基于USB的電力諧波數據采集系統方案

1、 PAGE36 / NUMPAGES36基于USB的電力諧波數據采集系統摘要：電力是人們生活越來越不可缺少的一種能源，但是隨著非線性負載在電力系統中的增加，使得電力系統受到的諧波污染日趨嚴重。電力諧波帶來的危害，既影響電網中接連設備的壽命，也影響電網的自身安全。針對電力諧波進行研究，找到防治辦法是非常重要的，防治的首要前提就是與時正確的獲取諧波數據。 本文針對要獲取的電力諧波數據進行了分析，提出了基于USB的數據采集方案，并比較了基于傳統總線的數據采集方式。隨后，對USB的體系結構進行了深入的分析，結合電力諧波數據采集的特點，詳細地介紹了系統的硬件設計和軟件開發(fā)。其中，硬件部分完成了傳感器的選

2、擇，A/D轉換器的選擇，并選擇了Cypress公司的CY7C68013-56pin芯片為作為接口的核心芯片。在對上述傳感器和芯片作了詳細地介紹后，也給出了系統的硬件設計電路，包括A/D轉換器與接口芯片的連接設計，電源轉換電路的設計等，并對電路的PCB制作提出了工藝要求。在軟件部分，詳細闡述了CY7C68013在固件控制下，進行的數據采集和傳輸，文中還介紹了USB的驅動程序設計過程，以與上位機管理程序的設計，最后，完成了一個用USB對電力諧波信號的進行采集的完整系統。 在數據采集系統中應用USB總線技術不僅實現了數據的采集、傳輸和保存數據的功能，并且使系統具有了即插即用的特點。關鍵詞:電力諧波，

3、數據采集，USB，固件，驅動程序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 th

4、e life of power 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

5、 based on USB was put forward in the paper,and compare 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 se

6、ction,choice of sensor and A/D converter was introduced,and With the CY7C68013-56pin chip of Cypress Company as the core for the entire data acquisition system based on USB is designed.The sensor and chip were introduced detailed.Hardware design is completed,including design of A/D converter and int

7、erface chip connection,and 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

8、 the paper.Finally,the system of data acquisition based on USB was designed complete.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

9、研究背景1.1.1 電力諧波 隨著社會的發(fā)展進步，電器設備的大量應用，人們生活的方方面面越來越離不開電力能源，各種各樣的用電設備，方便了人們的生活和工作?，F代人們對電的依賴有增無減表現在科研、生產、交通、運輸、生活、娛樂等等各個方面。隨著科技水平的進步，人們對電力資源的認識也越來越透徹，從而發(fā)現了電力資源中存在著諧波現象，電力諧波對電力供應有著非常嚴重的影響。 研究表明，非線性負載在使用中，由于其獲得的電流和電壓是一種非線性關系的，故可產生畸變的電流，畸變電流反饋到電路回路中又會引起電壓的畸變。從而形成對電力系統的污染。 非線性負載包括各種各樣的電力電子裝置，如電弧類設備，家用電器以與一些高新

10、技術應用的多種設備。這些類型的設備就單個個體而言，所產生的諧波不大。但隨著社會的發(fā)展，這類用電設備的大量增加，己經構成了一個產生電力諧波的群體，它們產生的諧波總和已經不能再被忽略，而成為了電力系統諧波的一個主要來源。 世界各國的電力發(fā)展過程也說明了這一點，美國在上世紀九十年代中后期非線性負載比1992年上升了4污倍。而英國從六十年代電子技術快速發(fā)展開始，若不對諧波加以有效的控制，到八十年代末，英國的電力系統供電電壓畸變率可能高達100k。在電子領域飛速發(fā)展的日本也面臨著同樣的問題，就其換流裝置一種設備而言，從1990年到2000年的十年間，若不加以控制，估計產生的諧波量和電力系統容量的比例能上

11、升2倍左右。隨著非線性負載的快速增加，諧波對電力系統的污染也日趨嚴重。而諧波的存在對于用電設備而言，存在著不同程度的影響和危害。例如，電機受諧波的影響，傳輸效率降低，功率損耗加大，同時還會產生嚴重的噪聲，甚至由于克服無用功而要提高功率，導致大量的熱的產生，使電機使用壽命縮短，嚴重時直接損毀設備;對于繼電器和自動控制設備來說，諧波可能會造成信號識別錯誤，而產生錯誤動作，直接造成控制失誤，也會帶來的危害;對于信號傳輸的設備來說，諧波會使傳輸信號的誤碼率增加，嚴重時可能直接淹沒信號，使信號根本無法識別;對于一些精密的儀器儀表等設備而言，諧波會使測量的數據出現較大的偏差，而直接影響到測量的結果。此外用

12、電設備長期存在嚴重的諧波的環(huán)境下工作，設備的使用壽命也會受到很大影響的。電力諧波的存在就是對電力網絡的污染。 諧波的存在的一個問題是影響了設備的正常工作，降低了電器設備的使用壽命，為了在這個環(huán)境下能夠正常的工作，就要在研制生產帶過程中做很多額外的工作，使設備提高對諧波的承受能力，當然這些都是以增加額外成木為代價的。同時，諧波的存在，大大增加了能耗，造成電力資源的浪費，也不符合現在提倡的“低碳”生活的要求，加之諧波分布圍廣，可以在整個電網中傳播，嚴重時更會直接造成人身的傷害和財產損失。所以，整治電力諧波的任務已經是迫在眉睫，清除電力污染，是一件利國利民的好事。 要想治理電力諧波，對電力諧波污染進

