车载变频机模拟量的检测与定标方法

孙 波，郭伟胜

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159)

车载变频机模拟量的检测与定标方法

孙 波，郭伟胜

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110159)

针对车载变频机控制系统中待测模拟量较多的问题，设计了模拟量检测多通道扩展电路，采用远程定标方法，编制嵌入式模拟量检测程序，完成对多路模拟量的测量工作。该定标方法具有定标过程快速、简便、精确等特点，适用于工业现场模拟量测量的定标及校验，易于相关工程技术人员掌握。

变频机；嵌入式系统；集散控制系统；模拟量检测

现代工业生产中，为提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本等目的，普遍要求实现电气设备的自动化和智能化[1-4]。为了解决复杂的工业现场控制类问题，电气设备一般选择嵌入式集散控制系统设计方案[5-8]。嵌入式模拟量检测技术是集散控制系统的核心技术之一[9-16]。

1 变频机控制系统模拟量检测电路

车载变频机控制系统是为野外电气设备供电的发电、配电系统。该系统可依据负载的大小控制4台变频机组单独或并列对外供应电能。为保证变频机控制系统的正常工作，安全供电，系统需要对供电电压及电流进行实时精确检测，完成对供电继电器的自动投切，实现过载保护等功能。

变频机控制系统现场需要检测的模拟量均为0～5 V的电压信号，采用英飞凌公司生产的XC2365微处理器为核心，配置外围电路构成控制终端，组成车载变频机嵌入式集散控制系统。由于变频机控制系统控制终端需检测的模拟量为24路，而XC2365仅带有15路10位的A/D转换器，为保证模拟量的检测精度，降低系统成本，设计了多通道模拟量检测电路。

1.1 车载变频机控制系统构成

车载变频机嵌入式集散控制系统构成如图1所示，由1块主控制板、1块主控面板、2块分控制板和2块分控面板通过MAX487组网而成，控制板带有相应的执行器，完成开关量的控制、检测及模拟量的检测功能。主控制板检测的模拟量为8路，2块分控制板各需检测24路模拟量。多通道模拟量检测电路为分控制板而设计。

图1 车载变频机控制系统框图

图1中的监控计算机与主控制板、主控面板、分控制板和分控面板通过MAX487组网，构成集散监控系统(图中虚线连接的部分，不用时移除)，可实现对控制板模拟量检测的远程定标，并对车载变频机控制系统全部的开关量输入和输出状态及模拟量检测值进行监控。该系统可在车载变频机控制系统生产过程中测试各块电路板的质量，完成主控制板和分控制板的定标，进行车载变频机控制系统的在线测试等工作。

1.2 单路模拟量检测电路

多通道模拟量检测电路如图2所示，其中电阻R1、R2、R3和2个电压跟随器构成隔离分压单路模拟量检测电路，C1、C2为滤波电容，D为保护开关二极管。图中单路模拟量输出信号VO与输入信号VI的关系为

(1)

保护电压VD与输入信号VI的关系为

(2)

选择合适的电阻R1、R2、R3的值，要求当输入信号VI为5 V时，VO在运算放大器组成的电压跟随器线性范围内，使VO跟随VI做线性变化；当VD高于5 V，开关二极管击穿时，VO被限制在5 V以内，对XC2365起到保护作用。

图2 多通道模拟量检测电路

1.3 模拟量测量的多通道扩展

因分控制板待检测的模拟量较多，采用8选1模拟开关4051芯片分时对8路模拟量进行检测，构成模拟量测量的多通道扩展电路，如图2所示。用XC2365的3个开关量输出端子驱动高速HC373锁存器，根据4051芯片内置的地址选择端A、B、C的取值选择模拟通道，与XC2365的1路A/D转换器连接，分时完成8路模数转换。4051芯片内置的地址选择端A、B、C与通道的关系如表1所示。采用多通道扩展电路，检测24路模拟量仅占用XC2365的3路模数转换器资源，其它12路A/D转换器可做开关量输入端子使用。

表1 A、B、C与通道的关系

考虑到模拟开关4051芯片通道转换需要一定时间，并且其它硬件电路也有延迟时间，XC2365向HC373锁存器发出通道选择指令后，需延迟一段时间，待选定模拟量通道稳定后，再进行A/D转换。车载变频机控制系统设计的延迟时间为10 ms。

2 模拟量检测的定标方法

定标是制定对应的模拟量测量标准，把待测模拟量转换成数字量，便于微处理器进行数据处理。定标过程是制作一把尺子，用其测量对应的模拟量。

2.1 两点定标方法

车载变频机控制系统模拟量检测电路的设计使VO与VI之间满足线性关系，如图2及式(1)所示，则待测模拟量VI与分压模拟量VO的A/D转换值Lzy之间也满足线性关系。由两点定一条直线的原理，可确定待测模拟量VI与VO的A/D转换值Lzy之间的线性关系，定制测量标准，对其检测。

