基于USB的电力谐波数据采集系统方案

1、 PAGE36 / NUMPAGES36基于USB的电力谐波数据采集系统摘要：电力是人们生活越来越不可缺少的一种能源，但是随着非线性负载在电力系统中的增加，使得电力系统受到的谐波污染日趋严重。电力谐波带来的危害，既影响电网中接连设备的寿命，也影响电网的自身安全。针对电力谐波进行研究，找到防治办法是非常重要的，防治的首要前提就是与时正确的获取谐波数据。 本文针对要获取的电力谐波数据进行了分析，提出了基于USB的数据采集方案，并比较了基于传统总线的数据采集方式。随后，对USB的体系结构进行了深入的分析，结合电力谐波数据采集的特点，详细地介绍了系统的硬件设计和软件开发。其中，硬件部分完成了传感器的选

2、择，A/D转换器的选择，并选择了Cypress公司的CY7C68013-56pin芯片为作为接口的核心芯片。在对上述传感器和芯片作了详细地介绍后，也给出了系统的硬件设计电路，包括A/D转换器与接口芯片的连接设计，电源转换电路的设计等，并对电路的PCB制作提出了工艺要求。在软件部分，详细阐述了CY7C68013在固件控制下，进行的数据采集和传输，文中还介绍了USB的驱动程序设计过程，以与上位机管理程序的设计，最后，完成了一个用USB对电力谐波信号的进行采集的完整系统。 在数据采集系统中应用USB总线技术不仅实现了数据的采集、传输和保存数据的功能，并且使系统具有了即插即用的特点。关键词:电力谐波，

3、数据采集，USB，固件，驱动程序Power harmonic data acquisition systemBasedon USBAbstract: Electricity is an essential source of energy for peoples lives.With increase of the non-linear loads in power system,harmonics pollution of the power system is growing.Harm of power harmonics is very great.Not only affects th

4、e life of power equipment in the grid,but also affects the grids own security.To study the power harmonic so as to find the way of control is very important.To get the data of harmonic is the primary prerequisite for prevention.Through analysis of the data acquisition,the program of data acquisition

5、 based on USB was put forward in the paper,and compare with the traditional bus-based data acquisition program.Then,the architecture of the USB was deeply analysed.According as the features of power harmonic data acquisition,the detailed hardware and software design was introduced.In the hardware se

6、ction,choice of sensor and A/D converter was introduced,and With the CY7C68013-56pin chip of Cypress Company as the core for the entire data acquisition system based on USB is designed.The sensor and chip were introduced detailed.Hardware design is completed,including design of A/D converter and int

7、erface chip connection,and design of power conversion circuits,etc.The technology of PCB process was required.In the software part,the data collection and transmission were controlled by firmware in CY7C68013.The USB driver design process and the design of PC management procedures were introduced in

8、 the paper.Finally,the system of data acquisition based on USB was designed complete.The data acquisition system used the USB technology to acquire、transmit and save data have the attributes of plus-and-play.Key word: harmonics in power system,data acquisition,USB,firmware,driver program 1 序 言1.1 课题

9、研究背景1.1.1 电力谐波 随着社会的发展进步，电器设备的大量应用，人们生活的方方面面越来越离不开电力能源，各种各样的用电设备，方便了人们的生活和工作。现代人们对电的依赖有增无减表现在科研、生产、交通、运输、生活、娱乐等等各个方面。随着科技水平的进步，人们对电力资源的认识也越来越透彻，从而发现了电力资源中存在着谐波现象，电力谐波对电力供应有着非常严重的影响。 研究表明，非线性负载在使用中，由于其获得的电流和电压是一种非线性关系的，故可产生畸变的电流，畸变电流反馈到电路回路中又会引起电压的畸变。从而形成对电力系统的污染。 非线性负载包括各种各样的电力电子装置，如电弧类设备，家用电器以与一些高新

10、技术应用的多种设备。这些类型的设备就单个个体而言，所产生的谐波不大。但随着社会的发展，这类用电设备的大量增加，己经构成了一个产生电力谐波的群体，它们产生的谐波总和已经不能再被忽略，而成为了电力系统谐波的一个主要来源。 世界各国的电力发展过程也说明了这一点，美国在上世纪九十年代中后期非线性负载比1992年上升了4污倍。而英国从六十年代电子技术快速发展开始，若不对谐波加以有效的控制，到八十年代末，英国的电力系统供电电压畸变率可能高达100k。在电子领域飞速发展的日本也面临着同样的问题，就其换流装置一种设备而言，从1990年到2000年的十年间，若不加以控制，估计产生的谐波量和电力系统容量的比例能上

11、升2倍左右。随着非线性负载的快速增加，谐波对电力系统的污染也日趋严重。而谐波的存在对于用电设备而言，存在着不同程度的影响和危害。例如，电机受谐波的影响，传输效率降低，功率损耗加大，同时还会产生严重的噪声，甚至由于克服无用功而要提高功率，导致大量的热的产生，使电机使用寿命缩短，严重时直接损毁设备;对于继电器和自动控制设备来说，谐波可能会造成信号识别错误，而产生错误动作，直接造成控制失误，也会带来的危害;对于信号传输的设备来说，谐波会使传输信号的误码率增加，严重时可能直接淹没信号，使信号根本无法识别;对于一些精密的仪器仪表等设备而言，谐波会使测量的数据出现较大的偏差，而直接影响到测量的结果。此外用

