機電參數高精度實時測量方法研究

王 超，李雪亭，張海鵬，夏振盛

(1.海軍潛艇學院，山東 青島 266042；2.92330部隊，山東 青島 266000)

機電參數高精度實時測量方法研究

王 超1，李雪亭2，張海鵬1，夏振盛1

(1.海軍潛艇學院，山東 青島 266042；2.92330部隊，山東 青島 266000)

針對設計實時高精度機電設備參數測量裝置需求，分析了測量熱工參數和電氣參數傳感器及其輸出信號形式的選取方法，研究了微控制器應用及其與傳感器相接方法，設計了多任務機制程序結構和精密整流電路。應用表明該方法提高了測量裝置的測量實時性和測量精度。

機電設備；參數測量；技術；方法

熱工參數和電氣參數是判斷運行中的機電設備或維修后的機電設備正常與否的重要依據。運用傳感器(變送器)和微控制器設計機電設備運行參數測量裝置，具有設計成本較低和設計周期較短的特點。機電設備運行參數測量裝置主要由硬件和軟件組成，一般包括傳感器、微控制器、轉換電路、存儲器電路、電源電路、按鍵、顯示器及微控制器運行程序等。在設計質量高、性能好的機電設備運行參數測量裝置的過程中，研究實時高精度測量機電參數技術和方法是設計機電設備運行參數測量裝置的關鍵技術。

1 傳感器及其選用方法研究

1.1熱工參數與電氣參數傳感器分析

可用傳感器直接測量的熱工參數主要有壓力、流量、溫度、轉速、液位和位置等物理量，傳感器將這些物理量(非電量)轉換為與之有確定關系的電量[1]，供給微控制器處理。測量同一熱工參數可有多種不同的傳感器(原理、形式、精度、價格等不同)供選用，如流量傳感器(包括流量檢測儀表)就有10大類，約100余種。應用中要對被測參數的量程范圍、安裝環境及測量精度要求等方面綜合考慮。一般選型可以從儀表性能、流體特性、安裝條件、環境條件和經濟因素5個方面考慮，或者從測量方法、最大流量與最小流量、最高工作壓力、測量精度、流體成分、最高工作溫度與最低工作溫度和安裝環境等多方面考慮。在沒有合適的型號產品選取時，還可向廠家提出要求定制。

可用傳感器直接測量的電氣參數主要有電壓、電流(啟動電流、穩定電流)、頻率、相角、功率、相序和絕緣電阻等物理量，傳感器將這些參數轉換為與之有確定關系的標準電量，供給微控制器處理。測量同一電氣參數也有多種不同的傳感器可選，選取時一般從量程范圍、測量精度及安裝環境要求等方面綜合考慮。特別要考慮選用具有強弱電隔離性能的傳感器，以防止工作中產生干擾。例如，應用通過端子、插針輸入或穿孔方式直接接入高電壓或大電流信號的電量隔離傳感器，既便于使用，又具有較好的抗干擾性能。在一些特殊場合采用非接觸式傳感器更利于提高測量裝置的安全性。

目前，各種智能化、數字化、帶有非線性校正和溫度補償的高精度、高穩定度新型傳感器不斷出現。有些傳感器不需用戶二次開發，就能直接應用。選用這類新型傳感器可以簡化測量裝置的設計工作。選用傳感器時，還可以多選取幾種技術性能指標符合設計要求的傳感器，進行比較試用，從而發現不足、優中選優。

1.2傳感器輸出信號形式的選取研究

傳感器輸出信號具有電壓、電流、頻率(脈沖)和數字等形式。不同形式的信號，具有不同的特點。采用微控制器構成參數測量裝置時，要將電壓、電流等模擬量經高精度模數(AD)轉換送至微控制器，脈沖信號、數字信號可直接經接口送至微控制器。

模擬電壓(電流)信號大小與被測參數成正比。標準模擬電壓信號通常為0～2.5 V、0～5 V或0～10 V等，電壓最大值對應所測參數的量程。電壓信號便于高速采集信號，適用于采集實時性要求高的參數，但易受到干擾，適合于傳感器與模數(AD)變換器距離較近的場合。標準模擬電流信號通常為4～20 mA、0～20 mA或0～10 mA等，電流最大值對應所測參數的量程。與電壓信號相比，電流信號抗干擾較強，適合于傳感器與模數(AD)變換器距離較遠的場合及高速采集信號。

數字脈沖信號頻率與被測物理量成正比，輸出頻率最大值對應所測參數的量程。這種輸出方式適合于傳感器與微控制器距離較遠的場合，輸入時要在微控制器頻率測量端口前加整形電路。

