微機監(jiān)控系統(tǒng)基礎知識第一章內容提要微機監(jiān)控系統(tǒng)的組成模擬量輸入/輸出通道開關量輸入/輸出通道干擾及其抑制數(shù)字濾波數(shù)據(jù)預處理交流采樣的電量計算圖1.1典型自動控制裝置工作示意圖1.1微機監(jiān)控系統(tǒng)的組成1.1微機監(jiān)控系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的硬件組成如圖1.2所示。整個系統(tǒng)由CPU、存儲器、定時器、監(jiān)視器、輸入/輸出通道、傳感器或變送器以及其他各種外設(外部設備)組成圖1.2微機監(jiān)控系統(tǒng)典型硬件系統(tǒng)結構框圖(1)CPUCPU是微機系統(tǒng)自動工作的核心,它是集成在一片大規(guī)模集成電路上的運算器和控制器的總成。CPU的運算器由一個或多個累加器AC與算術邏輯部件ALU和一些專門的寄存器組成。可快速進行算術與邏輯加減運算,從而實現(xiàn)各種操作運算。(2)存儲器存儲器存儲指令、程序、數(shù)據(jù)及中間運算結果,設備的狀態(tài)也以數(shù)據(jù)方式存儲存儲器包括只讀存儲器(ROM)、紫外線擦除可編程只讀存儲器(EPROM)、電擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)及隨機存儲器(RAM)。近年又有非易失性隨機存儲器(NVRAM)等新型存儲器。存儲器容量大小和訪問時間直接影響整個微機系統(tǒng)的性能(3)定時器/計數(shù)器在監(jiān)控系統(tǒng)中,它是十分重要的部件。微機系統(tǒng)是在規(guī)定時刻工作,它還向外設提供觸發(fā)采樣信號,引起中斷采樣。在圖1.2中,定時與邏輯控制即該部件功能的體現(xiàn)。該部件還是將頻率變換為數(shù)字信號的關鍵部件(4)監(jiān)視器監(jiān)視器即看門狗(Watchdog)。自動裝置的工作環(huán)境有多種干擾,尤其是在電力系統(tǒng)中,多存在電磁場干擾。當裝置受到干擾后,可能導致微機系統(tǒng)運行程序出軌,從而使裝置工作癱瘓,為此設置監(jiān)視器,對微機系統(tǒng)工作進行監(jiān)視,防止裝置受干擾而不能工作(5)變送器或傳感器受控設備的被測量經(jīng)變送器或傳感器送入監(jiān)控系統(tǒng)的A/D轉換輸入端(6)A/D轉換器將模擬量轉換為數(shù)字信號的部件為A/D轉換器。A/D轉換模擬量為數(shù)字量的精度及速率,是評價數(shù)據(jù)采集性能的主要依據(jù)(7)采樣/保持器(S/H)圖1.3采樣/保持器原理性電路圖(8)模擬多路開關(Multiplexer,MUX)在實際的數(shù)據(jù)采樣中,輸入模擬量是多路的。在滿足采樣速率要求下,為節(jié)省硬件,往往只用一個A/D轉換器(S/H往往也只用一個),如圖1.2所示。此時,應使用多路開關與A/D配合,分時輪流切換各被測量與A/D接通。故MUX是數(shù)據(jù)采集中常用到的一個部件(9)模擬量輸出通道模擬量輸出通道由D/A轉換器與MUX組成當只有一路模擬量輸出時,裝置輸出的一組數(shù)字信號經(jīng)D/A轉換成模擬量,經(jīng)保持器保持并經(jīng)過低通濾波器后作為輸出當裝置要輸出多個模擬量時,每一組數(shù)字信號在規(guī)定時刻經(jīng)過D/A轉換成模擬量,經(jīng)MUX的一路開關輸出。由于多組數(shù)字量是以串聯(lián)定時方式經(jīng)D/A轉換,故此時MUX的工作方式為單入多出方式對比于模擬量輸入,模擬量的輸出工作量模式恰好與輸入方式是對偶的(10)并口I/O通道及串口SIO通道裝置需要的若干開關量(狀態(tài)量)或輸出的開關量(狀態(tài)量)均用并行I/O接口接入或輸出,而數(shù)字量的輸入及輸出則用SIO(11)通信接口當裝置需要與外部聯(lián)系通信時,通過通信接口發(fā)收信息(12)其他CPU的其他外設及人機對話接口、電源1.1.2其他型式的微機監(jiān)控系統(tǒng)(1)基于單片機的測控單元單片機是專為實時監(jiān)控而設計并制造的。其CPU比通用的CPU簡單,因而更可靠,適合面向實時過程,且對輸入、輸出處理能力強,而對于事件管理能力則較弱(2)基于工控機的監(jiān)控系統(tǒng)圖1.4工控機監(jiān)控系統(tǒng)框圖(3)基于數(shù)字信號處理器(DSP)的測控單元圖1.5