12、电设备长期存在严重的谐波的环境下工作，设备的使用寿命也会受到很大影响的。电力谐波的存在就是对电力网络的污染。 谐波的存在的一个问题是影响了设备的正常工作，降低了电器设备的使用寿命，为了在这个环境下能够正常的工作，就要在研制生产带过程中做很多额外的工作，使设备提高对谐波的承受能力，当然这些都是以增加额外成木为代价的。同时，谐波的存在，大大增加了能耗，造成电力资源的浪费，也不符合现在提倡的“低碳”生活的要求，加之谐波分布围广，可以在整个电网中传播，严重时更会直接造成人身的伤害和财产损失。所以，整治电力谐波的任务已经是迫在眉睫，清除电力污染，是一件利国利民的好事。 要想治理电力谐波，对电力谐波污染进

13、行控制，那么它的前提就是对电力谐波的准确测量。电力系统中的负载分为两类，一类是线性负载，另一类是非线性负载。在电力供应中，非线性负载的接入，破坏了电压和电流的线性关系，产生了与供电基波频率有着倍频关系的谐波，并会把产生的谐波回送到电力供应网中。而在含有谐波的电力供应中，线性负载吸收的能量就包括基波和谐波提供的能量，而基波提供的是有用功，谐波提供的不仅是无用功，而且还可能会造成危害。但是，现在的用电计量设备只是对简单的功耗进行计量，也就是说，它计量的是基波能量与谐波能量之和。因此也就造成了这样一种现象，非线性负载吸收基波，产生了一定量的谐波，在计量时，总的功耗量是吸收的基波能量减去产生的谐波能量

14、。而线性负载消耗的能量则是基波能量加上无用的甚至是有危害的谐波能量。这样的计量结果使产生了污染的非线性负载不仅不用为产生了谐波负责任，而且还可以顶掉部分正常的能量消耗，降低了其真正的使用成本。而线性负载，则不仅要为自己的正常消耗埋单，而且要为自身受到的谐波污染埋单。这是一种非常不合理的现象。 要克服这种不合理的现象，就需要从电力测量这个根本入手，也就是在测量时，不仅能计量基波的能量，而且对谐波也能进行全面的监测。这就要求全面准确的取样电压电流数据，进行谐波的分析计算，从而准确掌握谐波能量的吸收与产生情况，了解谐波含有率等有关数据，全面监测电力质量，并可以以此为依据进行合理的收费，同时也可以采取

15、相应的抑制手段，以减少电网中的谐波成分。1.1.2 数据采集计算机技术的飞速发展，使得计算机进入了越来越多的行业，计算机在各行业的广泛应用就要求计算机要获取各种应用环境或对象的相关数据，然后才能进行分析和处理。数据采集环节成为计算机应用的关键环节。数据采集就是把待处理的物理信息通过相应的传感器转换成电信号，再经过适当的信号变换，传送给计算机进行存储、处理、转换、显示的过程。数据采集是计算机获取信息的重要手段，能完成上述过程的系统，称为数据采集系统1。 数据采集系统覆盖了多个领域，因此采样的信号也是多种多样，采集系统要根据信号的不同类型选择合适的传感器、转换电路，把采集的信号转换成计算机能正确识

16、别和处理的数据。在采集过程中为了保持信号的有用信息，需要对采集速度和精度等指标做出要求，只有符合计算机才能正确的做出分析和处理。数据采集系统就其应用领域，多是实时性系统，实时的处理和实时的控制传输是数据采集系统的一大特点。要满足实时性，就要求电路处理速度符合要求。另外准确、方便、安全和低成本也是数据采集系统开发就注意的要求。数据采集系统可以以板卡形式集成在计算机主机箱，也可以利用计算机通用接口外接处理电路。机箱置的数据采集系统，曾经是数据采集系统的主流，因为当时微机上配置的是RS-232或RS-485串口，由于其传输速率较低，常常会使数据吞吐量受到限制，所以只有在信号取样频率不高的场合才使用。

17、 因为速率比配置的串口速度要高一些，早期机数据采集系统大多使用ISA插槽。ISA插槽是基于ISA总线(Industrial standardArchitecture，工业标准结构总线)的扩展插槽。其工作频率为SMHZ左右，最大的传输速率可以达到16MBPs，数据总线为16位，曾经是微机的主流配置，但是由于ISA总线占用的CPU资源太高，总线带宽相对所使用资源的占用率又太低，使用成本过高。所以，ISA逐渐被淘汰，现在的微机主流配置中已经没有了IsA的身影。取而代之的是PCI总线。PCI总线(PeripheralComponentInterconnect，外设组件互连)总线是目前数据采集机系统主要

18、使用的接口。其工作频率早期为33MHZ，后来随着计算机的主频提高，PCI的总线频率也提升到了66MHZ，数据总线为32位。 1993年又出现了与之标准一样，数据位数增加到64位的PCI-X总线。数据带宽得到了很大的提高。目前，PCI技术还在不断的发展，新的 PCIExpress已经应用到微机当中。与ISA总线相比，PCI总线是与系统总线并行的总线，其上连接的设备进行数据传输时，不需要CPU的介入，极大的提高了CPU的利用率。加之具有总线结构简单，成木低、设计简单等优点，使其应用围广泛。但是PCI总线并行总线无法连接太多设备，总线扩展性较差，加之位于机箱，具有线间干扰可能会导致系统无常工作的缺点