13、行控制，那么它的前提就是對電力諧波的準確測量。電力系統中的負載分為兩類，一類是線性負載，另一類是非線性負載。在電力供應中，非線性負載的接入，破壞了電壓和電流的線性關系，產生了與供電基波頻率有著倍頻關系的諧波，并會把產生的諧波回送到電力供應網中。而在含有諧波的電力供應中，線性負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用功，而且還可能會造成危害。但是，現在的用電計量設備只是對簡單的功耗進行計量，也就是說，它計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象，非線性負載吸收基波，產生了一定量的諧波，在計量時，總的功耗量是吸收的基波能量減去產生的諧波能量

14、。而線性負載消耗的能量則是基波能量加上無用的甚至是有危害的諧波能量。這樣的計量結果使產生了污染的非線性負載不僅不用為產生了諧波負責任，而且還可以頂掉部分正常的能量消耗，降低了其真正的使用成本。而線性負載，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象。 要克服這種不合理的現象，就需要從電力測量這個根本入手，也就是在測量時，不僅能計量基波的能量，而且對諧波也能進行全面的監(jiān)測。這就要求全面準確的取樣電壓電流數據，進行諧波的分析計算，從而準確掌握諧波能量的吸收與產生情況，了解諧波含有率等有關數據，全面監(jiān)測電力質量，并可以以此為依據進行合理的收費，同時也可以采取

15、相應的抑制手段，以減少電網中的諧波成分。1.1.2 數據采集計算機技術的飛速發(fā)展，使得計算機進入了越來越多的行業(yè)，計算機在各行業(yè)的廣泛應用就要求計算機要獲取各種應用環(huán)境或對象的相關數據，然后才能進行分析和處理。數據采集環(huán)節(jié)成為計算機應用的關鍵環(huán)節(jié)。數據采集就是把待處理的物理信息通過相應的傳感器轉換成電信號，再經過適當的信號變換，傳送給計算機進行存儲、處理、轉換、顯示的過程。數據采集是計算機獲取信息的重要手段，能完成上述過程的系統，稱為數據采集系統1。 數據采集系統覆蓋了多個領域，因此采樣的信號也是多種多樣，采集系統要根據信號的不同類型選擇合適的傳感器、轉換電路，把采集的信號轉換成計算機能正確識

16、別和處理的數據。在采集過程中為了保持信號的有用信息，需要對采集速度和精度等指標做出要求，只有符合計算機才能正確的做出分析和處理。數據采集系統就其應用領域，多是實時性系統，實時的處理和實時的控制傳輸是數據采集系統的一大特點。要滿足實時性，就要求電路處理速度符合要求。另外準確、方便、安全和低成本也是數據采集系統開發(fā)就注意的要求。數據采集系統可以以板卡形式集成在計算機主機箱，也可以利用計算機通用接口外接處理電路。機箱置的數據采集系統，曾經是數據采集系統的主流，因為當時微機上配置的是RS-232或RS-485串口，由于其傳輸速率較低，常常會使數據吞吐量受到限制，所以只有在信號取樣頻率不高的場合才使用。

17、 因為速率比配置的串口速度要高一些，早期機數據采集系統大多使用ISA插槽。ISA插槽是基于ISA總線(Industrial standardArchitecture，工業(yè)標準結構總線)的擴展插槽。其工作頻率為SMHZ左右，最大的傳輸速率可以達到16MBPs，數據總線為16位，曾經是微機的主流配置，但是由于ISA總線占用的CPU資源太高，總線帶寬相對所使用資源的占用率又太低，使用成本過高。所以，ISA逐漸被淘汰，現在的微機主流配置中已經沒有了IsA的身影。取而代之的是PCI總線。PCI總線(PeripheralComponentInterconnect，外設組件互連)總線是目前數據采集機系統主要

18、使用的接口。其工作頻率早期為33MHZ，后來隨著計算機的主頻提高，PCI的總線頻率也提升到了66MHZ，數據總線為32位。 1993年又出現了與之標準一樣，數據位數增加到64位的PCI-X總線。數據帶寬得到了很大的提高。目前，PCI技術還在不斷的發(fā)展，新的 PCIExpress已經應用到微機當中。與ISA總線相比，PCI總線是與系統總線并行的總線，其上連接的設備進行數據傳輸時，不需要CPU的介入，極大的提高了CPU的利用率。加之具有總線結構簡單，成木低、設計簡單等優(yōu)點，使其應用圍廣泛。但是PCI總線并行總線無法連接太多設備，總線擴展性較差，加之位于機箱，具有線間干擾可能會導致系統無常工作的缺點

19、，也使得PCI總線在一定場合使用受到了限制。 利用計算機配置的標準接口和數據采集電路連接通信，是現在數據采集系統的一個趨勢，主要是利用USB(UniversalserialBus)接口和IEEE1394接口等。與機箱安裝數據采集系統相比通過接口連接的優(yōu)點是很明顯的。其一，由于系統沒有安裝到機箱，所以不會受到計算機系統部信號干擾，也減小了相互干擾，對采集數據的準確性有很大的好處;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性，無需整機搬運，只需要攜帶采集電路與相應軟件即可。此外還有成本低，采集效果好，靈

