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DSP与CPLD的 输电线路局部气象监测装置设计

时间:07-08 来源: 点击:

工作方式。
2.4 数据采集系统
系统应该监测的基本参数包括:环境温度、湿度、大气压力、风速和风向等参数。除了风向外,其余都是模拟量。为了把连续的模拟量转换为能被VC33处理的离散的数字量,必须设计A/D转换电路。
ADI公司的AD7874为自带采样/保持、4通道同时采样、高精度的12位数据采集A/D芯片,适合水源热泵工质某点的温度和压力的同相位采集。其输入信号范围为±10 V,单通道采样频率可达29 kHz。AD7874输入通道的多路复用通过选用Phillips公司的16选1多路模拟转换开关HEF4067来实现。由于水源热泵节能最优控制为动态实时测控,且水源热泵热工动态过程相对缓慢的特点,对各个模拟量采集频率设定为24 Hz,即每秒24个点。
2.4.1 大气压力测量
大气压力测量泵的工质压力、水压力到电压信号的转换由Siemens公司的QBE620-P16压力变送器实现。QBE620-P16既适用于气体,也适用于液体,温度工作范围宽,适合输电线路的恶劣运行现场。外加工作电压范围为DC 18~33 V,测量压力范围为0~232 psi。测量信号输出DC 0~10 V,经有源滤波和抗混叠电路后输入AD7874,由AD7874完成A/D转换。
一般认为,压力变送器的测量压力与输出直流信号之间的关系为线性变换,但实际上线性度并不为零。在压力测量范围较大时,由线性度引起的测量系统误差不能忽略,应根据试验数据进行校准。
2.4.2 环境温度测量
输电线路覆冰与温度紧密相关,温度的测量精度直接决定着覆冰预测的精度。本设计中温度传感器选三线制Pt100铂电阻温度传感器,按照国际温度标准ITS-90:

其中,RPt为Pt100的电阻值,T为温度。电阻信号必须转换为直流电压信号后才能进行A/D转换。采用三线制热电阻,是因为三线制可消除长线引起的附加电阻带来的测量误差。
图3为高精度温度测量电路。热电阻阻值必须转换成电压或电流信号才能输入A/D电路。XTR103为BURR-BROWN公司生产的以Pt100热敏电阻(或其他类型)为激励、输出4~20 mA直流电流的高灵敏度变送器。其内部集成的二阶校正线性化电路能够实现Pt100阻值到直流电流的线性转换,广泛应用于工业过程控制、工厂自动化、SCADA等领域。精密电流/电压转换器RCV420实现直流电流到直流电压的转换。

XTR103输出电流信号IO与Pt100阻值RPt的函数关系为:

其中,IO为输出电流信号,在4~20 mA范围内;RG为XTR103的量程电阻;Rz为基准电阻。考虑热泵运行工况,要选择合适的量程电阻和基准电阻,以设定合适的温度测量范围。选择RG=150 Ω,Rz=80 Ω,由式(1)和(2)可以确定温度测量范围为-50.77~132.55℃,能够满足我国输电线路环境温度测量范围的要求。
为了提高温度测量精度,除了采用图3所示的高精度信号转换电路外,还必须解决以下两个问题:
①铂电阻的阻值一温度特性校准。式(1)给出的是额定特性,实际的铂电阻存在统计学意义上的分散性,因此必须校准每个铂电阻的阻值-温度特性。
②铂电阻元件的热滞后(thermal lag)问题。热滞后问题由元件与环境的换热热阻以及元件自身的热容共同引起。铂电阻元件由铂电阻丝和不锈钢封装外壳组成,在高温应用中采用陶瓷封装。由于铂电阻丝非常细、质量小,可忽略其热惰性。
2.4.3 风速和风向测量
风速的测量关键是要把风速参数转换成能被A/D电路处理的电信号,由风速/风向传感器来完成。本文选用风速/风向传感器EA-V200,其风速测量范围为0~50 m/s,输出信号为抗干扰能力强的直流电流4~20 mA。此直流信号由A/D电路转换为数字信号后再由VC33处理。
风向测量由EA-V200给出8个开关量输入来表示不同的风向。

3 系统软件设计
设定Microcomputer/Bootloader为VC33的运行模式。运行前程序存放在存取速度较低的Flash中,系统复位后由固化在DSP芯片上的Bootloader把程序搬移到高速SRAM中全速运行。本文只简单介绍软件的功能。程序从结构上分为主程序和中断服务程序两部分。
主程序包括:
①系统初始化程序。设置外部存储器接口、串口、定时器、中断、中断向量表、键盘接口等参数,确定系统的运行模式。
②数据处理程序。把A/D转换后的离散化数据转化成实际的温度、压力、工质质量流量,剔除不良数据,采集数据的高频噪声滤波,最终得到反应系统实际工况的状态量等。
中断服务程序包括:
①A/D采集程序。完成所有模拟量的12位采集。根据热力传感器的特点,采样频率每路均设为24 Hz。A/D采集程序占用VC33的INT0中断。
②键盘扫描程序。当有按键动作时,读取按键编码。占用VC33的INT2中断。
③控制量驱动程序。驱动数字输出或模拟量输出。由VC33的TIMER0的定时器中断来提供这些控制驱动的周期。具体控制策略要根据具体的应用来确定。
④通信程序。实现LCD显示、与PC通信的功能。占用VC33的定时器中断。

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