng)合格與否的主要判據(jù)之一。 接地電阻測試儀是檢驗(yàn)測量接地電阻的常用儀表，也是電氣安全檢查與接地工程竣工驗(yàn)收不可缺少的工具，傳統(tǒng)的接地電阻

6、的測量方法，通常是斷開接地線與電力設(shè)備的連接，采用搖表法進(jìn)行測量，他是一種離線激勵(lì)測量方法，存在著明顯的缺點(diǎn)； 在測量時(shí)電力設(shè)備需要停電，影響了電網(wǎng)的正常供電和用戶的生產(chǎn)生活用電，會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，特別是在電力短缺、社會(huì)生產(chǎn)生活各方面對連續(xù)供電的迫切需的現(xiàn)實(shí)情況下，要一些大型樞紐發(fā)變電站停電或臨時(shí)斷開主變中性接地點(diǎn)的困難較大，所以這種離線測試方法明顯不適用于現(xiàn)在社會(huì)電力設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際要求。 每次測量時(shí)都要打兩個(gè)或兩個(gè)以上輔助地極，這不僅增加了維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度，浪費(fèi)大量的人力物力，而且許多現(xiàn)場情況無法打輔助地極，如果周圍是水泥地會(huì)更加不便;打地樁地點(diǎn)的選擇要經(jīng)過計(jì)算，測試結(jié)果受具體打樁地點(diǎn)地質(zhì)

7、和周圍地形的影響，有時(shí)在打輔助地極時(shí)無法滿足在地網(wǎng)對角線方向上電流輔助極距地網(wǎng)約40m、電壓輔助極距地網(wǎng)20m這一要求。 離線測量方法測試到的僅僅是接地線的電阻是否符合要求，對于連接到電力設(shè)備之后，整個(gè)系統(tǒng)工作是否良好無法進(jìn)行判斷。因此，在電力系統(tǒng)的接地電阻日常測試中，迫切需要一種不必?cái)嚅_接地線就能夠方便地測量接地電阻的在線智能測量系統(tǒng)，本課題就是應(yīng)此需求而產(chǎn)生的。研究的是一種新型的接地電阻測量系統(tǒng)，它改變了測試接地電阻傳統(tǒng)的測量原理和手段。無需打輔助地樁，無需斷開設(shè)備電源，無需將接地體與設(shè)備隔離，可在不斷開接地系統(tǒng)的條件下進(jìn)行接地電阻的在線智能測量。1.2 接地電阻測試方法的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.

8、1 接地電阻測量的基本原理 接地電阻測量的基本方法是設(shè)法在電流極和被測接地體之間注入交流電流I，此時(shí)在被測接地體和電壓極之間可獲得一電壓U，通過測量該電流和電壓值，根據(jù)歐姆定律，即可計(jì)算出被測接地體的接地電阻。可以說各種接地電阻測試儀都是根據(jù)歐姆定律來設(shè)計(jì)的，只是實(shí)現(xiàn)的具體方式不同而己。1.2.2 伏安法(電壓電流表法) 最初對接地電阻的測量采用的是伏安法，這種方法是非常原始的。使用安培計(jì)、伏特計(jì)測量由電源兩電極流入地下的電流值，以及測量之間的交流電位差，由安培計(jì)和伏特計(jì)所得的數(shù)值就可以根據(jù)歐姆定律計(jì)算出接地電阻值。在使用伏安法測定電阻時(shí)須先估計(jì)電流的大小，選出適當(dāng)截面的絕緣導(dǎo)線，在預(yù)備試驗(yàn)時(shí)

9、可利用可變電阻R調(diào)整電流，當(dāng)正式測定時(shí)，則將可變電阻短路，由安培計(jì)和伏特計(jì)所得的數(shù)值來計(jì)算出接地電阻。 伏安法測量地阻有明顯不足之處，首先是麻煩、煩瑣、工作量大，試驗(yàn)時(shí)，接地棒距離地極為2050米，而輔助接地距離接地至少40100米。另外測試受外界干擾影響極大，在強(qiáng)電壓區(qū)域內(nèi)有時(shí)無法測量。1.2.3 E型搖表法 五六十年代，蘇聯(lián)的E型搖表取而代之了伏安法，它的基本測試原理是采用三點(diǎn)式電壓落差法，是在電流輔助極和被測接地體之間注入低頻交流電流I，此時(shí)在被測接地體和電壓極之間可獲得一電壓U,通過測量該電流和電壓值，根據(jù)歐姆定律,即可計(jì)算出被測接地體的接地電阻。其測量手段是在被測地線接地樁(暫稱為X

10、)一側(cè)地上打入兩根輔助測試樁，要求這兩根測試樁位于被測地樁的同一側(cè)，三者基本在一條直線上，距被測地樁較近的一根輔助測試樁(稱為Y)距離被測地樁20米左右，距被測地樁較遠(yuǎn)的一根輔助測試樁(稱為Z)距離被測地樁40米左右。測試時(shí)，按要求的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)搖把，測試儀通過內(nèi)部磁電機(jī)產(chǎn)生電能，在被測地樁X和較遠(yuǎn)的輔助測試樁(稱為Z)之間“灌入”電流，此時(shí)在被測地樁X和輔助地樁Y之間可獲得一電壓，儀表通過測量該電流和電壓值，即可計(jì)算出被測接地樁的地阻。 上述儀器由于手搖發(fā)電機(jī)的關(guān)系，測量精度也不是很高。這種測量方法還有其它缺點(diǎn)：測量都要打輔助地極，需要在現(xiàn)場布置幾十米以上的電極引線，增加了作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。由于整