20、活實用等優(yōu)點。 現在的計算機標準配置中的接口，除了專用接口外(如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，但連接電纜的長度不能超過2米，也不支持熱插拔2。 IEEE1394接口也叫火線支持外設熱插拔，也可以為連接的外設供電，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

21、壓縮的高質量數據電影。其支持連接的電纜最大長度是4.5米。雖然IEEE1394接口有諸多好處，但是，現在絕大多數主流的計算機沒有配置IEEE1394接口，要使用該接口必須外購相應的接口卡。 USB(通用串行總線)接口在近年來得到了廣泛地應用。很多原先使用其它接口的計算機外設，現在都在使用USB接口。USB接口支持熱插拔，可以通過接口向外部設備提供電源，而且支持多個外設的連接，使用菊花鏈式連接，最多可以接127個外設，并且不會損失帶寬。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接口的開發(fā)，在保持了對低版本兼容的同時，最大傳輸速率可以達到5GbPs。隨著計算機

22、廣泛應用，與其配套的硬件設備飛速發(fā)展，外設數量種類急劇增加，使外設接入計算機產生了一系列問題，而使用USB接口成為解決之道，USB接口現在成為了計算機外設連接的標準化、單一化的接口，并且得到了主要的計算機生產商和軟件開發(fā)商的支持。與正 EE1394接口相比，其普與率大大超過了IEEE1394接口。本課題在開發(fā)，也選擇使用更為普與的USB接口對采集的電力諧波數據進行傳輸。1.2 課題研究的現狀與意義 電力諧波的問題，最早是德國在上個世紀二十年代發(fā)現的，隨后對此進行了大量的研究，也發(fā)表了許多的文章，但是當時并沒有引起很大的關注。主要原因是，當時用電設備本身數量有限，而能引起諧波的非線性負載設備數量

23、更少，其產生的諧波相對于電網容量而言，所占的比例非常低，對電網的影響也非常有限，故爾沒有引起廣泛的注意。但隨著社會的進步，在工業(yè)發(fā)達的國家電力工業(yè)高速發(fā)展，使用的電器設備從種類到數量呈爆炸性的超前增漲，其中非線性負載的也隨之大量增加，其結果是造成電網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越多，引起了工業(yè)發(fā)達國家的高度重視，開始了對電力諧波的研究，并從經濟和技術上采取手段限制電力網中的諧波成分，并制定頒布了電力系統諧波限制標準3。我們國家對電力諧波的研究起步稍晚，但重視程度高，幾乎在所有涉與電力電子應用的工業(yè)部門中，都有把諧波干擾與其分析處理作為重要技術課題進行研究的。我國政府也非

24、常重視電力諧波的控制，在1984年由水利電力部頒布了SD126-84電力系統諧波管理暫行規(guī)定，之后在結合國情，吸取國外諧波標準研究成果的基礎上，又于1993年由能源部組織制定并經國家技術監(jiān)督局批準發(fā)布了國家標準GB/T14549-93電能質量公用電網諧波標準，規(guī)定了電網的諧波允許量，以保證用電的質量與電網的安全。到目前為止，研究電力諧波的時間也不算短了，技術手段在不斷加強。從開始的手工測量計算，到后來的使用計算機進行分析。早期在計算機上采用的是置的數據采集板卡，對電壓、電流信號進行采集，這類設備，缺乏靈活性，而且當時的計算機價格較高，造成整個系統成本過大。為解決這些問題，又開發(fā)出多種嵌入了微處

25、理芯片的諧波測量儀器，其特點是體積小，可以手持，有一定的存儲能力，可以記錄測量的多個參數，并可以安指定的計算方式，進行電力諧波的一些固定方式的分析計算。這一類設備，國外的產品遵守的是其本國標準，若專為我國生產，則價格又相當昂貴。國的產品在價格上有優(yōu)勢，但性能上與國外有一定差距。而且這類設備均保留有與計算機的接口，對于進一步的分析運算還需要把數據上傳到計算機，由計算機來完成數據的處理。再者，手持式的設備只是對一個點的監(jiān)測，要實現聯網監(jiān)測，還是采用計算機為核心的數據采集系統更方便。 另外，目前的電力系統諧波治理，是以防為主，以治為輔，多是被動的采用加濾波器或分開輸電線等方式，這樣的治理能起到一定的

26、作用，但缺乏針對性。我們相信，隨著人們對諧波的研究日漸深入，會針對不同的諧波類型，采取更有效的針對性的措施進行治理，而這種識別和治理的主角還是計算機，前提條件是計算機能獲得電網當中電壓、電流的有效數據。隨著計算機本身性能的不斷提高，運算處理速度越來越快，己經可以滿足一定條件下的諧波實時處理要求，利用計算機的自身優(yōu)勢，我們可以對諧波數據大量的采集、存儲，以利于進行分析研究，比如可以對多種諧波數據分析方式進行研究，從中找出最好最適合當前電網的分析方法。此外，現在配置了USB接口的計算機體積越來越小，價格越來越低，相對于基于微處理機的專業(yè)工具，成本和性能上反而更有優(yōu)勢。2 電力諧波的數據采集技術與U

