电流模拟实验系统的设计

 引言

随着电力工业的快速发展，光纤电流传感器在对高压电流信号进行实时监测方面的应用越来越广，而如何对光纤电流传感系统进行精度测试也成为一个新的研究课题。由于测试环境需要在高压条件下进行，很难人为亲自参与，所以，本文设计了一个交、直流大电流发生器，可用于模拟高压变电站的大电流环境，从而为整个光纤电流传感器系统的调试提供基础支撑。

1 系统硬件设计

本大电流模拟实验系统硬件分为单片机控制模块、键盘显示模块、数模转换模块、模数转换模块、电流放大模块、通讯电路接口。其系统框图如图1所示，图2所示是其系统总电路图。




2 系统软件设计

对于采用微控制器构成的系统来说，一般硬件是骨架，而软件则是灵魂。只有通过良好的程序支持，系统才能完成相应的功能。本系统的程序设计采用汇编语言实现。程序设计的关键是设计出程序运行的流程图，设计时可以根据要实现的功能分块进行。对某些关键部分，则还要考虑算法问题。在硬件设计的基础上，系统的软件部分又可由主程序和各模块子程序构成。这里只对主程序流程设计做介绍。

本系统将实现的功能是：由键盘实现直流和交流信号的切换，并通过按键输入想要产生的直流信号的幅值或交流信号的平均值和峰峰值，然后通过一个确认键，使要输出的信号通过单片机处理后，再由后续电路处理，最后经A／D采集回单片机，输入值和输出值均要实时显示。硬件设计时，也采用一个键作为直流和交流模式的切换，即MODE键。并用两个键分别控制显示值的上调和下调，即UP键和DOWN键。再用一个键作为确认键，即SET键，即通过此键来设置要输出的值。主程序设计时，首先初始化各寄存器，并判断是否有按键，如果有，则转到相应的处理子程序；如果没有，则根据SET键和MODE键标志位的情况转到直流或交流部分处理。直流和交流部分涉及到D／A和A／D的子程序设计。按键部分涉及到D／A和A／D转换数据的处理和显示数据的处理。根据以上详细分析设计的整个系统的主流程如图3所示。

3 实验数据测试及分析

实验数据的测试可采用仿真在线测试的方法。数据测试分为直流测试和交流测试两部分，直流测试可采用不同的反馈电阻Rf进行测试，表1所列是Rf=10 kΩ，RL=1Ω时的测试结果，图4是直流输入输出值与实测值的比值曲线。

从测试结果可以看出，其实际偏差被控制在3％以内，故可达到设计要求。同时使系统在输入为4 A的情况下连续工作15分钟，结果证明：其输出始终稳定在4．03 A。

交流测试可采用输出方波调试。输出结果是占空比为1：1的51 Hz的方波。其结果如图5所示。

4 结束语

通过系统调试和测试结果分析证明，本系统可实现交流、直流电流信号的产生。其中直流电流发生范围可从0～4 A，步进值为0．01A；交流目前只能产生方波，其平均值和峰峰值均可调节，频率为51 Hz；直流信号可以实时显示，显示偏差小于1％，显示结果与实际结果的偏差在3％以内；也可以将必要的数据通过串口传给上位机。尽管系统仍然存在不足，但已可模拟高压电流环境，从而完成对光纤电流传感系统的实验测试。

本系统还可增加频率可调功能。实际应用中的光纤电流传感器不会仅仅局限于50 Hz的交流电测量，还需要用高频电流进行监测和控制。而要作为一个终端设备，它不应当仅仅能够将所需数据传送给上位机，还要能实现上位机对采集数据的分析并反过来控制终端。因此，对此系统设计一个对应的虚拟仪器，是其今后革新的方向。