DSP微機系統(tǒng)結構圖1.1.3集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem,DCS)圖1.6集散控制系統(tǒng)結構框圖圖1.6表示一個DCS系統(tǒng)。整個系統(tǒng)有一個管理級的上位機(工作站)。上位機進行整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中管理、監(jiān)視及協(xié)調系統(tǒng)內各下位機,即各DDC的工作。圖中每一個DDC系統(tǒng)即是一個獨立工作的測控系統(tǒng)(或單元,常稱為子站)。各DDC完成不同的監(jiān)控功能。DDC又與管理級工作站進行必要的信息交換,或者通過工作站取得需要的某一DDC系統(tǒng)的信息DCS系統(tǒng)是計算機技術與網(wǎng)絡通信技術結合的成果1.1.4軟件功能說明(1)信號采集與處理程序(2)運行參數(shù)設置(3)系統(tǒng)管理程序(4)通信程序1.2模擬量輸入/輸出通道

(1)采樣1實際采樣過程

圖1.7采樣過程示意圖圖1.8

采樣信號及其頻譜圖1.2.2量化與編碼圖1.9

量化與編碼過程示意圖

(2)編碼量化后的數(shù)字信號用某種碼制表示,即為編碼。若是二進制編碼,則其量化與編碼同時完成1.2.3

A/D轉換原理

圖1.10逐次逼近A/D轉換器工作原理示意圖(1)D/A轉換

圖1.11

T形解碼網(wǎng)絡型D/A轉換原理接線示意圖

圖1.11中,D0~D2為數(shù)字信號由低位到高位的輸出。D0~D2為“1”時,受控開關K0~K2接通右側;D0~D2為“0”時,則接通左側

(2)逐次逼近式A/D轉換工作過程逐次逼近式的寄存器與其D/A均為N位長(二進制數(shù)長)逐次逼近式A/D的技術參數(shù)包括分辨率、絕對精度、相對精度、轉換時間、電源靈敏度、工作溫度量程等。具體含義不再做進一步介紹目前,還有基于電壓-頻率變換(VFC)方式的A/D轉換器,且已得到較多應用1.2.4模擬量輸出通道

(1)D/A轉換及保持器1)電阻網(wǎng)絡型D/A與保持器實現(xiàn)數(shù)模轉換的工作原理圖1.12數(shù)模轉換過程示意圖其他類型的D/A轉換簡介①基于電阻網(wǎng)絡的D/A可以構成雙極性模擬量輸出通道②一類D/A轉換是應用脈寬調制(PWM)技術來實現(xiàn)的(2)平滑濾波器的作用經(jīng)過零階保持器或一階保持器輸出的模擬量x'(t)都是非平滑信號,即其中含有大量諧波成分,故實際上在保持器之后,均加上一低通濾波器平滑輸出信號。濾波器的通帶截止頻率應根據(jù)實際信號類別來確定1.3開關量輸入/輸出通道圖1.13