數字編碼信號是一種通訊信號，通過標準接口與微控制器連接，如RS232、RS485或USB等，通過微控制器發送既定的指令，讀取傳感器輸出的所測參數數字代碼。采用RS485接口方式傳送距離較遠，但信號采集速度受接口傳輸速率的限制。該信號方式不需模擬量信號調理電路，抗干擾能力強。

2 微控制器及其應用方法分析

2.1微控制器分析

微控制器的應用是設計機電設備參數測量裝置的關鍵技術。微控制器種類很多，應用較廣的是MCS—51系列微控制器，其主要配置為4～64 k Flash ROM、128或256字節RAM、2～3個定時器、2個外部中斷及一個異步通訊接口(UART)等。隨著微控制器的發展，出現了很多兼容MCS—51內核、資源更加豐富的新型微控制器。其中，Silicon Laboratories公司的高速混合信號處理SOC系列微控制器，除具有MCS—51系列微控制器的內核外，還集成了AD、DA、PCA、I2C總線、交叉開關、USB及CAN控制器等。例如，該系列的C8051F410型微控制器具有高速8051微控制器內核。在時鐘頻率為50 MHz時，運算速度最高可達50 MIPS；具有24個I/O端口，均可配置為上拉模式或開漏模式，耐壓值為5 V；具有12位200 ksps的AD轉換器，并可配置為任意I/O口輸入，還可配置為差動輸入，以提高抗干擾能力和轉換精度；具有2個12位電流輸出DA轉換器，可以實現模擬量輸出；具有16 kFlsah存儲器、2304字節RAM，可以裝載解決較復雜問題的長程序；內部振蕩器精度達±2%，可支持UART操作。該控制器能夠勝任多數據采集及數據處理功能的需求。因此，它適用于研制開發測量多種機電參數的參數測量裝置。

2.2編程語言和開發軟件分析

由于參數測量中需要計算物理量，當涉及浮點數運算時，采用匯編語言編程較為復雜，而采用C語言編程則具有以下優點：可以由編譯器自動完成程序變量的分配，從而優化程序結構；可實現結構化程序設計，增強程序的可讀性；可實現復雜的數學運算，有利于提高數據處理能力；便于檢查與調試程序。

8051系列微控制器C語言開發環境的常用軟件有：Intel公司的ASM51、美國的Cybernetic Microsystem Inc公司的Cys8051、美國Keil Software公司的Keil C51、國內的MedWin集成開發環境及偉福集成開發軟件等。其中Keil C51是一種集編輯、編譯和仿真于一體的微控制器開發軟件。由于它是一個標準的Windows應用程序，使得開發編譯過程完全在Windows界面環境下進行。該軟件具有源代碼編輯、project管理、窗口功能和工具引用功能，它的人機界面友好，操作方便。并且其高效的C51編譯器可自動編譯生成目標文件(*.OBJ)，然后經L51連接定位生成絕對目標文件(*.ABS)，最后由OH51轉換成標準的HEX文件，形成可以直接寫入程序存儲器的16進制程序。

2.3端口資源的使用

若微控制器僅有數字端口，傳感器的模擬量信號要先經AD變換器轉換成數字量再送到微控制器的輸入端口。若微控制器內部有AD變換器，可直接將模擬量信號送至微控制器的模擬量輸入端口。傳感器的數字脈沖信號和數字編碼信號，要經電平轉換后與微控制器的數字量輸入端口或通信端口相連。先進的微控制器通過軟件讀取AD變換結果、測量數字脈沖信號的頻率或讀取所測參數的數字編碼信號。如混合信號SOC FLASH微控制器C8051F410，其I/O端口可通過軟件配置為數字量或模擬量方式，以適應不同信號輸入輸出要求。當機電設備被測參數具有多種信號形式時，選用多種I/O端口方式的微控制器能夠簡化電路的設計。

微控制器的端口是有限的，當所測參數數量超過微控制器端口數時，需要擴展端口。這時，可采用串并轉換芯片(如74HC595)擴展端口。當需要采用多個串口進行通信時，可以用多路開關構成共享異步串行通信口。

3 機電參數實時性測量技術研究

3.1傳統測量方法的實時性缺陷分析

程序的任務機制對微控制器處理測量數據的實時性影響很大。傳統應用程序一般基于前后臺任務機制，程序的各功能模塊，按固定順序循環執行。即多個任務構成一個無限循環，執行完一個模塊后再執行另一個模塊。循環執行的模塊被稱為后臺；當產生中斷時，微控制器執行中斷服務程序，這個模塊被稱為前臺。這種前后臺任務機制有一個不足，即某事件發生了，要等到程序循環到查詢該事件標志時才能得到處理，這就影響了測量數據的實時性，如：測量電流瞬時值時，由于處理時間延時，得不到準確的實時數據。