VI与Lzy之间的线性关系如图3所示。令单路模拟量检测电路的输入端电压VI分别等于基准电压Uzmax、Uzmin，设与其相对应的XC2365的A/D转换值Lzy分别为逻辑满值Lzmax和逻辑零值Lzmin，如

VI=Uzmax时，Lzy=Lzmax
VI=Uzmin时，Lzy=Lzmin

(3)

图3 模拟量A/D转换的线性关系

在XC2365中编制C语言程序，将Lzmax和Lzmin的值写入Flash存储器的定标数组中，则该路模拟量检测的定标过程结束。

2.2 模拟量的测量

在微处理器初始化程序中，把逻辑满值Lzmax和逻辑零值Lzmin由Flash存储器的定标数组中读出，则可对模拟量VI检测。对输入端电压VI进行A/D转换，得到转换值Lzy，定义逻辑斜率KL为

(4)

则模拟量VI的测量值Uzy为

Uzy=KL×(Uzmax-Uzmin)+Uzmin

(5)

测量值Uzy与待测模拟量的相对误差δ为

(6)

3 模拟量检测的远程定标方法

远程定标是监控计算机与控制终端之间通过信息交换，下达定标指令，完成定标过程的一种定标方式。

编制计算机程序，与车载变频机控制系统的主控制板和分控制板实现串行通信，数据帧格式如表2所示。为防止误操作，实现模拟量检测的远程定标需要3个严格条件：

(1)在模拟量检测电路的输入端连接基准电压Uzmax或Uzmin，Uzmax用于逻辑满值Lzmax定标，Uzmin用于逻辑零值Lzmin定标；

(2)主控制板或分控制板必须自身要求模拟量检测定标，例如特定的带有上拉电阻的数字输入端子被拉到低电平。车载变频机控制系统的模拟量定标采取了该方式；

(3)监控计算机对主控制板或分控制板按表2的数据帧格式下达了定标指令，并指明是逻辑满值或逻辑零值定标。

表2 远程定标数据帧格式

当以上3个条件都满足时，主控制板或分控制板将按照两点定标方法实现模拟量定标过程，并应答监控计算机。

4 车载变频机模拟量检测实验

车载变频机控制系统实验装置如图4所示。车载变频机嵌入式集散控制系统由主控制箱和2个分控箱组成；集散监控系统由监控计算机与主控制箱和2个分控箱组通过MAX487组网而成。

图4 车载变频机控制系统实验装置

监控计算机采用VB(Visual Basic)编程，与各控制箱串行通信，可对车载变频机控制系统实施监控，并实现主控制板和分控制板模拟量检测的远程定标。

远程定标时，基准电压Uzmax设定为5 V，Uzmin设定为2.5 V。经实际测试，采用本文的模拟量定标方法，模数转换器为10位时，主控制板的相对误差δ达到0.4%，分控制板的相对误差δ达到0.6%以内。

5 结束语

通过车载变频机嵌入式集散控制系统的设计开发工作，对模拟量远程定标方法进行了研究和总结，得出以下结论：

(1) 模拟量测量的多通道扩展节省了模数转换器的资源，降低了系统开发成本。通过实践，只要程序编制合理，可以获得较高的模拟量检测精度；

(2) 两点定标方法突出软件定标过程，当模拟量检测的硬件电路设计完成后，不再对其调整。该方法适用于嵌入式系统对模拟量的检测；

(3) 模拟量的远程定标方法具有定标过程快速、简便、精确等特点，适合于工业现场模拟量测量的定标及校验，便于设备检修，易于相关工程技术人员掌握。

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The Method of Analog Quantity Measure and Calibrate of Mobile Frequency Convertor

SUN Bo,GUO Weisheng

(School of Automation and Electrical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

There were too many required measurement analog quantities in the control system of Mobile Frequency Convertor, design the extended circuit of multi-channel analog quantity measurement can complete the job accurately and promptly to this problem. Use remote-calibrate method, written analog quantity measure program of the embedded system to accomplish the measurement job of multiple channel analog quantity. The process of calibrate was fast, simple and preciseness, it can be applied to calibrate and check of measure analog quantity in the industry field. It’s easy to master for the relative engineering and technical personnel.

frequency convertor; embedded system; distributed control system; analog quantity measure

2016- 11- 17

孙波(1963-)，男，博士，副教授。研究方向：模拟量测控。郭伟胜(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：模拟量测控。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.023

TN710.4;TP273

A

1007-7820(2017)09-082-04