27、SB2.1電力諧波的概述諧波是電力系統的波形畸變，在我國的供電系統中，規(guī)定的交流電壓和交電流的頻率是50HZ，基本波形是標準的余弦波形，標準的電壓表達式是:u(t)=2Ucos(2f+)其中，U-表示供電電壓的有效值，在用戶用電系統中是220伏; a-表示初相角，在三相電力系統中，其相互間的差值是120; f-表示頻率，在我國標準的基本頻率是50HZ。若電壓不是上述波形，而是畸變的周期性波形，則可以看成是基于上述標準的基波與頻率若干倍于基波的各個余弦波疊加的結果。其中是基波頻率若干倍的電量，就是相應倍數次諧波。例如，是基波頻率3倍的波稱為三次諧波，另外，如果是基波頻率的奇數倍，稱為奇次諧波。偶

28、數倍的稱為偶次諧波。根據國家 GB/T14549-93電能質量公用電網諧波標準中規(guī)定的公用電網諧波電壓限值要求，需要知道電路的標稱電壓，得到電壓的總諧波畸變率與各次諧波電壓含有率。要得到以上的值，需要測量出電路的電壓數據，再對周期性的非余弦電壓進行傅立葉級數分解，計算出所要求的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率。標準同樣對公共連接點允許注入的諧波電流值也做了規(guī)定，分析電流的情況，同樣也需要對電流信號進行采集，然后進行傅立葉級數分解，以便于檢測各次諧波量，判斷是否符合規(guī)定。綜上所述，可以看出，對諧波的分析就是要獲得電壓電流的準確信號，才能正確分解為所要研究的各次諧波，從而考察諧波相應的指標。諧

29、波的產生與功率轉換器的脈沖數相關，脈沖數越高，諧波分量的頻率次數就越高，而一般的功率消耗設備，其脈沖數都不是很高，且隨著諧波分解的次數增高，諧波分量的振幅值越來越小，其在總電量中所占的成份也越來越小，當諧波次數高到一定值時，它的振幅值己經非常小了，可以忽略它的存在，這并不會影響到分析的結果。按國家標準中規(guī)定的值，正確分析出25次諧波即可，但為了以后的發(fā)展要求，本課題將以分析50次諧波作為標準。2.2 數據采集概述一般的計算機數據采集系統，主要由傳感器、調整電路、接口電路和裝有相關軟件的計算機組成，其結構關系如圖1所示。圖1 數據采集系統框圖 傳感器主要負責把要觀察和測量的物理信息轉換成電信號，

30、或者說是感應物理現象并生成數據采集系統可以測量的信號。直接轉換得到的電信號是和它所檢測的物理量呈比例的模擬信號，不能直接被計算機使用，并且?guī)ж撦d能力差，這些問題都需要調理電路進行適當的處理。 調理電路為配合數據采集信號的輸入要求，由傳感器直接得到的電信號必須經過處理，其主要作用是對低電壓信號進行了放大，并對無用信號和干擾信號進行隔離和濾波。此外，一些傳感器需要加電才能進行正常工作，調理電路也要為其提供合適的電源。 調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獲得更高的信號分辨率，同時還要讓放大后的信號匹配后續(xù)電路要求的最大輸入電壓圍或模數轉換電路的最大輸入圍。 此外，隔離也是調

31、理電路的主要責任，其目的是為了把傳感器的信號和計算機進行隔離，以防止外部電路產生有害信號，造成對計算機的損壞。比如，在電路中，如果數據采集設備輸入和所采集的信號使用不同的參考“地線，而一旦這兩個參考地線有電勢差，就有可能產生接地回路，這樣會造成采集的信號不準確；如果兩個地線的電勢差太大，會直接造成對測量系統危害。 調理電路部分在需要時還負責實現多路復用。所謂多路復用，就是使用單個測量設備來測量多個信號的技術，調理電路對于一些相對于系統速度變化較慢的信號，可以使用多路復用，即模數轉換電路采集了一個通道的信號后，再轉換到另一個通道進行采集，如此往復下去。模數轉換電路若進行多通道數據采集，則每個通道

32、的有效采樣速率和采樣的通道數呈反比4。 調理電路還是具有濾波功能的電路、產生傳感器激勵的電路和具有線性化功能的電路等。在設計調理電路時，要了解測量的信號特性、前后電路的輸出輸入圍(用于測量信號的配置調整)和系統使用的周邊環(huán)境，根據這些信息，才能確定是否使用調理電路，與實現那些功能。 經過調理的模擬信號在進入模數轉換電路時，我們要關心的是所來信號的通道情況，保持信號滿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。這些指標在模數轉換是都要加以考慮，其主要原因是信號在模數轉換時會有損失，對上述指標的考慮，可以把這種損失控制在合理的圍，這樣就不會影響到后期的分析處理。 數據采集的通道分為單