11、個(gè)測量過程從打輔助地極到測量都是人工操作，因此測量結(jié)果受人為因素影響很大，如測量時(shí)手柄搖動(dòng)速度過慢、頻率不均勻等都會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生很大影響。測量時(shí)需將接地體與設(shè)備斷開，以避免設(shè)備自身接地體影響測量的準(zhǔn)確性，從而不能實(shí)現(xiàn)在線測量。1.2.4 數(shù)字式接地電阻測試儀近年來由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，因此接地電阻測試儀也滲透了大量的單片機(jī)處理技術(shù)，其測量功能、內(nèi)容與精度是傳統(tǒng)儀器所不能相比，例如仿“搖表”式數(shù)字地阻儀，它與傳統(tǒng)接地?fù)u表的主要區(qū)別是將電流電壓與接地電阻的采集處理數(shù)字化，其電源由電池提供，無需手搖。仿“搖表”式數(shù)字地阻儀投入使用給接地電阻測試帶來了生機(jī)，雖然測試時(shí)的接線方式同E型搖表沒什么兩

12、樣，但是其穩(wěn)定性和精度遠(yuǎn)比搖表指針式高得多。 而真正接地電阻測試儀的一個(gè)突破性創(chuàng)舉是在九十年代鉗口式地阻儀的誕生，他打破了傳統(tǒng)式接地電阻測試方法。如法國CA公司生產(chǎn)的6411單鉗式接地電阻測試儀稱得上接地電阻測試的一大革命，CA6411鉗式接地電阻測試儀外形酷似鉗形電流表，其最大特點(diǎn)測量時(shí)不需輔助地極，無須切斷設(shè)備電源或斷開地線就可以對使用中的設(shè)備的地阻進(jìn)行在線測量，只需往被測地線上一夾，幾秒后即可獲得測量結(jié)果，極大地方便了接地電阻測量工作。但是，這種測量方法具有如下缺點(diǎn): 由于儀器向接地回路注入的低頻交流電壓只有單一的測試頻率，當(dāng)其頻率與電氣設(shè)備地網(wǎng)泄漏電流頻率接近時(shí)，測量精度很低，嚴(yán)重時(shí)甚

13、至無法進(jìn)行測量；由于電壓注入線圈與電流測量線圈組合在同一鉗口內(nèi)，故線圈與線圈之間的互感效應(yīng)對測量精度有較大影響；不能滿足以下地阻的測量要求；鉗口內(nèi)徑小(一般為25mm的圓口)，對引線寬度大于25mm的地網(wǎng)無法測量。1.2.5 主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)為此，我們設(shè)計(jì)了一種接地電阻在線測量儀，通過運(yùn)用單片機(jī)控制技術(shù)和變頻測量技術(shù)，設(shè)計(jì)新的傳感器探頭，可以克服上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)接地電阻的準(zhǔn)確在線測量。為了提高測量儀的抗干擾能力，電壓線圈產(chǎn)生的低頻交流電壓的頻率是可變的頻率可以在94Hz，105Hz，111Hz，128Hz等4種頻率中自動(dòng)選擇。測量前，儀器先對接地網(wǎng)中干擾電流頻率進(jìn)行測量，根據(jù)干擾電流的頻率

14、啟動(dòng)選擇低頻交流電壓的頻率，從而避開了干擾電流的頻率，大大增強(qiáng)了該儀器的抗干擾能力。運(yùn)用雙鉗口法，無需打樁放線即可進(jìn)行在線直接測量?？勺詣?dòng)檢測整個(gè)接地回路接口連接狀況及地網(wǎng)的干擾電壓、干擾頻率。本課題的目的是實(shí)現(xiàn)接地系統(tǒng)接地電阻的智能在線測量，為此需要有非接觸的電壓和電流傳感器來傳輸和感應(yīng)電信號，還需要有一個(gè)激勵(lì)信號源；此外，由于電流傳感器感應(yīng)到的電流信號十分微弱，在微安級，因此初級的微電流放大對后續(xù)的信號處理十分重要；而如何去除來自系統(tǒng)外部及本身的各種干擾，特別是近頻干擾和同頻干擾，從強(qiáng)干擾背景中提取出有用信號，是系統(tǒng)測試精度高低的關(guān)鍵。本儀器的關(guān)鍵技術(shù)和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是將傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)，傳

15、感器技術(shù)與數(shù)字信號濾波處理技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起來實(shí)現(xiàn)接地電阻的測量。本儀器主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：高精度，能抗強(qiáng)干擾的傳感器的設(shè)計(jì)；對微弱電流信號的前置放大電路設(shè)計(jì)； 可變頻的正弦信號激勵(lì)源的設(shè)計(jì)； 硬件濾波及數(shù)字濾波處理，近頻及同頻干擾下有效信號的提取。1.3 應(yīng)用前景分析智能接地電阻測試儀具有測試精度高，操作簡便的特點(diǎn)，能夠在不停電的情況下檢測接地回路的電阻，具有較大的實(shí)用價(jià)值。除了應(yīng)用于電力系統(tǒng)接地電阻的測試外，隨著移動(dòng)通信和建筑業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，也可廣泛應(yīng)用于電信系統(tǒng)、建筑大樓、機(jī)場、鐵路、油槽、避雷裝置、高壓鐵塔等接地系統(tǒng)接地電阻的日常檢測中。第2章 設(shè)計(jì)總體構(gòu)思及干擾分析2.1 設(shè)計(jì)總

16、體構(gòu)思2.1.1測試原理接地電阻的測量原理圖如圖2-1所示圖2-1 接地電阻的測量原理圖2-1中，Nv為繞在儀器電壓傳感器內(nèi)的電壓發(fā)生器線圈的圈數(shù)，Ni為繞在儀器電流傳感器內(nèi)的電流接收線圈的圈數(shù)。測量時(shí)，電壓線圈產(chǎn)生一個(gè)已知的恒定低頻交流電壓U，在被測接地引線回路中通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電壓u:,該電壓u在地線回路中會(huì)產(chǎn)生電流i：，該電流i被電流接收線圈轉(zhuǎn)換為電流I，根據(jù)下式即可計(jì)算出接地電阻 Rx ： （2-1）式中：通常Nv，Ni取值為1。為提高測量儀的抗干擾能力，電壓線圈產(chǎn)生的低頻交流電壓的頻率是可變的，頻率可以在94Hz，105Hz，111Hz，128Hz等4種頻率中自動(dòng)選擇。測量前，儀器先