開關量輸入電路結構框圖1.3.1消抖濾波電路當輸入開關量信號時,因干擾或其他原因,可能會使接點抖動或給出的狀態(tài)信號不穩(wěn)定而發(fā)生錯誤,故應設置消抖濾波電路消除噪聲。消抖電路的基本原理是在輸入信號路徑上加一積分電路,只當輸入信號達到規(guī)定門檻值并經(jīng)積分延時,才以穩(wěn)定的狀態(tài)作為輸入,送到下一個環(huán)節(jié)。1.3.2電隔離門現(xiàn)場開關量所處的是電壓較高的環(huán)境,而計算機系統(tǒng)是低壓系統(tǒng),故應加電隔離,以免高壓串入計算機而使之受損。加電隔離還可限制地回路電流因地線可能的錯接而帶來的干擾。在每個回路都加隔離還可避開多個輸入電路的影響。當今的電隔離方法有繼電器隔離與光電隔離兩種(1)繼電器隔離現(xiàn)場設備的輔助接點作為開關量要輸入計算機時,通過輔助繼電器實現(xiàn)隔離,其原理接線如圖1.14(a)所示。S為現(xiàn)場設備(如斷路器等)的輔助接點。KA為中間輔助繼電器,S'的接點通過與計算機配合的弱電電源Uc接入計算機回路,實現(xiàn)電隔離圖1.14

電隔離電路原理(2)光電隔離光電隔離的原理接線如圖1.14(b)所示。當現(xiàn)場設備輔助接點動作時,發(fā)光二極管導通,產(chǎn)生光束,使光敏三極管飽和導通。圖1.14所示為射極輸出器方式,射極有輸出電平U0。根據(jù)要求不同,輸出也可接成集電極輸出方式1.3.3地址譯碼與驅動控制的說明監(jiān)控裝置中,輸入開關量(信號源)均引入總線,輸出開關量(視為負載)均由總線引出。此時,因接入I/O為多組,以及總線工作方式、驅動方式等問題必須解決1.4干擾及其抑制

圖1.15

信號及常模干擾示意圖1.4.1常模干擾及其抑制（1）常模干擾的形式及干擾源常模干擾也稱為常態(tài)干擾或串模干擾,是在有用信號上疊加了干擾噪聲信號。圖1.15示出了信號(設為一交流信號)受干擾(設為諧波)后的波形畸變。干擾噪聲也可能是直流或其他隨機形式(2)抑制方法①信號源輸入端串入輸入濾波器,濾除高頻干擾②對于弱信號,應采用屏蔽線,并使強弱信號線分開布線,減少電磁干擾;信號線采用雙絞線,以抵消同一電磁干擾源的干擾③加必要的用程序實現(xiàn)的數(shù)字濾波(下一節(jié)專門介紹)④設計合理的接地系統(tǒng)1.4.2共模干擾及抑制圖1.16

共模干擾形成原理說明圖(2)抑制方法要減小Unm的方法是:減少Ucm,加大Zc,盡量使電路平衡對稱,即減小Z2-Z11.5數(shù)字濾波

遞推平均濾波

(2)中位值法中位值法是一種很簡單的濾波方式。對被濾波量每一次濾波計算是以連續(xù)采樣3次的值進行比較,取中值作為有效采樣值(3)慣性濾波

1.5.2電信號的濾波方法

(1)離散傅立葉變換(1)離散傅立葉變換對于一個含有諧波的電量,已知可寫成傅立葉級數(shù)表示式:式中

x(t)—被分析處理的電壓或電流;ω1—基波頻率

式中

k—諧波次數(shù)令k=1,則得出基波分量,類推可求出其他分量

1.6數(shù)據(jù)預處理

1.6.2極性處理若A/D轉換是單極性的,設輸入模擬量是雙極性的,則輸入時,要加一偏置量,使輸入變?yōu)閱螛O性量。經(jīng)A/D轉換后,應去除偏置量,使極性還原1