33、端輸入通道和差分輸入通道兩種。單端輸入中，輸入信號均以共同的地線為基準。這種方法主要用于輸入信號電壓較高(高于1V)，信號源到模擬輸入硬件的導線較短(小于5米)，且所有的輸入信號共用一個基準地線。如果信號達不到這些標準，應該使用差分輸入。差分輸入中，每一個輸入信號都有自己的基準地線，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行模數轉換的次數。采樣速率越高，越能真實的反映原始信號，但過高的采樣速率也會造成浪費，會使性價比降低。采樣速率越高，所產生的數據量也越大，對信號的描述越仔細，但是對于一些信號而言，以一定的采樣頻率采樣后，其數據已經滿足了我們對信號分析的要求，如果再提

34、高采樣速率，對信號的描述也不會有顯著的提高，所以選取合適的采樣速率是一種既經濟又不會影響到分析結果的好方法。合適的采樣速率是多少，可以應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在理想情況下，模擬信號轉換為數字信號時，采樣頻率只要是信號最高頻率的二倍，就能夠保證經過轉換的數字信號保留著相應頻率完整的原始信息。 在電力諧波數據采集系統中，我們要研究的最高頻率的諧波信號是50次諧波，其頻率是2500HZ，要對其進行正確取樣，保證原始信號的信息，按照奈奎斯特采樣定理，取樣頻率應保持在5000HZ以上。奈奎斯特定理是一種理想的采樣定理，是在完全沒有噪聲干擾情況下的理論值，在實際應用時，往

35、往要保持理想采樣信號最高頻率的35倍。采樣信號的分辨率也關系到信號對原始信息的保留情況，所謂分辨率是指模數轉換器用來表示模擬信號的數據的位數。用來表示數字信號的二進制位數越多，分辨率越高，信號圍被分割成的區(qū)間數目越大，所以能探測到的電壓變化情況就越細微。比如一個振幅為10的正弦波電流，用一個理想的3位模數轉換器轉換，獲得相應的數字圖像如圖2所示，一個3位變換器可以把模擬圍劃分為23個區(qū)間，即8個區(qū)間，每個區(qū)間都由000到111八個二進制數中的一個來表示。從圖中可以明顯的看出，數字表示的階梯圖形與原始信號有著明顯的不同，這些不同就是由于模數轉換過程中，數字信號丟失了部分信息造成的。顯然分辨率越高

36、，分區(qū)越多，數字化后的階梯圖形越接近原始波形。比如分辨率增加到16位時，模數轉換的編碼數從8增加到216(65536)個，在取值圍，數據描述更加精細。由此可見，在恰當地設計模擬輸入電路其它部分的情況下，提高分辨率可以對模擬信號進行更加準確的數字化。 圖2 波形數字化信號對比示例編碼寬度在數據采集系統中反映了最小可探測的電壓變化，其定義是數字化后，數據最低位有效位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進行計算。對于數據采集硬件而言，在設計和使用時還要考慮微分非線性度(DNL)、相對精度、所用放大電路的穩(wěn)定時間和噪聲等參數，這些都可能對采集數據的準確度產

37、生影響，所以在設計時要注意技術規(guī)，不能只參考分辨率等幾個指標，而應該全面考慮，這樣才能確保所采集的數據有足夠的精度。數據采集系統中的計算機從成本上講，更多使用的是微機，它的性能和連接總線有可能直接影響數據連續(xù)采集的速度?，F在市場上的高端微機大多可以集成PCIPCIExpress、PXICompactPCI和IEEE 1394總線，并保留了傳統的USB、RS-232或RS-485總線接口，所以對于數據采集系統來說，總線的選擇是非常靈活的。使用RS-232或RS-485串口，數據采集的吞吐量會受到一定的限制，在采集速率要求較高時，就不能滿足需要了。數據采集的總線在選擇時，要考慮各類總線所能支持的數

38、據傳輸方式，進行合理的選擇。計算機現在都有可編程IO傳送、中斷傳送與DMA傳送方式。傳送方式的不同會影響數據采集設備的數據吞吐量，其中DMA方式具有更高的數據吞吐量，原因是其使用專門的硬件把數據直接傳送到計算機存，處理器不參加數據傳送的控制，可以并行地進行自己的任務處理。選定使用某一類傳送方式，必須使用支持這類傳送的設備。例如，PCI和USB設備可以支持DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA設備只支持中斷傳送方式。對于計算機的選擇可以根據使用情況來確定，要實時處理大量數據時，要選用高速的處理器或專用的插入式處理器，如數字信號處理(DSP)板卡，而對于只采集或簡單換算處理的數據應用系統，則選用一般

39、微機就可以滿足。當然，在選擇計算機時，滿足當前目標的同時，還應該考慮投資的長期回報。軟件在數據系統中，起著非常重要的作用，它負責把數據采集硬件和計算機結合成一個完整的系統，并控制完成數據的采集、分析和顯示等任務。數據采集系統的性能和軟件有著重要的關系，好的軟件可以和硬件很好的結合，使系統具有靈活性和高性能。在軟件開發(fā)時，選擇合適的開發(fā)工具，可以達到事半功倍的效果，極降低開發(fā)數據采集程序所需要的時間與成本。2.3 USB接口概述USB(Universal Serial Bus)的出現為解決過去的遺留問題找到了答案，很多人都經歷過這樣的失敗，在安裝了調制解調器、打印機、掃描儀等計算機外設后，它們卻