17、對接地網(wǎng)中干擾電流的幅值和頻率進(jìn)行測量，根據(jù)干擾電流的頻率，自動(dòng)選擇低頻交流電壓的頻率，從而避開了干擾電流的頻率，大大增強(qiáng)了該儀器的抗干擾能力。2.1.2 硬件原理框圖為了實(shí)現(xiàn)上述的接地電阻測量方法，系統(tǒng)硬件的原理框圖如2-2所示：LCD顯示按鍵輸入JTAG通信接口單片機(jī)系統(tǒng)耦合電壓采樣程控有源濾波低通有源濾波前置放大分壓電路功率放大電流傳感器電壓傳感器接地回路接地回路圖2-2 系統(tǒng)硬件原理框圖測量系統(tǒng)主要由單片機(jī)構(gòu)成的信號發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，程控有源濾波器，前置放大電路等組成，具有按鍵控制，液晶顯示及JTAG通信接口。2.1.2 軟件程序框圖根據(jù)接地電阻的測量原理和硬件框圖，作為測試核

18、心的單片機(jī)主要完成以下軟件功能： 系統(tǒng)開機(jī)后的端口初始化設(shè)置，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置； 液晶顯示程序； 干擾頻率測量； 正弦波激勵(lì)電壓信號的合成及DAC輸出； 電壓電流信號的采樣； 電壓電流采樣信號的離散傅立葉檢波和同頻干擾的去除； 接地電阻的計(jì)算。根據(jù)上述軟件功能整個(gè)系統(tǒng)軟件總流程框圖如圖2-3所示：開始系統(tǒng)初始化液晶開機(jī)顯示激勵(lì)信號參數(shù)設(shè)置干擾信號頻率檢測程控濾波器參數(shù)設(shè)置程控濾波器參數(shù)設(shè)置正弦電壓激勵(lì)信號發(fā)生電壓，電流信號采集DFT選頻濾波同頻干擾信號分離接地電阻計(jì)算測試結(jié)果顯示圖2-3 系統(tǒng)軟件總體流程框圖接地電阻測量一般在發(fā)電站和變電站中使用，在現(xiàn)場實(shí)際測量中會(huì)遇到各種各樣的干擾，電流傳感器采

19、樣到的信號除了有用的電流信號之外，也含有其它一些干擾成分。主要包括外部環(huán)境中的電場和磁場干擾及接地回路中的干擾，按照干擾的傳播途徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。根據(jù)分析，各種干擾成分對于系統(tǒng)的測量精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，當(dāng)接地電阻值較大時(shí)，干擾信號強(qiáng)度甚至?xí)h(yuǎn)大于有用信號，因此有必要采取相對應(yīng)的措施減小或去除不需要的干擾信號，從采集到的混合信號中提取出有用的信號供后續(xù)信號處理，提高系統(tǒng)的測量精度。由于采用變頻測量方法，使系統(tǒng)的工作信號頻率避開了干擾信號頻率，所以主要是針對與信號頻率相接近的近頻干擾及從電壓傳感器發(fā)射的同頻干擾進(jìn)行濾波處理?？梢酝ㄟ^采用三重屏蔽、帶通濾波、離散傅立葉變換(DFT)選頻檢

20、波、檢相方法去除干擾。其去干擾的流程示意如圖2-4：三重屏蔽帶通濾波DFT檢波正交驗(yàn)相信號屏蔽外部電磁輻射干擾跟蹤信號頻率帶寬提取系統(tǒng)頻率信號同頻信號正交分解有用信號圖2-4 系統(tǒng)干擾信號處理過程示意圖2.2.1 使用三重屏蔽，減少電磁干擾由于接地電阻測試儀一般在發(fā)電站和變電站中使用，外部空間環(huán)境中存在較強(qiáng)的電場以及磁場干擾，通過空間傳輸?shù)絺鞲衅鞯木€圈當(dāng)中，引起波形失真，更重要的是電壓傳感器的線圈同電流傳感器的線圈之間的電磁耦合作用，使得電流傳感器中接收到一個(gè)與有用信號相同頻率的干擾信號，在接地電阻較大時(shí)，干擾信號甚至大于有用信號，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的測量精度。由于采樣信號是從電流傳感器感應(yīng)進(jìn)來，而

21、系統(tǒng)希望采樣到的只是接地回路中的信號，所以要采取措施從源頭上減少或完全去除從外部環(huán)境空間和電壓傳感器耦合到電流傳感器的干擾信號，而在傳感器鐵心外側(cè)加入屏蔽層，可以去除大部分外部空間的電磁干擾及同頻信號的干擾。為此采用特有的三重屏蔽方法，通過三重屏蔽層，能有效隔離或減弱外部環(huán)境中的電磁干擾及電壓傳感器中的同頻干擾。三重屏蔽的主要原理如下：屏蔽技術(shù)是利用金屬材料對電磁波具有良好的吸收和反射能力進(jìn)行抗干擾的，根據(jù)電磁干擾的特點(diǎn)選擇良好的低電阻導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧?，?gòu)成合適的屏蔽體就可以減小電磁千擾。屏蔽體所起的作用好比是在一個(gè)等效電阻(儀表)兩端并聯(lián)上一根短路線，當(dāng)干擾信號竄入時(shí)直接通過短路線，對等效

22、電阻(儀表)幾乎無影響。 電場屏蔽對電場的屏蔽采用導(dǎo)電率高的材料，其原理是使用接地的金屬體包裹或隔離信號傳輸線，在屏蔽體接地后，干擾電流經(jīng)屏蔽罩外層短路入地，為了達(dá)到較好的電場屏蔽效果，需要選用低電阻的金屬材料(導(dǎo)電性好)，并且金屬體必須要有良好的接地。 磁場屏蔽 對磁場的屏蔽采用高導(dǎo)磁率的材料做成磁屏蔽罩，在磁場頻率比較低時(shí)(100kHz以下)，通常采用鐵磁性材料如鐵、硅鋼片、坡莫合金等進(jìn)行磁場屏蔽。由于鐵磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率很大，其磁阻遠(yuǎn)小于被干擾電路與屏蔽罩之間的空氣隙之間的磁阻，所以干擾磁場的磁力線大部分通過屏蔽罩而不通過空氣隙進(jìn)入被干擾電路，從而減小了外部雜散磁場的影響。屏蔽體殼壁的相對