3.2多任務機制程序結構的實時性分析

基于多任務實時操作系統的程序結構，將項目功能分解為多個相對獨立的任務，CPU運行時間被劃分為許多小時間片，各任務分別在各自的時間片內訪問CPU，從而產生了在微觀上輪流運行，宏觀上并行運行的實時效果，如圖1所示[2]。

圖1 多任務機制程序結構圖

3.3多任務機制結構的實現方法研究

小型實時操作系統RTX—51Tiny是執行多任務機制的有效平臺，基于它設計測量數據綜合處理軟件能得到較好的實時性。RTX—51Tiny完全集成在Keil C51編譯器中，運行速度快，占用硬件資源少，使用靈活方便。它以C51函數調用的方式運行，很容易使用C51編寫和編譯一個最多16個任務的多任務程序，并嵌入到實際系統中。進而按時間片循環任務調度，支持任務間信號傳遞，通過并行使用中斷，來提高系統的實時性。

應用時要注意2點：一是RTX—51Tiny不支持信號量操作，劃分任務時，應將對同一外設的訪問放在同一任務中；二是采用RTX—51Tiny，會增加編譯后的代碼長度，在保證功能穩定的前提下，應盡量避免長任務，優化代碼，控制代碼長度[3]，以免降低系統的實時性。

4 機電參數高精度測量技術研究

4.1影響機電參數測量精度的原因分析

除了傳感器自身的感測性能的影響，微弱信號處理電路技術對機電參數測量精度也有較大的影響。如用傳感器(如跟蹤方式電流隔離傳感器)測量交流電流時，傳感器輸出電壓信號波形與被測電流瞬時值成正比，須經整流后進行AD變換。因二極管有正向電壓，弱小信號通不過傳統的二極管橋式整流電路，這就使得一部分信號丟失，影響測量精度。

4.2精密整流電路技術研究

利用運算放大器的放大倍數極大和輸入阻抗極高的特性，構成如圖2所示的精密整流電路，實現對微弱信號的全波整流，做到完整地采樣瞬時值。當輸入信號正半周時，A2輸出為更大的正信號，二極管D1反偏截止，D2正偏導通，運算放大器A2利用A3輸入端虛短特性構成電壓跟隨器，運算放大器A3本身就構成電壓跟隨器。所以，此時uo=ui。當輸入信號在負半周時，A2輸出為更大的負信號。因此，二極管D2截止，D1導通，運算放大器A2通過D1構成電壓跟隨器，防止其處于開環狀態。輸入信號利用A2輸入端虛短特性送至R1，而運算放大器A3構成反相比例放大電路，放大倍數為-R2/R1，如果R2=R1，則放大倍數為-1，所以最后輸出uo=-ui。這就實現了對微弱信號的全波整流。理論上本電路可對0～±VDD范圍內信號整流，避免二極管整流700 mV電壓損失，確保模擬信號測量范圍，提高測量精度。

圖2 精密整流電路圖

4.3精密整流電路應用

機電設備參數測量裝置的電流、電壓等模擬信號可能來自用整定電位器構成的信號整定電路，其信號內阻抗大，會引起測量誤差。通過運用A1作電壓跟隨器，得到很高輸入阻抗、很低輸出阻抗的信號，以消除其影響。采用LT1014(開環差模放大倍數大)型運算放大器和1N4148型二極管制作電路，結果可以滿足測量精度要求。

5 結束語

基于微控制器的機電設備參數測量裝置的核心部件是傳感器和微控制器，而參數測量的實時性和精度直接影響所設計參數測量裝置的性能指標，必須采取有效的技術和方法來解決，以上是作者近年來在多種機電設備參數測量裝置的設計實踐中，行之有效的幾個實用技術和方法。

[1] 徐科軍. 傳感器與檢測技術[M]. 北京：電子工業出版社，2004.

[2]歐偉明.嵌入式應用軟件任務劃分的原則[J].單片機與嵌入式系統應用，2007(6):65-67.

[3] 岳洋,曹穎.基于小型操作系統RTX51-Tiny 設計實現的無線終端[J].電子測量技術，2008，31(5):170-172，180.

In order to design the high-precision and real-time measurement device, the sensors for measurement thermal parameters and electrical parameters were analyzed and the output signals of sensors were studied. The micro-controller applications and its linking method with sensors were researched. The multi-task mechanism program and precision rectifier circuits were designed. It was shown that these methods can improve the high-precision and real-time characteristic of the measurement device.

electromechanical equipment； parameters measurement；technology；method

U665

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.01.006

王超(1960-)，男，江蘇六合人，副教授，碩士，研究方向為船舶電氣設備。

2014-10-23