40、不能正常工作。更糟的是用戶不知道從哪下手解決問題，為此我們不得不為等待幫助而擔擱數小時。由于得到了大多數廠商的支持，USB成為了上述問題的解決方案。對于一般用戶而言，它使計算機系統連接外部設備變得更為方便和容易了。USB的應用圍非常廣泛，可以用于現有的計算機，也可以用于有嵌入式處理芯片的電器設備上。2.3.1 USB的特點USB提供了最簡單的計算機外設連接方式。使用了USB，用戶無需再為鼠標和鍵盤的連接是否正確而操心了。不管是連接顯示器、打印機，還是連接大容量磁盤存儲驅動器，只需要使用USB一種電纜就可以了。用戶再也不用考慮連接的端口是串口還是并口;因為使用了USB接口，計算機也就不會再有DI

41、P開關、跳線、IRQ沖突和DMA沖突。USB使用戶可以在PC啟動和運行時進行外部設備的連接和斷開，真正實現了即插即用。由于各種外設都可以使用USB接口進行連接，而且連接方式非常簡單，原先一般用戶很難完成連接的外設現在可以方便的接在計算機上了。USB的特點是傳輸功能非常全面，既支持非時實數據的傳輸，如文檔、電子和圖像;同時也支持時實數據的傳輸，如音頻、語音與壓縮視頻。USB的另外一個特點是成本低廉，12Mbps高速傳輸和 1.5Mbps的低速數據傳輸使用的電纜設備都是一樣的，價格低廉。此外，鼠標和鍵盤這樣的低速設備不需要全速的12Mbps帶寬，這樣的低速設備可以共用帶寬，從設備接口的標準化和US

42、B的易用性中獲得好處。2.3.2 USB硬件眾所周知，USB的拓撲結構是多級星型結構，中心結點是主控制器，USB主控制器一般集成在計算機主板上的主芯片群中。在一個標準的USB系統中，只有一個主控制器控制全部系統，主控制器負責處理各種外設的數據輸入輸出的傳輸。如果主控制器正忙，所有外設必須等到主控制器空閑是，然后再建立新的通信傳輸。外設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。利用Hub連接主USB端口可以為計算機系統提供更多的USB端口。外設或Hub可以連接到已經與主控制器連接的HUB上，構成多級星型結構。如圖3所示。

43、由于HUB能連接下一級的HUB，所以可以建立外設的多級星型拓撲結構。USB的集線器有兩個主要功能，即控制器和中繼器。作為中繼器使用時，把信息包上傳到連接的上一級主控制器(或上一級HUB)，或者下傳到所接的下一級外設。 USBhubs歸結為兩類，即獨立型和復合型。獨立集線器通常只有上行和下行端口(上行即數據從外設傳送到主機，下行傳輸方向相反)，而復合型則是除了具有集線器的功能外，還具有其它的外設功能，像顯示器和鍵盤這樣的HUB設備。圖3 USB拓撲結構星型結構的末端節(jié)點一定是外設，外設可以是具有單一功能的，也可以是具有多種功能的設備，多種功能的外設是與復合型HUB完全不同的復合型設備。此外，外設

44、一般可以歸類為具有12Mbps速率的全速設備和具有1.5Mbps的低速設備。USB的出現帶來的一個重要成果是它使連接變得簡單了。對于USB的HUB和外設來說，連接接口只有兩種類型。所以用戶根木不可能把不配套的接口連接在一起。連接主機或上端HUB的連接頭叫做A型連接器，它的形狀是長方形式的。圖4 USB接頭外形圖連接外設或下端HUB的連接頭叫做B型連接器，它的形狀稍方一些，并且有兩個角是弧型的，型兩種連接口以方便接頭的連接定位。主機只支持A型的連接，而HUB則有A型和B。對于多級星型拓撲結構，A型連接器都連接在主機或HUB而B型的連接器則連接在外設或HUB的輸出端。傳輸的電纜可以長達5米，而低速

45、傳輸時，電纜只能有3米長。以12MbPs的輸入端，進行全速率全速率的USB傳輸使用有屏蔽的電纜，可以提高傳輸的性能，增加電纜的長度。低速傳輸時使用的是無屏蔽電纜，可以降低成本。2.3.3 電源所有的USB端口均可以為己經連接的外設提供電源。HUB和外設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或外設的全部電能均由USB提供，USB能夠為連接的全速外設端口提供最大500mA的電流，自供電的HUB可以為每個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，這嚴重限制了他們?yōu)楫斍斑B接的外設提供全面能量的需要。連接在總線供電集線器的外設最大只能獲

46、得100mA的電流?？偩€供電HUB在主機沒有進行配置前，USB設備所提供的電流最大不超過 100mA，而在配置后，可以根據配置情況，為外設提供更大的電流。USB具有多種省電模式，其中一種是掛起，即通過軟件控制減少電源的消耗。掛起又分為兩類，全部的和選擇性的。所有的設備都支持這兩類掛起模式，全部掛起就是所有USB設備進入掛起狀態(tài)，而選擇性的是讓已經無需工作的設備處于掛起狀態(tài)。一般情況下，設備在沒有總線活動3ms后進入掛起狀態(tài)，掛起后設備的用電消耗將不超過500A。500A掛起電流管理起來也不容易，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。3 硬件設計3.1 主