19、，也使得PCI总线在一定场合使用受到了限制。 利用计算机配置的标准接口和数据采集电路连接通信，是现在数据采集系统的一个趋势，主要是利用USB(UniversalserialBus)接口和IEEE1394接口等。与机箱安装数据采集系统相比通过接口连接的优点是很明显的。其一，由于系统没有安装到机箱，所以不会受到计算机系统部信号干扰，也减小了相互干扰，对采集数据的准确性有很大的好处;其二，由于所使用的接口均具有即插即用功能，所以，采集电路安装方便;其三，开发的采集板卡，一般面积较小，容易封装，所以增加了采集电路的可移动性，无需整机搬运，只需要携带采集电路与相应软件即可。此外还有成本低，采集效果好，灵

20、活实用等优点。 现在的计算机标准配置中的接口，除了专用接口外(如PSZ)，通用的接口主要是并行口、USB接口、RS-232接口、RS-485接口和正EE1394接口。并行口即 IEEE1284接口，也叫centronies接口，最大的传输速率是2MBPs，但连接电缆的长度不能超过2米，也不支持热插拔2。 IEEE1394接口也叫火线支持外设热插拔，也可以为连接的外设供电，在这方面和USB接口一样。它有两种工作模式，BackPlan模式传输速率分别为12.5Mbps、25Mbps和50Mbps;在Cable模式下，速度更高，分别为100Mbps、200Mbps和400Mbps，甚至可用于传输未经

21、压缩的高质量数据电影。其支持连接的电缆最大长度是4.5米。虽然IEEE1394接口有诸多好处，但是，现在绝大多数主流的计算机没有配置IEEE1394接口，要使用该接口必须外购相应的接口卡。 USB(通用串行总线)接口在近年来得到了广泛地应用。很多原先使用其它接口的计算机外设，现在都在使用USB接口。USB接口支持热插拔，可以通过接口向外部设备提供电源，而且支持多个外设的连接，使用菊花链式连接，最多可以接127个外设，并且不会损失带宽。目前常用的USB2.0接口支持的最大传输速率是480Mbps。随着高版本的USB接口的开发，在保持了对低版本兼容的同时，最大传输速率可以达到5GbPs。随着计算机

22、广泛应用，与其配套的硬件设备飞速发展，外设数量种类急剧增加，使外设接入计算机产生了一系列问题，而使用USB接口成为解决之道，USB接口现在成为了计算机外设连接的标准化、单一化的接口，并且得到了主要的计算机生产商和软件开发商的支持。与正 EE1394接口相比，其普与率大大超过了IEEE1394接口。本课题在开发，也选择使用更为普与的USB接口对采集的电力谐波数据进行传输。1.2 课题研究的现状与意义 电力谐波的问题，最早是德国在上个世纪二十年代发现的，随后对此进行了大量的研究，也发表了许多的文章，但是当时并没有引起很大的关注。主要原因是，当时用电设备本身数量有限，而能引起谐波的非线性负载设备数量

23、更少，其产生的谐波相对于电网容量而言，所占的比例非常低，对电网的影响也非常有限，故尔没有引起广泛的注意。但随着社会的进步，在工业发达的国家电力工业高速发展，使用的电器设备从种类到数量呈爆炸性的超前增涨，其中非线性负载的也随之大量增加，其结果是造成电网谐波所占成分快速增加，由此引起的危害和造成的损失越来越多，引起了工业发达国家的高度重视，开始了对电力谐波的研究，并从经济和技术上采取手段限制电力网中的谐波成分，并制定颁布了电力系统谐波限制标准3。我们国家对电力谐波的研究起步稍晚，但重视程度高，几乎在所有涉与电力电子应用的工业部门中，都有把谐波干扰与其分析处理作为重要技术课题进行研究的。我国政府也非

24、常重视电力谐波的控制，在1984年由水利电力部颁布了SD126-84电力系统谐波管理暂行规定，之后在结合国情，吸取国外谐波标准研究成果的基础上，又于1993年由能源部组织制定并经国家技术监督局批准发布了国家标准GB/T14549-93电能质量公用电网谐波标准，规定了电网的谐波允许量，以保证用电的质量与电网的安全。到目前为止，研究电力谐波的时间也不算短了，技术手段在不断加强。从开始的手工测量计算，到后来的使用计算机进行分析。早期在计算机上采用的是置的数据采集板卡，对电压、电流信号进行采集，这类设备，缺乏灵活性，而且当时的计算机价格较高，造成整个系统成本过大。为解决这些问题，又开发出多种嵌入了微处

25、理芯片的谐波测量仪器，其特点是体积小，可以手持，有一定的存储能力，可以记录测量的多个参数，并可以安指定的计算方式，进行电力谐波的一些固定方式的分析计算。这一类设备，国外的产品遵守的是其本国标准，若专为我国生产，则价格又相当昂贵。国的产品在价格上有优势，但性能上与国外有一定差距。而且这类设备均保留有与计算机的接口，对于进一步的分析运算还需要把数据上传到计算机，由计算机来完成数据的处理。再者，手持式的设备只是对一个点的监测，要实现联网监测，还是采用计算机为核心的数据采集系统更方便。 另外，目前的电力系统谐波治理，是以防为主，以治为辅，多是被动的采用加滤波器或分开输电线等方式，这样的治理能起到一定的