23、磁導(dǎo)率越大或殼壁越厚，進(jìn)入到屏蔽體內(nèi)的磁場越弱。 電磁屏蔽電磁屏蔽主要是抑制高頻電磁場的干擾，高頻磁場屏蔽材料采用導(dǎo)電性良好的低電阻金屬材料。當(dāng)高頻磁場穿過金屬板時(shí)在金屬板上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，由于金屬板的電導(dǎo)率很高，所以產(chǎn)生很大的渦流，渦流又產(chǎn)生反磁場，與穿過金屬板的原磁場相互抵消，同時(shí)又增加了金屬板周圍的原磁場。其總的效果是也是是使干擾磁場的磁力線在金屬板四周繞行而過。根據(jù)電磁屏蔽的原理，其屏蔽罩不一定要接地，但是為了使其兼顧有電屏蔽的作用，一般將電磁屏蔽層接地。2.2.2 使用帶通濾波器，限制采樣信號帶寬通過電流傳感器從接地回路中感應(yīng)到的信號，包含有各種頻率的干擾成分，從上MHz的高頻干擾到

24、只有幾Hz的低頻干擾或直流干擾成分。這樣整個(gè)采樣信號頻率帶寬較寬，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，為了避免時(shí)間信號在頻域上的混疊，系統(tǒng)的采樣頻率必須大于或等于信號最高頻率的2倍，此外如果信號中含有高頻分量，則系統(tǒng)的采樣頻率必然需要提高，對單片機(jī)的工作速度要求也相應(yīng)提高。如果要降低系統(tǒng)采樣頻率，應(yīng)該去除信號中的高頻分量。在單片機(jī)對連續(xù)時(shí)間信號進(jìn)行數(shù)字采樣之前，需要使用帶通濾波器，通用的帶通濾波電路原理圖如圖2-5，感應(yīng)信號經(jīng)過帶通濾波處理后，可以濾除信號中的高頻及較低頻干擾，得到一個(gè)較窄的在信號頻帶范圍內(nèi)的信號，便于后續(xù)的信號采樣及數(shù)字濾波處理。圖2-5 帶通濾波電路原理圖2.2.3 特定頻率信號的DFT

25、檢波帶通濾波器是一個(gè)窄帶濾波，帶通濾波后的信號仍然有一定的帶寬，一般可以達(dá)到3db，但是如果接地回路中含有與信號頻率比較接近的周期干擾信號，正好處于窄帶濾波的信號頻帶內(nèi)，這一近頻干擾用一般的方法是很難濾掉的。原始的信號為時(shí)域信號，反映的是以時(shí)間為自變量的幅度的關(guān)系，從中無法看出信號的具體成分，可以設(shè)法把信號轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理。由傅立葉級數(shù)的基本概念可知，任意一個(gè)函數(shù)都可以分解為無窮多個(gè)不同頻率正弦函數(shù)之和。正弦信號是最規(guī)則的信號，由幅度、相位和頻率三個(gè)參數(shù)即可完全確定，因此，對一個(gè)任意信號，都可以用多個(gè)不同頻率、幅值、相位各異的正弦信號疊加來表示。此時(shí)，對于任一個(gè)信號又可以用其不同的頻率、幅值

26、組成來確定，這樣，對信號的認(rèn)識就由時(shí)域轉(zhuǎn)變到了頻域。當(dāng)有用信號的頻域特征與干擾背景噪聲不同時(shí)，采用頻域處理方法可以有效地將特定頻率的有用信號分離出來。利用離傅立葉變換(DFT)對波形的采樣值進(jìn)行頻譜分析，可以得到一系列譜線，每一條譜線對應(yīng)一定頻率的幅值或相位值，得到了幅度、相位和頻率就可以確定一個(gè)正弦信號成分。1. 離散傅立葉變換(DFT)的定義時(shí)域上的連續(xù)時(shí)間信號x(t)經(jīng)等時(shí)間間隔采樣N點(diǎn)后，得到一個(gè)列長為N的離散數(shù)字序列x(n)，他的離散傅立葉變換定義為: （，）（2-2） （） （2-3）假定x(n)與y(n)是兩個(gè)長度為N的有限長數(shù)字采樣序列，其各自的離散傅立葉變換分別為:， 根據(jù)離

27、散傅立葉變換的定義，可以計(jì)算得出: （a，b為任意數(shù)） （2-4）可見離散傅立葉變換具有線性特性，多個(gè)正弦信號登加后的合成信號的離散傅立葉變換，與單個(gè)信號進(jìn)行離散傅立葉變換后再進(jìn)行相加后的結(jié)果是一致的。2. 離散傅立葉變換的檢波濾波特性 假設(shè)有M個(gè)不同頻率的正弦信號益加在一起合成一個(gè)信號x(t): （2-5）為第i個(gè)正弦波信號的幅值，頻率，相位對疊加信號Y(t)的進(jìn)行N點(diǎn)等間隔采樣，可得到一個(gè)離散數(shù)字序列Y(n)，根據(jù)離散傅立葉變換的線性特性有: （2-6）所以可以先對單個(gè)正弦波的采樣序列進(jìn)行離散傅立葉變換分析，假設(shè)有一正弦波信號： （2-7）分別為此正弦波信號的幅值、頻率、相位設(shè)定系統(tǒng)信號采