47、要芯片的選擇3.1.1 傳感器的選擇根據上一章數據采集系統框圖，首先要使用傳感器對信號進行轉換，本課題采集的電力信號以220V有效電壓的市電的諧波為采集對象，依據采集系統數據指標的要求，傳感器選用南車時代傳感技術生產的NCV4A電壓傳感器，其主要技術指標是，測量圍是0到375V(對于220V交流電，其振幅值是311V，在測量圍，且正負兩端均有冗余量)，準確度是0.7%，非線性度0.1%，響應時間小于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2.5KHZ)。電流傳感器使用該公司的NT100-S(T)，其主要電氣參數為:測量圍是0-200A(對于供電線路，這個圍可以

48、進行多數情況的電流測試，如果電流超過圍，可以通過電路的并聯分流，降至測量圍)，準確度是0.7%，匝數比是1:1000，非線性度是0.1%，響應時間小于1s，工作頻帶寬度是0到100KHZ。3.1.2模/數(A/D)轉換器的選擇目前，市場上模/數轉換器數量眾多，幾乎每家半導體公司均有自己的產品，但其使用方法基本類似。課題選用美國MAXIM公司生產的8通道刀D轉換器MAX197。MAX197的分辨率為12位，具有5MHZ的帶寬和100KSPS的高速數據吞吐量。我們需要的采樣信號是2.5KHZ帶寬，如果進行12位的數據編碼，根據采樣定理，理想的數據吞吐量為2.5Kx2xl2=60Kbps，而 MAX

49、197的數據吞吐量轉換為一樣單位時，為100Kx12=1200KbP、，考慮到采樣并不能在理想情況下進行，提高3至5倍的采樣頻率，吞吐量依然會有很大的冗余。12位的分辨率經過計算可以得到大約0.15V的電壓編碼寬度，已經大大滿足了電力諧波的采集信號要求了。此外，MAX197為電壓型A/D轉換器，提供了多種電壓測量量程，甚至可以測量高于供電電壓的模擬電壓信號，也可以測量低于系統地電壓的模擬電壓信號，使用靈活方便。將MAX197的主要性能指標列出如下: 單+SV供電電壓; 12位的A/D轉換分辨率; 引腳電平和TTL/CMOS電平兼容; 8路模擬電壓輸入通道; 4種電壓測量量程:0+5V、0+10

50、V、-5V+5V、-10V+10V; 典型轉換時間6s; 100kSPS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; MAX197具備多種工作方式。可選擇部工作時鐘或者外部工作時鐘，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，可在軟件中設置。 當片外控制器向 MAX197發(fā)送控制字節(jié)來控制 MAX197的工作方式時，其控制字節(jié)與各位的定義如下表所示。控制字節(jié)通過D0D7引腳送入。 D7D6D5D4D3D2D1 D0PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0控制字節(jié)中的D7、D6位控制芯片的時鐘模式和低功耗模式。其組合如下:D7=0，D6=0時

51、，使用外部時鐘模式;D7=0，D6=1時，使用部時鐘模式;D7=1，D6=0時，進入待機模式，時鐘模式不變;D7=1，D6=1時，進入掉電模式，時鐘模式不變。控制字節(jié)中的DS位ACQMOD決定采集的模式:ACQMOD=0時，為部采集控制模式;ACQMOD=1時，為外部采集控制模式?？刂谱止?jié)中的D4和D3位用來選擇芯片的模擬輸入電壓圍和極性。D3位BIP=0時，選擇單極性輸入;BIP=0時，選擇雙極性輸入;D4位RNG=0時，選擇5V量程;RNG=l時，選擇10V量程5?？刂谱止?jié)的低3位A0AZ用來選擇模擬輸入通道。關系如表:A2A1A0通道000CH0001CH1010CH2011CH3100

52、CH4101CH5110CH6111CH7 MAX197的時序控制是由控制字節(jié)的PD1和PD0位的組合來確定工作模式， 當PD1=0、PD0=0時，使用外部時鐘頻率模式，其時序圖如圖5所示。圖5 部采集控制模式下使用外部時鐘和WR的時序當PD1=0、PD0=0時，選擇部時鐘模式，需在CLK端與地之間接一個l00pF的電容，相應的采樣頻率可達1.56MHz。其控制字節(jié)的DS位ACQMOD決定采集控制模式，若為0，則為MAX197部采集控制模式，否則為外部采集控制模式。其時序圖如圖6所示。圖6 部采集控制模式時序圖其相應的控制字為PD1=0、PD0=l、ACQMOD=0;輸入量程圍為0+5V，RN

53、G=0、BIP=0；低三位為輸入通道。整個控制字節(jié)為0l000 xxx，即4XH(X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公司生產的EZ-USBFX2系列的56引腳芯片，Cypress公司的EZ-USB系列是目前市場上能提供端點數量最多的產品，它最多能提供31個端點。因為它的端點數量多，用戶可以靈活的為每個單獨的數據流分配不同的緩沖，而無需合并各種不同的數據流以單一的數據類型進行傳輸。另外，這些端點可以設置成雙緩沖，在一些應用中用來提高帶寬。Cypress公司的EZ-USB系列的主要特征之一是8051固件代碼開發(fā)工作量的顯