26、作用，但缺乏针对性。我们相信，随着人们对谐波的研究日渐深入，会针对不同的谐波类型，采取更有效的针对性的措施进行治理，而这种识别和治理的主角还是计算机，前提条件是计算机能获得电网当中电压、电流的有效数据。随着计算机本身性能的不断提高，运算处理速度越来越快，己经可以满足一定条件下的谐波实时处理要求，利用计算机的自身优势，我们可以对谐波数据大量的采集、存储，以利于进行分析研究，比如可以对多种谐波数据分析方式进行研究，从中找出最好最适合当前电网的分析方法。此外，现在配置了USB接口的计算机体积越来越小，价格越来越低，相对于基于微处理机的专业工具，成本和性能上反而更有优势。2 电力谐波的数据采集技术与U

27、SB2.1电力谐波的概述谐波是电力系统的波形畸变，在我国的供电系统中，规定的交流电压和交电流的频率是50HZ，基本波形是标准的余弦波形，标准的电压表达式是:u(t)=2Ucos(2f+)其中，U-表示供电电压的有效值，在用户用电系统中是220伏; a-表示初相角，在三相电力系统中，其相互间的差值是120; f-表示频率，在我国标准的基本频率是50HZ。若电压不是上述波形，而是畸变的周期性波形，则可以看成是基于上述标准的基波与频率若干倍于基波的各个余弦波叠加的结果。其中是基波频率若干倍的电量，就是相应倍数次谐波。例如，是基波频率3倍的波称为三次谐波，另外，如果是基波频率的奇数倍，称为奇次谐波。偶

28、数倍的称为偶次谐波。根据国家 GB/T14549-93电能质量公用电网谐波标准中规定的公用电网谐波电压限值要求，需要知道电路的标称电压，得到电压的总谐波畸变率与各次谐波电压含有率。要得到以上的值，需要测量出电路的电压数据，再对周期性的非余弦电压进行傅立叶级数分解，计算出所要求的电压总谐波畸变率和各次谐波电压含有率。标准同样对公共连接点允许注入的谐波电流值也做了规定，分析电流的情况，同样也需要对电流信号进行采集，然后进行傅立叶级数分解，以便于检测各次谐波量，判断是否符合规定。综上所述，可以看出，对谐波的分析就是要获得电压电流的准确信号，才能正确分解为所要研究的各次谐波，从而考察谐波相应的指标。谐

29、波的产生与功率转换器的脉冲数相关，脉冲数越高，谐波分量的频率次数就越高，而一般的功率消耗设备，其脉冲数都不是很高，且随着谐波分解的次数增高，谐波分量的振幅值越来越小，其在总电量中所占的成份也越来越小，当谐波次数高到一定值时，它的振幅值己经非常小了，可以忽略它的存在，这并不会影响到分析的结果。按国家标准中规定的值，正确分析出25次谐波即可，但为了以后的发展要求，本课题将以分析50次谐波作为标准。2.2 数据采集概述一般的计算机数据采集系统，主要由传感器、调整电路、接口电路和装有相关软件的计算机组成，其结构关系如图1所示。图1 数据采集系统框图 传感器主要负责把要观察和测量的物理信息转换成电信号，

30、或者说是感应物理现象并生成数据采集系统可以测量的信号。直接转换得到的电信号是和它所检测的物理量呈比例的模拟信号，不能直接被计算机使用，并且带负载能力差，这些问题都需要调理电路进行适当的处理。 调理电路为配合数据采集信号的输入要求，由传感器直接得到的电信号必须经过处理，其主要作用是对低电压信号进行了放大，并对无用信号和干扰信号进行隔离和滤波。此外，一些传感器需要加电才能进行正常工作，调理电路也要为其提供合适的电源。 调理电路中一般都有放大电路，放大电路的主要作用是为了从小信号获得更高的信号分辨率，同时还要让放大后的信号匹配后续电路要求的最大输入电压围或模数转换电路的最大输入围。 此外，隔离也是调

31、理电路的主要责任，其目的是为了把传感器的信号和计算机进行隔离，以防止外部电路产生有害信号，造成对计算机的损坏。比如，在电路中，如果数据采集设备输入和所采集的信号使用不同的参考“地线，而一旦这两个参考地线有电势差，就有可能产生接地回路，这样会造成采集的信号不准确；如果两个地线的电势差太大，会直接造成对测量系统危害。 调理电路部分在需要时还负责实现多路复用。所谓多路复用，就是使用单个测量设备来测量多个信号的技术，调理电路对于一些相对于系统速度变化较慢的信号，可以使用多路复用，即模数转换电路采集了一个通道的信号后，再转换到另一个通道进行采集，如此往复下去。模数转换电路若进行多通道数据采集，则每个通道

32、的有效采样速率和采样的通道数呈反比4。 调理电路还是具有滤波功能的电路、产生传感器激励的电路和具有线性化功能的电路等。在设计调理电路时，要了解测量的信号特性、前后电路的输出输入围(用于测量信号的配置调整)和系统使用的周边环境，根据这些信息，才能确定是否使用调理电路，与实现那些功能。 经过调理的模拟信号在进入模数转换电路时，我们要关心的是所来信号的通道情况，保持信号满足分析处理要求的采样速率、分辨率和输入电压围等方面的情况。这些指标在模数转换是都要加以考虑，其主要原因是信号在模数转换时会有损失，对上述指标的考虑，可以把这种损失控制在合理的围，这样就不会影响到后期的分析处理。 数据采集的通道分为单