28、樣頻率為，則采樣時(shí)間；采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為N，即采樣序列長度為N，得到正弦波的N點(diǎn)離散采樣數(shù)字序列x(n): （2-8）此N點(diǎn)采樣序列的離散傅立葉變換: （） （2-9） （歐拉公式）令 則有： （2-10） （2-11）由式(2-7)只有可知當(dāng)即只有當(dāng)信號頻率時(shí)，第k點(diǎn)的離散傅立葉變換才有一個(gè)值，而其它不同頻率的正弦波信號在第k點(diǎn)的值為0，通過計(jì)算X(k)，可以得到頻率時(shí)的正弦波信號的幅值和相位?？梢?，當(dāng)輸入信號的頻率為時(shí)，X(k)的N個(gè)值中只有，其余皆為零。因此如果輸入信號為若干個(gè)不同頻率的信號的組合信號，經(jīng)離散傅立葉變換后，在不同的k值上，X(k)將有一一對應(yīng)的輸出，所以，離散傅立葉變換實(shí)質(zhì)上對

29、特定頻率額信號具有選擇性，具有檢波濾波的作用。為離散付里葉變換的頻率分辨率，采樣的點(diǎn)數(shù)N越多，頻率分辨率越高。如圖2-6所示為離散傅立葉檢波濾波示意圖，相當(dāng)于一個(gè)梳狀濾波器，只有處的頻率信號才能通過濾波器。時(shí)域信號x(t)離散序列x(n)離散傅立葉變換AD采樣0圖2-6 離散傅立葉檢波濾波示意圖對信號進(jìn)行離散傅立葉變換時(shí)，系統(tǒng)的采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)選擇應(yīng)符合以下原則： 當(dāng)信號中最高頻率為時(shí)，采樣頻率應(yīng)滿足奈奎斯特采樣定律，即： 也就是說采樣時(shí)間間隔T需要滿足: 信號采集的持續(xù)時(shí)間為， 式中N為信號采樣點(diǎn)數(shù)，為譜分析的頻率分辨率 離散傅立葉變換的采樣點(diǎn)數(shù)N需滿足: 上式是滿足給定標(biāo)準(zhǔn)的最少采

30、樣點(diǎn)數(shù)。3. 采樣信號幅頻特性，相頻特性 （2-12） 其中:為信號的實(shí)部， 為信號的虛部 信號的頻率: （2-13） 信號的幅值: （2-14） 信號的相位: （2-15）根據(jù)以上分析，通過離散傅立葉變換對采樣數(shù)字序列進(jìn)行變換后，可以對信號成分進(jìn)行頻譜分析，得到特定頻率正弦波分量的幅頻特性及相頻特性。4. 檢波中的實(shí)際問題及解決方法 柵欄現(xiàn)象對離散采樣信號進(jìn)行離散傅立葉檢波時(shí)，頻譜上第k點(diǎn)所對應(yīng)的頻率，這樣頻譜只給出了信號在一系列離散點(diǎn)處的幅值。而對于相鄰兩點(diǎn)之間頻率的信號，離散傅立葉頻譜是無法顯示出來的。這就好像是在百葉窗內(nèi)觀察窗外的景色，看到的是百葉窗窗縫內(nèi)的部分景色，而無法看到被百葉窗

31、擋住的部分。這就是柵欄現(xiàn)象。在理想狀態(tài)下，激勵(lì)信號的頻率f同單片機(jī)程序設(shè)定的頻率是一致的，ADC采樣頻率也是根據(jù)這個(gè)頻率設(shè)置，一個(gè)周期信號中的采樣點(diǎn)數(shù)是固定不變的。采樣序列經(jīng)過離散傅立葉變換后可以認(rèn)為：有用信號正好處于頻譜圖上的第k點(diǎn)上：。第k點(diǎn)處的幅值即為所需頻率信號的值。實(shí)際中，激勵(lì)電壓信號是由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的，本身就會(huì)有一定的偏差，單片機(jī)發(fā)出的信號經(jīng)過濾波放大等硬件電路處理后，其實(shí)際信號頻率會(huì)產(chǎn)生一定的偏移，與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)定的頻率實(shí)際上并不相符合；如果還是根據(jù)事先設(shè)定的激勵(lì)信號頻率f來設(shè)置采樣頻率，則計(jì)算出的處的值并不能真實(shí)的反映原始激勵(lì)信號，被測信號與設(shè)定頻率稍有偏離，就會(huì)出現(xiàn)較大誤差

32、。所以，如何根據(jù)實(shí)際的激勵(lì)信號頻率來設(shè)定ADC采樣頻率，是DFT檢波能準(zhǔn)確提取出特定頻率信號的關(guān)鍵所在。 信號的頻率跟蹤采樣及其實(shí)現(xiàn)根據(jù)公式可知，在采樣點(diǎn)數(shù)N固定N的情況下，要使與信號頻率相等，只用根據(jù)實(shí)際的f值來調(diào)整系統(tǒng)采樣頻率，使系統(tǒng)采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤激勵(lì)信號頻率變化。為此采用變化采樣間隔和固定的采樣點(diǎn)數(shù)對激勵(lì)信號(頻率為0采樣，現(xiàn)設(shè)定系統(tǒng)在一個(gè)信號周期內(nèi)固定采樣128點(diǎn)，則系統(tǒng)采樣頻率，采樣時(shí)間間隔。采樣時(shí)間間隔由鎖相環(huán)倍頻電路來控制，再造一個(gè)與信號嚴(yán)格同步的信號來直接控制信號的采樣和轉(zhuǎn)換，這樣可以實(shí)時(shí)跟蹤信號頻率，保證采樣頻率和信號頻率的比值為固定的128，也就是每一個(gè)信號周期都能夠采樣

33、128點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對信號的實(shí)時(shí)頻率跟蹤采樣。 鎖相環(huán)倍頻的頻率跟蹤原理由鎖相環(huán)和計(jì)數(shù)器組成的鎖相環(huán)倍頻器可以實(shí)現(xiàn)相位鎖定和頻率倍增的功能，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-7所示:鑒相器低通濾波器壓控振蕩計(jì)數(shù)器分頻輸入輸出輸入圖2-7 鎖相環(huán)倍頻結(jié)構(gòu)原理框圖 由上圖，鎖相環(huán)由三部分組成：即相位比較器(鑒相器PD)，低通濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)。這是一個(gè)相位自動(dòng)跟蹤的負(fù)反饋系統(tǒng)。相位比較器將和兩信號之間的相位差轉(zhuǎn)換成脈沖寬度信號，經(jīng)低通濾波器平滑后，輸出一個(gè)直流電壓信號，正比于兩信號之間的相位差。壓控振蕩器是一種輸出振蕩頻率受輸入直流電壓控制的振蕩器，直流電壓信號控制壓控振蕩器的頻率變化，使輸入和輸

