机电参数高精度实时测量方法研究

王 超，李雪亭，张海鹏，夏振盛

(1.海军潜艇学院，山东 青岛 266042；2.92330部队，山东 青岛 266000)

机电参数高精度实时测量方法研究

王 超1，李雪亭2，张海鹏1，夏振盛1

(1.海军潜艇学院，山东 青岛 266042；2.92330部队，山东 青岛 266000)

针对设计实时高精度机电设备参数测量装置需求，分析了测量热工参数和电气参数传感器及其输出信号形式的选取方法，研究了微控制器应用及其与传感器相接方法，设计了多任务机制程序结构和精密整流电路。应用表明该方法提高了测量装置的测量实时性和测量精度。

机电设备；参数测量；技术；方法

热工参数和电气参数是判断运行中的机电设备或维修后的机电设备正常与否的重要依据。运用传感器(变送器)和微控制器设计机电设备运行参数测量装置，具有设计成本较低和设计周期较短的特点。机电设备运行参数测量装置主要由硬件和软件组成，一般包括传感器、微控制器、转换电路、存储器电路、电源电路、按键、显示器及微控制器运行程序等。在设计质量高、性能好的机电设备运行参数测量装置的过程中，研究实时高精度测量机电参数技术和方法是设计机电设备运行参数测量装置的关键技术。

1 传感器及其选用方法研究

1.1热工参数与电气参数传感器分析

可用传感器直接测量的热工参数主要有压力、流量、温度、转速、液位和位置等物理量，传感器将这些物理量(非电量)转换为与之有确定关系的电量[1]，供给微控制器处理。测量同一热工参数可有多种不同的传感器(原理、形式、精度、价格等不同)供选用，如流量传感器(包括流量检测仪表)就有10大类，约100余种。应用中要对被测参数的量程范围、安装环境及测量精度要求等方面综合考虑。一般选型可以从仪表性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济因素5个方面考虑，或者从测量方法、最大流量与最小流量、最高工作压力、测量精度、流体成分、最高工作温度与最低工作温度和安装环境等多方面考虑。在没有合适的型号产品选取时，还可向厂家提出要求定制。

可用传感器直接测量的电气参数主要有电压、电流(启动电流、稳定电流)、频率、相角、功率、相序和绝缘电阻等物理量，传感器将这些参数转换为与之有确定关系的标准电量，供给微控制器处理。测量同一电气参数也有多种不同的传感器可选，选取时一般从量程范围、测量精度及安装环境要求等方面综合考虑。特别要考虑选用具有强弱电隔离性能的传感器，以防止工作中产生干扰。例如，应用通过端子、插针输入或穿孔方式直接接入高电压或大电流信号的电量隔离传感器，既便于使用，又具有较好的抗干扰性能。在一些特殊场合采用非接触式传感器更利于提高测量装置的安全性。

目前，各种智能化、数字化、带有非线性校正和温度补偿的高精度、高稳定度新型传感器不断出现。有些传感器不需用户二次开发，就能直接应用。选用这类新型传感器可以简化测量装置的设计工作。选用传感器时，还可以多选取几种技术性能指标符合设计要求的传感器，进行比较试用，从而发现不足、优中选优。

1.2传感器输出信号形式的选取研究

传感器输出信号具有电压、电流、频率(脉冲)和数字等形式。不同形式的信号，具有不同的特点。采用微控制器构成参数测量装置时，要将电压、电流等模拟量经高精度模数(AD)转换送至微控制器，脉冲信号、数字信号可直接经接口送至微控制器。

模拟电压(电流)信号大小与被测参数成正比。标准模拟电压信号通常为0～2.5 V、0～5 V或0～10 V等，电压最大值对应所测参数的量程。电压信号便于高速采集信号，适用于采集实时性要求高的参数，但易受到干扰，适合于传感器与模数(AD)变换器距离较近的场合。标准模拟电流信号通常为4～20 mA、0～20 mA或0～10 mA等，电流最大值对应所测参数的量程。与电压信号相比，电流信号抗干扰较强，适合于传感器与模数(AD)变换器距离较远的场合及高速采集信号。

数字脉冲信号频率与被测物理量成正比，输出频率最大值对应所测参数的量程。这种输出方式适合于传感器与微控制器距离较远的场合，输入时要在微控制器频率测量端口前加整形电路。