54、著減少。在大多數應用當中，端點0用作控制端點，所以它的編程是最復雜的。每個設備都必須有一個控制端點(總是使用端點0)用于設備的配置、設備狀態(tài)的控制和其它操作方面的控制。因此編程時，端點0是最復雜的，因為它在建立階段、數據階段(可能有也可能沒有)和狀態(tài)階段都要用到。隨著USB芯片其它問題的解決，對端點0的處理方式可以和其它端點一樣。EZ-USB的核提供了有關的邏輯，以簡化為支持端點0而進行的編程。其高層協議的使用能減少80%以上的標準8051匯編程序調用。例如，USB硬件核保留了控制三個階段(建立、數據和握手)的路徑，而不是把數據放入8051當中，所以CPU只對需要的數據裝載一個地址指針。 Cy

55、press公司特有的重列舉技術，使USB設備功能很靈活，重列舉就是設備在列舉配置之后，再一次進行配置。當驅動安裝的時候，新的固件程序也下載EZ-USB的RAM中，這樣就改變了設備的“特性”。一般來說，必須在實際設備斷開后，再連接時才會再一次進行列舉。對于EZ-USB設備來說，它模仿斷開再連接來完成一個新的列舉過程，一系列的設備描述就可以下載到設備上了。重列舉為更新設備功能帶來了方便，因為固件是在列舉過程中下載到芯片上，而不是固化在芯片上的。使用EZ-USB系列可以降低固件開發(fā)的難度。在開發(fā)完成后，設計者把剛完成的USB設備第一次連接到計算機課上時，出現最多的情況是不能正常工作。外圍設備最開始連

56、接到計算機上后，主機控制器就會送出標準的USB命令，查詢外設的資源。一般情況下，設計者不能預測主控制器的反應，因為設計者沒有辦法去控制下控制器發(fā)出的命令。不過，應用EZ-USB的開發(fā)工具包，可以使用CyPress公司提供的固件開發(fā)器，通過它可以手動發(fā)出主機的命令并且能夠清楚的知道外設對命令的響應。這使得在不加驅動的時候，仍然可以進行固件的編程和對主機命令的測試。有了這樣的工具，固件設計者即使沒有必要的驅動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行固件代碼的開發(fā)。驅動的示例代碼可以提高開發(fā)的效率。CyPress除了提供通用的USB驅動程序以外，還提供了一系列的驅動程序的例

57、子，以加速驅動程序的開發(fā)。當然用戶仍然可以使用微軟提供的含蓋了一系列驅動的驅動標準集。另外，CyPress公司還提供了在重列舉時下載8051固件和設備驅動程序的源代碼。CyPress公司提供的這類代碼，為使用特有的“軟配置”技術帶來益處。3.1.4 EZ-USBFX2芯片描述EZ-USB系列使用非常省電的設計，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備。Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片是世界上第一款集成了USB2.0協議的微處理器，最典型的就是CY7C68013，其提供了強大的功能，包括USB接口以與和8051兼容的指令系統，但是其功耗比較大，其絕

58、對值高達936mW。因此，Cypress公司隨后又推出了低功耗版本的EZ-USBFX2LP系列芯片，其中用的比較多的是CY7C68013A芯片，此款芯片也正是本課題選用的芯片。EZ-USBFX2LP芯片的部結構如圖7所示。圖7 EZ-USB FX2LP芯片的部結構其中主要包括 USB2.0收發(fā)器、串行引擎(SIE)、增強型8051核、 16KB的RAM、4KB的FIFO存儲器、I/O接口、數據總線、地址總線和通用可編程接口(GPIF)。CY7C68013的特點:(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)和增強型51核;(2)可進行“軟配置”的RAM，大小為

59、8.5K，取代傳統的51的RAM和ROM，程序可通過下列方式下載:-通過USB口下載;-通過外面的EEPROM裝載;-外界存儲設備(僅128引腳的芯片支持)通用可編程接口GPIF，GPIF是FXZ的一項重要技術-可設置為主從模式，主模式下可對外部FIFO，存儲器，ATA接口設備進行高速讀寫操作，從模式下外部主控器(如DSP，MCU)可把GPIF端口當作FIFO進行高速讀寫操作;-支持與外設通過并行8位或16位總路線傳輸;-支持通過GPIF編程工具編程，靈活產生各種波形;-支持多CTL輸出和多RDY輸入(4)增強工業(yè)級8051核，特點有：-支持48M時鐘:-4個時鐘指令周期，在時鐘為-兩個UAR

60、T;-三個TIMER;-多中斷系統;-雙數據指針;(5)3.3V工作電壓;(6)智能串行接口引擎(SIE)(7)USB中斷矢量;(8)100KHz或400KHzI2C接口;(9)4個集成FIFO;-低成木與外設實現“膠連接”;-自動實現從16位FIFO轉換-支持主從工作模式;-FIFO支持外時鐘和同步數據觸發(fā):-輕松實現與ASIC，DSP連接;(10)包括多達5個通用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 硬件的總體設計傳感器輸出端輸出的測量電流最大為20mA，而A/D轉換器的輸入圍選擇的是05V，可以計算出在二次邊需連接25