34、出信號頻率之差不斷減小，直到兩者之間的差值為零。如果和有相位差變化時(shí)，就可導(dǎo)致振蕩頻率的變化。經(jīng)計(jì)數(shù)器N(N為正整數(shù))分頻后，作為負(fù)反饋信號，環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)保證了此負(fù)反饋回路是穩(wěn)定的。和只要有絲毫差別，其相位差就會(huì)不斷地增加或減少，負(fù)反饋環(huán)路設(shè)計(jì)保證了相位差為零的趨勢。因此，只要電路增益足夠大，系統(tǒng)又穩(wěn)定工作（鎖定狀態(tài))，準(zhǔn)確無誤，即，實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的倍頻要求，而且相位上也是鎖定的。 如果周期信號在鎖相環(huán)的輸入端每周期產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，輸出端就會(huì)有N個(gè)脈沖信號輸出，用輸出脈沖去觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣，就實(shí)現(xiàn)了N倍頻的整周期采樣。這種采樣方式與時(shí)間無關(guān)，稱為空間采樣。 頻率跟蹤的硬件電路實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)頻率跟

35、蹤電路的核心部件是鎖相環(huán)，鎖相環(huán)選用集成數(shù)字鎖相環(huán)芯片CD4046，CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2-8：圖2-8 CD4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CD4046內(nèi)部集成有2個(gè)不同類型的相位比較器、1個(gè)壓控振蕩器、輸入信號源極跟隨器和穩(wěn)壓管。相位比較器有2個(gè)共同輸入信號端(3腳和14腳)，一般14腳為外部信號輸入端，3腳為PD反饋信號輸入端。相位比較器I是異或門，它有較好的噪聲抑制性能，但捕獲頻率范圍較窄，使用時(shí)要求輸入信號的占空比為50%的產(chǎn)生1個(gè)數(shù)字信號(2腳)，并在外部輸入信號與PD反饋輸入信號之間的中心頻率處維持相移；相位比較器n由邏輯門控制的4個(gè)邊沿觸發(fā)器和3態(tài)輸出電路組成的邊緣觸發(fā)雙穩(wěn)電路，不要

36、求輸入信號的占空比為50%,產(chǎn)生數(shù)字誤差信號(13腳)和相位脈沖輸出(1腳)，并在外部輸入信號與PD反饋輸入信號之間保持嚴(yán)格同步，產(chǎn)生相移。線性壓控振蕩器VCO產(chǎn)生1個(gè)方波輸出信號，最高頻率可達(dá)，其實(shí)際輸出頻率與VCO輸入的電壓以及連接到引出端的電容值及的阻值有關(guān)，并且輸出范圍為其中： (2-16) (2-17) 其中:； ； 。 相位脈沖輸出端(1腳)，用于表示鎖定或2個(gè)信號之間的相位差。如果相位脈沖端輸出高電平，表示處于鎖定狀態(tài)。在信號輸入端無信號輸入時(shí)，壓控振蕩器被調(diào)整到最低頻率上。 以CD4046為核心設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)倍頻電路如圖2-9所示，可以選擇實(shí)現(xiàn)2，4，8，16，32，64，128

37、，256多種倍頻的電路。圖2-9 鎖相環(huán)倍頻硬件電路 R3，R2和C2組成低通濾波器，第12管腳開路以實(shí)現(xiàn)最低輸入頻率接近于零，C1的大小控制倍頻的中心頻率；通過雙四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)74LS393實(shí)現(xiàn)2的整數(shù)次冪倍頻，從VCO的4端輸出的信號，輸入到計(jì)數(shù)器74LS393的1端，計(jì)數(shù)器74LS393對輸入信號可進(jìn)行2，4，8，16，32，64，128，256分頻，分頻后的輸出信號接到相位比較器的輸入端3，與輸入的原始信號進(jìn)行相位比較，直至3端和4端的輸入信號的相位差不再隨時(shí)間變化而變化，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)，此時(shí)VCO的4端輸出的信號即為對實(shí)現(xiàn)了N倍頻的信號。2 同頻干擾信號分離 經(jīng)過DFT選頻后可以提

38、取出一個(gè)與系統(tǒng)信號頻率相同的信號，此信號是兩個(gè)同頻信號的疊加值：一個(gè)為同頻干擾信號,與激勵(lì)電壓信號的相位是相同的；另一個(gè)是經(jīng)電而電壓轉(zhuǎn)換后的有用信號，相位滯后激勵(lì)電壓信號?，F(xiàn)需要將有用的電流、電壓轉(zhuǎn)換信號給提取出來，傳統(tǒng)的方法是采用互相關(guān)軟件鎖相方法來濾除同頻正交干擾。但是無論是采用互相關(guān)正交檢測法還是采用正交矢量分解法，都必須保證激勵(lì)電壓信號采樣序列與電流信號的采樣序列是一一對應(yīng)的，即兩采樣序列是要保持同步，表明電流信號是在激勵(lì)電壓信號作用下的結(jié)果，這樣計(jì)算出來的電阻值才是真實(shí)的值。如果兩個(gè)信號不是同時(shí)采樣，則各通道采集的信號并不是同一電角度下的數(shù)據(jù)，兩者之間的相位差是不真實(shí)的，若用這樣的數(shù)

