基于DSP与CPLD的输电线路局部气象监测装置设计

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