33、端输入通道和差分输入通道两种。单端输入中，输入信号均以共同的地线为基准。这种方法主要用于输入信号电压较高(高于1V)，信号源到模拟输入硬件的导线较短(小于5米)，且所有的输入信号共用一个基准地线。如果信号达不到这些标准，应该使用差分输入。差分输入中，每一个输入信号都有自己的基准地线，可以减小共模噪声，从而减小因噪声引起的误差。 采样速率就是每秒种进行模数转换的次数。采样速率越高，越能真实的反映原始信号，但过高的采样速率也会造成浪费，会使性价比降低。采样速率越高，所产生的数据量也越大，对信号的描述越仔细，但是对于一些信号而言，以一定的采样频率采样后，其数据已经满足了我们对信号分析的要求，如果再提

34、高采样速率，对信号的描述也不会有显著的提高，所以选取合适的采样速率是一种既经济又不会影响到分析结果的好方法。合适的采样速率是多少，可以应用奈奎斯特采样定理方便的求出。 奈奎斯特采样定理告诉我们在理想情况下，模拟信号转换为数字信号时，采样频率只要是信号最高频率的二倍，就能够保证经过转换的数字信号保留着相应频率完整的原始信息。 在电力谐波数据采集系统中，我们要研究的最高频率的谐波信号是50次谐波，其频率是2500HZ，要对其进行正确取样，保证原始信号的信息，按照奈奎斯特采样定理，取样频率应保持在5000HZ以上。奈奎斯特定理是一种理想的采样定理，是在完全没有噪声干扰情况下的理论值，在实际应用时，往

35、往要保持理想采样信号最高频率的35倍。采样信号的分辨率也关系到信号对原始信息的保留情况，所谓分辨率是指模数转换器用来表示模拟信号的数据的位数。用来表示数字信号的二进制位数越多，分辨率越高，信号围被分割成的区间数目越大，所以能探测到的电压变化情况就越细微。比如一个振幅为10的正弦波电流，用一个理想的3位模数转换器转换，获得相应的数字图像如图2所示，一个3位变换器可以把模拟围划分为23个区间，即8个区间，每个区间都由000到111八个二进制数中的一个来表示。从图中可以明显的看出，数字表示的阶梯图形与原始信号有着明显的不同，这些不同就是由于模数转换过程中，数字信号丢失了部分信息造成的。显然分辨率越高

36、，分区越多，数字化后的阶梯图形越接近原始波形。比如分辨率增加到16位时，模数转换的编码数从8增加到216(65536)个，在取值围，数据描述更加精细。由此可见，在恰当地设计模拟输入电路其它部分的情况下，提高分辨率可以对模拟信号进行更加准确的数字化。 图2 波形数字化信号对比示例编码宽度在数据采集系统中反映了最小可探测的电压变化，其定义是数字化后，数据最低位有效位1(LSB)代表的电压变化围，从定义可知，用电压围除以增益和2的分辨率次幂的乘积来进行计算。对于数据采集硬件而言，在设计和使用时还要考虑微分非线性度(DNL)、相对精度、所用放大电路的稳定时间和噪声等参数，这些都可能对采集数据的准确度产

37、生影响，所以在设计时要注意技术规，不能只参考分辨率等几个指标，而应该全面考虑，这样才能确保所采集的数据有足够的精度。数据采集系统中的计算机从成本上讲，更多使用的是微机，它的性能和连接总线有可能直接影响数据连续采集的速度。现在市场上的高端微机大多可以集成PCIPCIExpress、PXICompactPCI和IEEE 1394总线，并保留了传统的USB、RS-232或RS-485总线接口，所以对于数据采集系统来说，总线的选择是非常灵活的。使用RS-232或RS-485串口，数据采集的吞吐量会受到一定的限制，在采集速率要求较高时，就不能满足需要了。数据采集的总线在选择时，要考虑各类总线所能支持的数

38、据传输方式，进行合理的选择。计算机现在都有可编程IO传送、中断传送与DMA传送方式。传送方式的不同会影响数据采集设备的数据吞吐量，其中DMA方式具有更高的数据吞吐量，原因是其使用专门的硬件把数据直接传送到计算机存，处理器不参加数据传送的控制，可以并行地进行自己的任务处理。选定使用某一类传送方式，必须使用支持这类传送的设备。例如，PCI和USB设备可以支持DMA和中断传送方式，而PCMCIA设备只支持中断传送方式。对于计算机的选择可以根据使用情况来确定，要实时处理大量数据时，要选用高速的处理器或专用的插入式处理器，如数字信号处理(DSP)板卡，而对于只采集或简单换算处理的数据应用系统，则选用一般

39、微机就可以满足。当然，在选择计算机时，满足当前目标的同时，还应该考虑投资的长期回报。软件在数据系统中，起着非常重要的作用，它负责把数据采集硬件和计算机结合成一个完整的系统，并控制完成数据的采集、分析和显示等任务。数据采集系统的性能和软件有着重要的关系，好的软件可以和硬件很好的结合，使系统具有灵活性和高性能。在软件开发时，选择合适的开发工具，可以达到事半功倍的效果，极降低开发数据采集程序所需要的时间与成本。2.3 USB接口概述USB(Universal Serial Bus)的出现为解决过去的遗留问题找到了答案，很多人都经历过这样的失败，在安装了调制解调器、打印机、扫描仪等计算机外设后，它们却

