如何以高速信号采集的单片机提高消谐器参数测量仪精度？

为了精确测量消谐器参数中的真有效值和峰值，本研究设计了一种基于芯科科技（SILICON LABS）8位C8051F020单片机芯片的高精度测量系统。该系统实现多路交流信号的峰值及有效值的实时采集和显示功能。仪器硬件实现交流信号的采集功能，主要由信号调理模块、信号采集与处理模块、显示模块组成。软件分析采集数据的特点确定多路交流信号的采样流程，同时对采集的数据进行综合计算分析，滤除误差，提高测量精度。实验结果表明，该测量仪测量误差满足消谐器参数标定的要求，具有测量精度高、性能稳定、携带方便等特点，能用于消谐器以及仪器电阻非线性的检测，具有较广的应用价值。

消谐器在电力系统中电压互感器上广泛使用。当消谐器电阻的非线性特性与所接入电压互感器的特性匹配时，具有消除谐振，保护电路的作用。因此，消谐器在生产和使用的过程中必须对其电阻的非线性特性进行精确测量。但是由于消谐器电阻具有非线性，在测量时电压和电流的波形会发生畸变，不再是传统的正弦波信号，因此不能采用测量普通正弦波的方法进行测量，需要研制针对消谐器电压电流有效值和峰值的测量装置，通过对比电压、电流的峰值／槡２的数值来判断发生谐振时电路中电压、电流的畸变程度，以便准确分析消谐器电阻的非线性特性，对消谐器产品的合格性进行判定。

消谐器测量仪总体方案设计
消谐器参数测量仪监测的是电压电流经过消谐器后的畸变程度，该畸变信号不能单纯采用通常的有效值来衡量，需要实时测量电压和电流的峰值及有效值，对比电流和电压的峰值除以得到的数值，并绘制曲线即可得消谐器的伏安特性曲线。当电路中的电压和电流发生畸变时，电路中存在多次谐波量，普通的电压表和电流表已无法准确测量电压和电流的峰值与有效值。为了准确的测量畸变信号，必须在前端对信号进行处理，以前在使用时会增加系统中的器件，而且接线冗余，降低了系统的可靠性。在此基础上本文提出一种集成前端信号处理、电压电流实时采样处理并显示的测量方案。该方案主要分为２个部分：底层硬件电路和上层软件，二者相互配合实现以下功能：
1）硬件电路采集交流电压及电流的峰值和有效１值，再经过软件中的程序处理计算得到电压、电流平均值；
2）软件部分根据测量得到的数据特点对数据进行处理，滤除误差、消除干扰；
3）电压和电流的有效值及峰值实时显示在液晶屏上，本系统的主体框架由数据采集模块与处理模块、单片机模块和数据显示模块３个模块构成。                   

系统硬件设计分析
从测量仪的测量需求出发，硬件设计采用模块化的思想，将系统分为3大模块：信号调理模块、信号采集与处理模块和显示模块。信号调理模块对前端输入的交流电压和电流信号进行处理，滤除噪声，将交流信号转化为单片机/模块可采样的信号；信号采集与处理模块对交流电压电流信号进行采样，并对采样后的数据进行运算处理，减小误差；显示模块提供良好的人机界面，实时显示交流电压、电流的有效值、峰值和平均值。

信号采集与处理模块
信号采集与处理模块选择芯科科技公司的C8051F系列单片机中的C8051F020芯片作为系统的主控芯片。C8051F020片上集成了8路高速高精度12位A/D转换器（转换速率100kHz）和可编程增益放大器。C8051F020拥有64个通用I/O口（均与5V兼容），具有4352字节的内部RAM和64K字节的FLASH存储器，可以使用JTAG边界扫描技术进行系统调试及系统现场编程，满足系统的功能要求，同时也降低了系统的功耗和成本。

C8051F020 是一款高度集成混合信号8位MCU，具有8051核心，运转频率为25MHz。加强型 MCU 具有一个 12 位、8英寸、100ksps ADC，一个8位、8英寸、500ksps ADC，一个12位、2 英寸DAC和2个比较器。C8051F020还具有64kB闪存、4.25kB RAM 以及EMIF、I2C、SPI、UART、2x UART通信接口和5 x 16位计时器，包装在14x14mm的QFP100中。借助片上VDD监控器、看门狗定时器和一个±20%内部振荡器和高度模拟集成，C8051F020 MCU是真正独立的片上系统解决方案，并成为便携式医疗器械、电子秤、测试设备和光纤系统等应用的理想之选。

图1：C8051F020开发套件提供了开发便携式测试仪器所需的一切工具

信号调理模块模块
测量仪采集交流电压、电流的峰值和有效值，这４路模拟信号通过C8051F020单片机自带的12位高精度位转换器进行采样。这样减少了系统外围设备、功耗以及成本，增加了系统可靠性，提高系统的测量精度。交流信号可有效值调理电路，由于C8051F020的A/D转换模块是单极型的，且A/D的参考电压为2.5V，无法转换负值的电压。因此，交流信号不能直接接到单片机ADC0的模拟输入引脚上。为了测量交流信号，设置单片机C8051F020的ADC0模块工作在差分方式下，在50Hz的交流信号上叠加一个直流偏置，使得叠加后的信号中没有负电平，输入A/D模块的正输入端模块，在A/D模块的负输入端口输入叠加的偏置电平。两路信号经过差分运算后变为原有的交流信号。 

图2：交流信号采集电路

交流信号采样流程
1）本系统在上电后将输入信号接地，采样系统的零偏值并记录。
2）采样一次电压和电流的峰值，根据峰值大小选择合适的放大倍数，保证信号始终在合适的采样范围内，提高采样精度。
3）进行峰值和有效值的采样。由于有效值的测量需要在一个周期内均匀取值，采样周期较长，在这个周期内，对峰值调理电路的电容充电，保证其电压达到峰值。这样，先采集交流信号的有效值，测完之后再测量其峰值。
4）数据全部测完后，减去开始测量记录下的零偏值。
 
数据处理
交流信号的峰值和有效值数据均为多次采样所得，软件将其存入数组中。软件对数组中相邻的测量数据进行求和，平滑数据值，减少误差。同时，在进行测试时，也根据测量所得数据与标准输入数据进行对比，将测量的误差记录形成表格，进行线性拟合，抽象出其近似的函数关系，进一步减小误差。

测试结果
消谐器的硬件和软件平台搭建完成后，加入测试信号进行测量。测试信号由信号发生器产生，峰值和频率可调。为了模拟真实的输入信号，信号频率选择为50Hz。以电压为例进行分析。测量峰值时，考虑误差主要有2个来源：一是信号输入后，在电气元件上的损耗；二是A/D转换模块转换的误差。而有效值除了上述误差外，还引入了数据在平方，开方运算时造成的数据精度的损失。

结论
针对在非线性条件下的电压和电流的真有效值以及峰值的测量，以便对消谐器的伏－安特性进行正确的判断，设计并开发了基于C8051F020的消谐器参数测量仪。测试结果表明，该系统能够满足设计要求，测量得到精确的电压和电流有效值。同时该测量仪具有携带方便、测量精度高、性能稳定的特点，具有较好的推广应用价值。

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