39、據(jù)作為原始數(shù)據(jù)使用，將帶來相應(yīng)的系統(tǒng)誤差?，F(xiàn)采用電壓電流輪流采樣的方法(如圖2-10)：即先采樣一個(gè)電壓點(diǎn)，完成后馬上切換到電流采樣，采樣一個(gè)點(diǎn)，然后回到電壓采樣，如此循環(huán)直到完成系統(tǒng)所需的采樣點(diǎn)數(shù)為止。多路選擇開關(guān)采樣/保持整形/鎖相/128倍頻CPUA/D轉(zhuǎn)換電流信號電壓信號IN1IN2圖2-10 電壓電流同步采樣示意圖己知系統(tǒng)信號最高頻率為128Hz，最低為94Hz，現(xiàn)一個(gè)周期要等間隔采樣128個(gè)點(diǎn)，則每一個(gè)信號的最低時(shí)間采樣間隔，；儀器采用的高速單片機(jī)，內(nèi)部集成有一個(gè)8通道的ADC，通過模擬選擇開關(guān)AMUX切換轉(zhuǎn)換電壓電流采樣通道，其采樣/保持的建立時(shí)間為, ADC轉(zhuǎn)換采樣時(shí)間最大為，

40、可見完成兩個(gè)信號的切換采樣時(shí)間最多為，在系統(tǒng)采樣時(shí)間間隔規(guī)定的范圍內(nèi)，從而可以保證對電壓電流信號的同步采樣。從而可以得到準(zhǔn)確的電壓電流信號相位差。通過使用三重屏蔽設(shè)計(jì)、帶通濾波器、特定信號的DFT檢波及同頻干擾信號的分離后，可以基本上能去除測量過程中存在的干擾，從而得到準(zhǔn)確的有用信號值，為后續(xù)的處理提供了很大的方便，確保了測量的接地電阻阻值的準(zhǔn)確性。第3章 測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)硬件系統(tǒng)的配置3.1.1 單片機(jī)選型 根據(jù)前面介紹的測試原理，單片機(jī)系統(tǒng)是接地電阻測量系統(tǒng)的核心部分，單片機(jī)系統(tǒng)需要完成如下基本功能： DAC器件作為數(shù)字正弦信號發(fā)生器，產(chǎn)生正弦波信號 ADC器件完成數(shù)據(jù)采集，

41、測量電壓電流信號 數(shù)據(jù)采集結(jié)果的檢波濾波及其運(yùn)算 測試結(jié)果的液晶顯示 傳統(tǒng)的80C51單片機(jī)通常內(nèi)部資源少，需要外接專門的DAC和ADC器件，還要用數(shù)據(jù)鎖存器，存儲器等一些輔助器件，這樣不僅增加了儀表電路板的面積及布線難度，而且控制起來也較麻煩，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)序紊亂，動(dòng)作失控，數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的現(xiàn)象，而且其運(yùn)算速度慢，影響到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。為此，我們選用了Cygnal公司C8051F系列單片機(jī)中的C8051F005作為檢測核心，只需要一片指甲大小的芯片就可以完成上述所有的系統(tǒng)功能，無需外圍器件，配置十分簡單，整機(jī)的穩(wěn)定性更好，數(shù)據(jù)精度更高?，F(xiàn)介紹C8051F系列單片機(jī)單片機(jī)的特點(diǎn)如下。Cygnal公司推

42、出的C8051F系列單片機(jī)既彌補(bǔ)了80C51系列的不足，又與MCS-51指令集兼容。C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。在單片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：ADC、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA可實(shí)現(xiàn)捕捉、軟件定時(shí)、高速輸出、PWM), Flash存儲器、非易失性存儲器、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時(shí)器及電源監(jiān)視器等。這些外設(shè)部件的高集成度為設(shè)計(jì)小體積

43、、低功耗、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了很大的方便，同時(shí)也可以使整體系統(tǒng)的成本大大降低。CIP-51微控制器內(nèi)核CIP-51與MSC-51指令完全兼容。CIP-51內(nèi)核廢除了原51的機(jī)器周期概念，指令以時(shí)鐘為運(yùn)行單位，創(chuàng)建了CIP-51的CPU模式，以流水線方式處理指令，標(biāo)準(zhǔn)的8051一個(gè)機(jī)器周期要占用12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，執(zhí)行一個(gè)指令至少要一個(gè)機(jī)器周期，而CygnalC8051F系列單片機(jī)指令處理采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，指令處理能力比MCS51大大提高。70%的指令執(zhí)行是在一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，只有四條指令的執(zhí)行需4個(gè)以上時(shí)鐘周期

44、，大大提升了運(yùn)行速度。CIP-51工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25MHz時(shí)它的峰值速度達(dá)到25MIPS。C8051F系列單片機(jī)的I/O口由固定方式改為交叉開關(guān)配置，可編程數(shù)字I/O和交叉開關(guān)是一個(gè)大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，它允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳。可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器（XBR2、XBR1和XBR0）將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號配置為在端口I/O引腳出現(xiàn)，這就使用戶可以根據(jù)自己特定應(yīng)用選擇通用端口I/O和需數(shù)字資源的組合。而不同于8051單片機(jī)的引腳基本是固定分配的。交叉開關(guān)是一個(gè)多路選擇器，它用于為器件內(nèi)

45、部的硬件外設(shè)分配I/O端口，例如它可以決定UART的RXD和TXD連到哪一個(gè)端口引腳，交叉開關(guān)負(fù)責(zé)SMBusSPIUART，定時(shí)器捕捉模塊，外部PCA輸入，比較器輸出，定時(shí)器外部輸入SYSCLK以及A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入的引腳分配必須在訪問這些外設(shè)的I/O之前配置和允許交叉開關(guān)，未指定的端口引腳作為通用I/O。C8051F系列單片機(jī)具有片內(nèi)JTAG和調(diào)試電路，通過4腳JTAG接口，并使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件就可以進(jìn)行非侵入式全速的在系統(tǒng)調(diào)試。該JTAG接口完全符合I標(biāo)準(zhǔn)，為生產(chǎn)和調(diào)試提供完全的邊界掃描功能。3.1.2 C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)說明根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，我們在從C8051