40、不能正常工作。更糟的是用户不知道从哪下手解决问题，为此我们不得不为等待帮助而担搁数小时。由于得到了大多数厂商的支持，USB成为了上述问题的解决方案。对于一般用户而言，它使计算机系统连接外部设备变得更为方便和容易了。USB的应用围非常广泛，可以用于现有的计算机，也可以用于有嵌入式处理芯片的电器设备上。2.3.1 USB的特点USB提供了最简单的计算机外设连接方式。使用了USB，用户无需再为鼠标和键盘的连接是否正确而操心了。不管是连接显示器、打印机，还是连接大容量磁盘存储驱动器，只需要使用USB一种电缆就可以了。用户再也不用考虑连接的端口是串口还是并口;因为使用了USB接口，计算机也就不会再有DI

41、P开关、跳线、IRQ冲突和DMA冲突。USB使用户可以在PC启动和运行时进行外部设备的连接和断开，真正实现了即插即用。由于各种外设都可以使用USB接口进行连接，而且连接方式非常简单，原先一般用户很难完成连接的外设现在可以方便的接在计算机上了。USB的特点是传输功能非常全面，既支持非时实数据的传输，如文档、电子和图像;同时也支持时实数据的传输，如音频、语音与压缩视频。USB的另外一个特点是成本低廉，12Mbps高速传输和 1.5Mbps的低速数据传输使用的电缆设备都是一样的，价格低廉。此外，鼠标和键盘这样的低速设备不需要全速的12Mbps带宽，这样的低速设备可以共用带宽，从设备接口的标准化和US

42、B的易用性中获得好处。2.3.2 USB硬件众所周知，USB的拓扑结构是多级星型结构，中心结点是主控制器，USB主控制器一般集成在计算机主板上的主芯片群中。在一个标准的USB系统中，只有一个主控制器控制全部系统，主控制器负责处理各种外设的数据输入输出的传输。如果主控制器正忙，所有外设必须等到主控制器空闲是，然后再建立新的通信传输。外设可以直接连接到主控制器端口，更多的情况下，是使用USB集线器(Hub)直接连接到主控制器端口，这样可以连接更多的外设。利用Hub连接主USB端口可以为计算机系统提供更多的USB端口。外设或Hub可以连接到已经与主控制器连接的HUB上，构成多级星型结构。如图3所示。

43、由于HUB能连接下一级的HUB，所以可以建立外设的多级星型拓扑结构。USB的集线器有两个主要功能，即控制器和中继器。作为中继器使用时，把信息包上传到连接的上一级主控制器(或上一级HUB)，或者下传到所接的下一级外设。 USBhubs归结为两类，即独立型和复合型。独立集线器通常只有上行和下行端口(上行即数据从外设传送到主机，下行传输方向相反)，而复合型则是除了具有集线器的功能外，还具有其它的外设功能，像显示器和键盘这样的HUB设备。图3 USB拓扑结构星型结构的末端节点一定是外设，外设可以是具有单一功能的，也可以是具有多种功能的设备，多种功能的外设是与复合型HUB完全不同的复合型设备。此外，外设

44、一般可以归类为具有12Mbps速率的全速设备和具有1.5Mbps的低速设备。USB的出现带来的一个重要成果是它使连接变得简单了。对于USB的HUB和外设来说，连接接口只有两种类型。所以用户根木不可能把不配套的接口连接在一起。连接主机或上端HUB的连接头叫做A型连接器，它的形状是长方形式的。图4 USB接头外形图连接外设或下端HUB的连接头叫做B型连接器，它的形状稍方一些，并且有两个角是弧型的，型两种连接口以方便接头的连接定位。主机只支持A型的连接，而HUB则有A型和B。对于多级星型拓扑结构，A型连接器都连接在主机或HUB而B型的连接器则连接在外设或HUB的输出端。传输的电缆可以长达5米，而低速

45、传输时，电缆只能有3米长。以12MbPs的输入端，进行全速率全速率的USB传输使用有屏蔽的电缆，可以提高传输的性能，增加电缆的长度。低速传输时使用的是无屏蔽电缆，可以降低成本。2.3.3 电源所有的USB端口均可以为己经连接的外设提供电源。HUB和外设可以自己接供电电源，也可以使用USB提供的电源。使用USB供电的HUB或外设的全部电能均由USB提供，USB能够为连接的全速外设端口提供最大500mA的电流，自供电的HUB可以为每个端口提供所需的最大功率的电源。但是，总线供电集线器只能从向上传输线上得到电源，这严重限制了他们为当前连接的外设提供全面能量的需要。连接在总线供电集线器的外设最大只能获

46、得100mA的电流。总线供电HUB在主机没有进行配置前，USB设备所提供的电流最大不超过 100mA，而在配置后，可以根据配置情况，为外设提供更大的电流。USB具有多种省电模式，其中一种是挂起，即通过软件控制减少电源的消耗。挂起又分为两类，全部的和选择性的。所有的设备都支持这两类挂起模式，全部挂起就是所有USB设备进入挂起状态，而选择性的是让已经无需工作的设备处于挂起状态。一般情况下，设备在没有总线活动3ms后进入挂起状态，挂起后设备的用电消耗将不超过500A。500A挂起电流管理起来也不容易，其中 200A用于供给 1.5千欧的上拉电阻，剩余的300A提供给连接的外设。3 硬件设计3.1 主