数字编码信号是一种通讯信号，通过标准接口与微控制器连接，如RS232、RS485或USB等，通过微控制器发送既定的指令，读取传感器输出的所测参数数字代码。采用RS485接口方式传送距离较远，但信号采集速度受接口传输速率的限制。该信号方式不需模拟量信号调理电路，抗干扰能力强。

2 微控制器及其应用方法分析

2.1微控制器分析

微控制器的应用是设计机电设备参数测量装置的关键技术。微控制器种类很多，应用较广的是MCS—51系列微控制器，其主要配置为4～64 k Flash ROM、128或256字节RAM、2～3个定时器、2个外部中断及一个异步通讯接口(UART)等。随着微控制器的发展，出现了很多兼容MCS—51内核、资源更加丰富的新型微控制器。其中，Silicon Laboratories公司的高速混合信号处理SOC系列微控制器，除具有MCS—51系列微控制器的内核外，还集成了AD、DA、PCA、I2C总线、交叉开关、USB及CAN控制器等。例如，该系列的C8051F410型微控制器具有高速8051微控制器内核。在时钟频率为50 MHz时，运算速度最高可达50 MIPS；具有24个I/O端口，均可配置为上拉模式或开漏模式，耐压值为5 V；具有12位200 ksps的AD转换器，并可配置为任意I/O口输入，还可配置为差动输入，以提高抗干扰能力和转换精度；具有2个12位电流输出DA转换器，可以实现模拟量输出；具有16 kFlsah存储器、2304字节RAM，可以装载解决较复杂问题的长程序；内部振荡器精度达±2%，可支持UART操作。该控制器能够胜任多数据采集及数据处理功能的需求。因此，它适用于研制开发测量多种机电参数的参数测量装置。

2.2编程语言和开发软件分析

由于参数测量中需要计算物理量，当涉及浮点数运算时，采用汇编语言编程较为复杂，而采用C语言编程则具有以下优点：可以由编译器自动完成程序变量的分配，从而优化程序结构；可实现结构化程序设计，增强程序的可读性；可实现复杂的数学运算，有利于提高数据处理能力；便于检查与调试程序。

8051系列微控制器C语言开发环境的常用软件有：Intel公司的ASM51、美国的Cybernetic Microsystem Inc公司的Cys8051、美国Keil Software公司的Keil C51、国内的MedWin集成开发环境及伟福集成开发软件等。其中Keil C51是一种集编辑、编译和仿真于一体的微控制器开发软件。由于它是一个标准的Windows应用程序，使得开发编译过程完全在Windows界面环境下进行。该软件具有源代码编辑、project管理、窗口功能和工具引用功能，它的人机界面友好，操作方便。并且其高效的C51编译器可自动编译生成目标文件(*.OBJ)，然后经L51连接定位生成绝对目标文件(*.ABS)，最后由OH51转换成标准的HEX文件，形成可以直接写入程序存储器的16进制程序。

2.3端口资源的使用

若微控制器仅有数字端口，传感器的模拟量信号要先经AD变换器转换成数字量再送到微控制器的输入端口。若微控制器内部有AD变换器，可直接将模拟量信号送至微控制器的模拟量输入端口。传感器的数字脉冲信号和数字编码信号，要经电平转换后与微控制器的数字量输入端口或通信端口相连。先进的微控制器通过软件读取AD变换结果、测量数字脉冲信号的频率或读取所测参数的数字编码信号。如混合信号SOC FLASH微控制器C8051F410，其I/O端口可通过软件配置为数字量或模拟量方式，以适应不同信号输入输出要求。当机电设备被测参数具有多种信号形式时，选用多种I/O端口方式的微控制器能够简化电路的设计。

微控制器的端口是有限的，当所测参数数量超过微控制器端口数时，需要扩展端口。这时，可采用串并转换芯片(如74HC595)扩展端口。当需要采用多个串口进行通信时，可以用多路开关构成共享异步串行通信口。

3 机电参数实时性测量技术研究

3.1传统测量方法的实时性缺陷分析

程序的任务机制对微控制器处理测量数据的实时性影响很大。传统应用程序一般基于前后台任务机制，程序的各功能模块，按固定顺序循环执行。即多个任务构成一个无限循环，执行完一个模块后再执行另一个模块。循环执行的模块被称为后台；当产生中断时，微控制器执行中断服务程序，这个模块被称为前台。这种前后台任务机制有一个不足，即某事件发生了，要等到程序循环到查询该事件标志时才能得到处理，这就影响了测量数据的实时性，如：测量电流瞬时值时，由于处理时间延时，得不到准确的实时数据。