46、F系列中選用了C8051F005單片機(jī)作為檢測儀器的核心。在該接地電阻測量儀中：采用片內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）子系統(tǒng)產(chǎn)生低頻可變頻率的正弦波信號；采用片內(nèi)可編程增益放大器（PGA）實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換；采用片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）子系統(tǒng)測量電壓傳感器的耦合電壓和電流傳感器的感應(yīng)電流以及地線回路中的干擾電流；采用片內(nèi)可編程定時(shí)器陣列（PCA）測量干擾電流的頻率；采用片內(nèi)串行口將測量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。由此可見，只要采用C8051F005單片機(jī)單個(gè)芯片即可完成接地電阻測量儀的大多數(shù)功能，從而簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)成本和功耗?，F(xiàn)具體說明C8051F005單片機(jī)內(nèi)部資源如下：1. 模塊外設(shè)一個(gè)8通道12位

47、逐次逼近型ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率最大100Ksps，帶可編程放大器（增益：16、8、4、2、1、）；兩個(gè)12位DAC；兩個(gè)模擬比較器，16個(gè)可編程滯回電壓值，可用于產(chǎn)生中斷或復(fù)位。2. 高速8051兼容的微控制器內(nèi)核流水線指令結(jié)構(gòu)，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；速度可達(dá)25MIPS（時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí)）。3. 片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描片內(nèi)調(diào)試電路提供全速非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試不需仿真器，支持?jǐn)帱c(diǎn)單步觀察點(diǎn)堆棧監(jiān)視器。4. 存儲器2304字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32K字節(jié)閃速存儲器（FLASH）可以在系統(tǒng)編程。5. 數(shù)字外設(shè)4個(gè)字節(jié)寬的端口I/O，32個(gè)I/O口，所有口線

48、均耐5V電壓；可同時(shí)使用的硬件I2CTM/SMBusTMSPITM及UART串行通信；16位可編程的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），帶5個(gè)捕獲/比較模塊，四種工作方式，每一個(gè)都配置為8位PWM；4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；專用的開門狗定時(shí)器；雙向復(fù)位。6. 時(shí)鐘源內(nèi)部可編程振蕩器216MHz，外部振蕩器：晶體，RC，C或外部時(shí)鐘。C8051F005單片機(jī)采用64腳TQFP封裝，工作電壓為。3.2 單片機(jī)外圍電路模塊設(shè)計(jì)3.2.1 電壓偏移電路C8051F005單片機(jī)的ADC子系統(tǒng)輸入可設(shè)置為單端或差分方式，范圍為0Vref，Vref為單片機(jī)內(nèi)電壓基準(zhǔn)（），這里將ADC子系統(tǒng)的輸入設(shè)置為單端方式

49、。由于被測模擬量均為雙向交流信號，因此必須在A/D轉(zhuǎn)換之前對該信號進(jìn)行電壓偏移，將其變換為0V的輸入范圍。ADC部分偏移電路原理如圖3-1所示。圖3-1 ADC部分偏移電路原理圖經(jīng)計(jì)算可得： （3-1）從而得到0的符合ADC要求的輸入電壓。C8051F005單片機(jī)的DAC系統(tǒng)輸出為單端輸出方式，輸出電壓Vo范圍為0，而我們需要的是一個(gè)雙向正弦信號，因此需要將產(chǎn)生的單端信號進(jìn)行偏移，將其變?yōu)榈碾妷?，DAC電壓輸出電壓偏移電路原理圖如圖4-2所示：圖3-2 DAC輸出電壓偏移電路經(jīng)計(jì)算可得： （3-2）其中為C8051F005內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，范圍為0，這樣可以得到的雙極性正弦波輸出。3.2.2 JT

50、AG接口電路JTAG接口使用MCU上的四個(gè)專用引腳，他們是TCK、TMS、TDI、TDO，這些引腳都耐5V電壓，通過這四個(gè)JTAG引腳可以方便實(shí)現(xiàn)單片機(jī)在系統(tǒng)調(diào)試，程序的下載以及日后的系統(tǒng)升級。相關(guān)JTAG引腳的定義為：TCK為測試時(shí)鐘輸入；TDI為測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG接口處于某種特定的測試模式；TRST為測試復(fù)位，輸入引腳，低電平有效。JTAG引腳定義見表3-1： 表3-1 JTAG引腳定義引腳說明12、3、9接地4TCK5TMS6TDO7TDI8、10無連接

51、與單片機(jī)的接口電路如圖3-3所示：圖3-3 JTAG接口接線圖3.3 微弱電流信號前置放大電路設(shè)計(jì)由于地線回路中感應(yīng)電流變化范圍較大，為幾十微安幾十毫安，從電流傳感器內(nèi)感應(yīng)得到的微弱電流信號從，電流十分微弱，并且最小值和最大值之間相差10000倍，其動(dòng)態(tài)范圍較大，如果采用某用一固定增益對電流信號進(jìn)行放大，顯然不能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求：當(dāng)設(shè)定增益太大時(shí)，大信號有可能會(huì)超出A/D轉(zhuǎn)換的量程，非線性誤差增大；當(dāng)設(shè)定增益太小時(shí)，小信號有可能無法檢測到，且A/D轉(zhuǎn)換后將丟失較多的有效數(shù)據(jù)位，量化誤差較大，即使采用高位A/D轉(zhuǎn)換器也很難滿足測量精度要求。為了提高測量精度，采用兩步放大的方法：第一步進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換，使用合適的精密運(yùn)算放大器將電流傳感器感應(yīng)到的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)適當(dāng)?shù)男‰妷盒盘?。第二步使用單片機(jī)內(nèi)置的可編程增益放大器，根據(jù)第一級輸出的電壓信號，通過寄存器設(shè)置即可自動(dòng)進(jìn)行增益調(diào)整，從而將不同幅度的微弱電流信號放大到某個(gè)特定范圍，輸出符合A/D轉(zhuǎn)換器輸入范圍要求的電壓，從而提高了其轉(zhuǎn)換精度，便于后續(xù)的信號處理。3.3.1 微電流測試基本原理由于電流不能被直接測量，所以一般先要將電流轉(zhuǎn)換為電壓，目前微電流測量基本上是采用負(fù)反饋放大的運(yùn)算放大電路，其