47、要芯片的选择3.1.1 传感器的选择根据上一章数据采集系统框图，首先要使用传感器对信号进行转换，本课题采集的电力信号以220V有效电压的市电的谐波为采集对象，依据采集系统数据指标的要求，传感器选用南车时代传感技术生产的NCV4A电压传感器，其主要技术指标是，测量围是0到375V(对于220V交流电，其振幅值是311V，在测量围，且正负两端均有冗余量)，准确度是0.7%，非线性度0.1%，响应时间小于13s，工作频带宽度是0到13KHZ(可以完全包含我们要采样的最高谐波次数2.5KHZ)。电流传感器使用该公司的NT100-S(T)，其主要电气参数为:测量围是0-200A(对于供电线路，这个围可以

48、进行多数情况的电流测试，如果电流超过围，可以通过电路的并联分流，降至测量围)，准确度是0.7%，匝数比是1:1000，非线性度是0.1%，响应时间小于1s，工作频带宽度是0到100KHZ。3.1.2模/数(A/D)转换器的选择目前，市场上模/数转换器数量众多，几乎每家半导体公司均有自己的产品，但其使用方法基本类似。课题选用美国MAXIM公司生产的8通道刀D转换器MAX197。MAX197的分辨率为12位，具有5MHZ的带宽和100KSPS的高速数据吞吐量。我们需要的采样信号是2.5KHZ带宽，如果进行12位的数据编码，根据采样定理，理想的数据吞吐量为2.5Kx2xl2=60Kbps，而 MAX

49、197的数据吞吐量转换为一样单位时，为100Kx12=1200KbP、，考虑到采样并不能在理想情况下进行，提高3至5倍的采样频率，吞吐量依然会有很大的冗余。12位的分辨率经过计算可以得到大约0.15V的电压编码宽度，已经大大满足了电力谐波的采集信号要求了。此外，MAX197为电压型A/D转换器，提供了多种电压测量量程，甚至可以测量高于供电电压的模拟电压信号，也可以测量低于系统地电压的模拟电压信号，使用灵活方便。将MAX197的主要性能指标列出如下: 单+SV供电电压; 12位的A/D转换分辨率; 引脚电平和TTL/CMOS电平兼容; 8路模拟电压输入通道; 4种电压测量量程:0+5V、0+10

50、V、-5V+5V、-10V+10V; 典型转换时间6s; 100kSPS的采样速率; 部集成4.096V参考电压源，也可以使用外部参考电压; MAX197具备多种工作方式。可选择部工作时钟或者外部工作时钟，也可选择使用部采集控制或者外部采集控制;其还具有两种掉电工作模式，可在软件中设置。 当片外控制器向 MAX197发送控制字节来控制 MAX197的工作方式时，其控制字节与各位的定义如下表所示。控制字节通过D0D7引脚送入。 D7D6D5D4D3D2D1 D0PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0控制字节中的D7、D6位控制芯片的时钟模式和低功耗模式。其组合如下:D7=0，D6=0时

51、，使用外部时钟模式;D7=0，D6=1时，使用部时钟模式;D7=1，D6=0时，进入待机模式，时钟模式不变;D7=1，D6=1时，进入掉电模式，时钟模式不变。控制字节中的DS位ACQMOD决定采集的模式:ACQMOD=0时，为部采集控制模式;ACQMOD=1时，为外部采集控制模式。控制字节中的D4和D3位用来选择芯片的模拟输入电压围和极性。D3位BIP=0时，选择单极性输入;BIP=0时，选择双极性输入;D4位RNG=0时，选择5V量程;RNG=l时，选择10V量程5。控制字节的低3位A0AZ用来选择模拟输入通道。关系如表:A2A1A0通道000CH0001CH1010CH2011CH3100

52、CH4101CH5110CH6111CH7 MAX197的时序控制是由控制字节的PD1和PD0位的组合来确定工作模式， 当PD1=0、PD0=0时，使用外部时钟频率模式，其时序图如图5所示。图5 部采集控制模式下使用外部时钟和WR的时序当PD1=0、PD0=0时，选择部时钟模式，需在CLK端与地之间接一个l00pF的电容，相应的采样频率可达1.56MHz。其控制字节的DS位ACQMOD决定采集控制模式，若为0，则为MAX197部采集控制模式，否则为外部采集控制模式。其时序图如图6所示。图6 部采集控制模式时序图其相应的控制字为PD1=0、PD0=l、ACQMOD=0;输入量程围为0+5V，RN

53、G=0、BIP=0；低三位为输入通道。整个控制字节为0l000 xxx，即4XH(X表示CH0，l，2，3，4，5，6，7通道)。3.1.3USB接口控制芯片的选择 本课题我们选用CyPress公司生产的EZ-USBFX2系列的56引脚芯片，Cypress公司的EZ-USB系列是目前市场上能提供端点数量最多的产品，它最多能提供31个端点。因为它的端点数量多，用户可以灵活的为每个单独的数据流分配不同的缓冲，而无需合并各种不同的数据流以单一的数据类型进行传输。另外，这些端点可以设置成双缓冲，在一些应用中用来提高带宽。Cypress公司的EZ-USB系列的主要特征之一是8051固件代码开发工作量的显