3.2多任务机制程序结构的实时性分析

基于多任务实时操作系统的程序结构，将项目功能分解为多个相对独立的任务，CPU运行时间被划分为许多小时间片，各任务分别在各自的时间片内访问CPU，从而产生了在微观上轮流运行，宏观上并行运行的实时效果，如图1所示[2]。

图1 多任务机制程序结构图

3.3多任务机制结构的实现方法研究

小型实时操作系统RTX—51Tiny是执行多任务机制的有效平台，基于它设计测量数据综合处理软件能得到较好的实时性。RTX—51Tiny完全集成在Keil C51编译器中，运行速度快，占用硬件资源少，使用灵活方便。它以C51函数调用的方式运行，很容易使用C51编写和编译一个最多16个任务的多任务程序，并嵌入到实际系统中。进而按时间片循环任务调度，支持任务间信号传递，通过并行使用中断，来提高系统的实时性。

应用时要注意2点：一是RTX—51Tiny不支持信号量操作，划分任务时，应将对同一外设的访问放在同一任务中；二是采用RTX—51Tiny，会增加编译后的代码长度，在保证功能稳定的前提下，应尽量避免长任务，优化代码，控制代码长度[3]，以免降低系统的实时性。

4 机电参数高精度测量技术研究

4.1影响机电参数测量精度的原因分析

除了传感器自身的感测性能的影响，微弱信号处理电路技术对机电参数测量精度也有较大的影响。如用传感器(如跟踪方式电流隔离传感器)测量交流电流时，传感器输出电压信号波形与被测电流瞬时值成正比，须经整流后进行AD变换。因二极管有正向电压，弱小信号通不过传统的二极管桥式整流电路，这就使得一部分信号丢失，影响测量精度。

4.2精密整流电路技术研究

利用运算放大器的放大倍数极大和输入阻抗极高的特性，构成如图2所示的精密整流电路，实现对微弱信号的全波整流，做到完整地采样瞬时值。当输入信号正半周时，A2输出为更大的正信号，二极管D1反偏截止，D2正偏导通，运算放大器A2利用A3输入端虚短特性构成电压跟随器，运算放大器A3本身就构成电压跟随器。所以，此时uo=ui。当输入信号在负半周时，A2输出为更大的负信号。因此，二极管D2截止，D1导通，运算放大器A2通过D1构成电压跟随器，防止其处于开环状态。输入信号利用A2输入端虚短特性送至R1，而运算放大器A3构成反相比例放大电路，放大倍数为-R2/R1，如果R2=R1，则放大倍数为-1，所以最后输出uo=-ui。这就实现了对微弱信号的全波整流。理论上本电路可对0～±VDD范围内信号整流，避免二极管整流700 mV电压损失，确保模拟信号测量范围，提高测量精度。

图2 精密整流电路图

4.3精密整流电路应用

机电设备参数测量装置的电流、电压等模拟信号可能来自用整定电位器构成的信号整定电路，其信号内阻抗大，会引起测量误差。通过运用A1作电压跟随器，得到很高输入阻抗、很低输出阻抗的信号，以消除其影响。采用LT1014(开环差模放大倍数大)型运算放大器和1N4148型二极管制作电路，结果可以满足测量精度要求。

5 结束语

基于微控制器的机电设备参数测量装置的核心部件是传感器和微控制器，而参数测量的实时性和精度直接影响所设计参数测量装置的性能指标，必须采取有效的技术和方法来解决，以上是作者近年来在多种机电设备参数测量装置的设计实践中，行之有效的几个实用技术和方法。

[1] 徐科军. 传感器与检测技术[M]. 北京：电子工业出版社，2004.

[2]欧伟明.嵌入式应用软件任务划分的原则[J].单片机与嵌入式系统应用，2007(6):65-67.

[3] 岳洋,曹颖.基于小型操作系统RTX51-Tiny 设计实现的无线终端[J].电子测量技术，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，江苏六合人，副教授，硕士，研究方向为船舶电气设备。

2014-10-23