54、著减少。在大多数应用当中，端点0用作控制端点，所以它的编程是最复杂的。每个设备都必须有一个控制端点(总是使用端点0)用于设备的配置、设备状态的控制和其它操作方面的控制。因此编程时，端点0是最复杂的，因为它在建立阶段、数据阶段(可能有也可能没有)和状态阶段都要用到。随着USB芯片其它问题的解决，对端点0的处理方式可以和其它端点一样。EZ-USB的核提供了有关的逻辑，以简化为支持端点0而进行的编程。其高层协议的使用能减少80%以上的标准8051汇编程序调用。例如，USB硬件核保留了控制三个阶段(建立、数据和握手)的路径，而不是把数据放入8051当中，所以CPU只对需要的数据装载一个地址指针。 Cy

55、press公司特有的重列举技术，使USB设备功能很灵活，重列举就是设备在列举配置之后，再一次进行配置。当驱动安装的时候，新的固件程序也下载EZ-USB的RAM中，这样就改变了设备的“特性”。一般来说，必须在实际设备断开后，再连接时才会再一次进行列举。对于EZ-USB设备来说，它模仿断开再连接来完成一个新的列举过程，一系列的设备描述就可以下载到设备上了。重列举为更新设备功能带来了方便，因为固件是在列举过程中下载到芯片上，而不是固化在芯片上的。使用EZ-USB系列可以降低固件开发的难度。在开发完成后，设计者把刚完成的USB设备第一次连接到计算机课上时，出现最多的情况是不能正常工作。外围设备最开始连

56、接到计算机上后，主机控制器就会送出标准的USB命令，查询外设的资源。一般情况下，设计者不能预测主控制器的反应，因为设计者没有办法去控制下控制器发出的命令。不过，应用EZ-USB的开发工具包，可以使用CyPress公司提供的固件开发器，通过它可以手动发出主机的命令并且能够清楚的知道外设对命令的响应。这使得在不加驱动的时候，仍然可以进行固件的编程和对主机命令的测试。有了这样的工具，固件设计者即使没有必要的驱动程序也可以知道他们的固件代码正确与否。这样就可以更有效更高速的进行固件代码的开发。驱动的示例代码可以提高开发的效率。CyPress除了提供通用的USB驱动程序以外，还提供了一系列的驱动程序的例

57、子，以加速驱动程序的开发。当然用户仍然可以使用微软提供的含盖了一系列驱动的驱动标准集。另外，CyPress公司还提供了在重列举时下载8051固件和设备驱动程序的源代码。CyPress公司提供的这类代码，为使用特有的“软配置”技术带来益处。3.1.4 EZ-USBFX2芯片描述EZ-USB系列使用非常省电的设计，正常工作电源只需要3.3V。使用这么低的电压，是目前理想的总线供电高速设备。Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片是世界上第一款集成了USB2.0协议的微处理器，最典型的就是CY7C68013，其提供了强大的功能，包括USB接口以与和8051兼容的指令系统，但是其功耗比较大，其绝

58、对值高达936mW。因此，Cypress公司随后又推出了低功耗版本的EZ-USBFX2LP系列芯片，其中用的比较多的是CY7C68013A芯片，此款芯片也正是本课题选用的芯片。EZ-USBFX2LP芯片的部结构如图7所示。图7 EZ-USB FX2LP芯片的部结构其中主要包括 USB2.0收发器、串行引擎(SIE)、增强型8051核、 16KB的RAM、4KB的FIFO存储器、I/O接口、数据总线、地址总线和通用可编程接口(GPIF)。CY7C68013的特点:(1)USB2.0单芯片解决方案，包括USB2.0收发器，串行接口引擎(SIE)和增强型51核;(2)可进行“软配置”的RAM，大小为

59、8.5K，取代传统的51的RAM和ROM，程序可通过下列方式下载:-通过USB口下载;-通过外面的EEPROM装载;-外界存储设备(仅128引脚的芯片支持)通用可编程接口GPIF，GPIF是FXZ的一项重要技术-可设置为主从模式，主模式下可对外部FIFO，存储器，ATA接口设备进行高速读写操作，从模式下外部主控器(如DSP，MCU)可把GPIF端口当作FIFO进行高速读写操作;-支持与外设通过并行8位或16位总路线传输;-支持通过GPIF编程工具编程，灵活产生各种波形;-支持多CTL输出和多RDY输入(4)增强工业级8051核，特点有：-支持48M时钟:-4个时钟指令周期，在时钟为-两个UAR

60、T;-三个TIMER;-多中断系统;-双数据指针;(5)3.3V工作电压;(6)智能串行接口引擎(SIE)(7)USB中断矢量;(8)100KHz或400KHzI2C接口;(9)4个集成FIFO;-低成木与外设实现“胶连接”;-自动实现从16位FIFO转换-支持主从工作模式;-FIFO支持外时钟和同步数据触发:-轻松实现与ASIC，DSP连接;(10)包括多达5个通用I/O端口:(11)4种可选封装，56引脚SSOP和QFN，100引脚TPFP和128引脚TQFP。3.2 硬件的总体设计传感器输出端输出的测量电流最大为20mA，而A/D转换器的输入围选择的是05V，可以计算出在二次边需连接25