一種基于自校準的高精度智能儀表系統(tǒng)及其應用方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種智能儀表，尤其是涉及一種基于自校準的高精度智能儀表系統(tǒng)及 其應用方法。
【背景技術】
[0002] 微型計算機技術和嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，引起了儀器儀表結構的根本性變革， 即以微型計算機為主體，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表的常規(guī)電子電路，成為新一代具有某種智能的靈巧 儀表。這類智能儀表的設計重點，已經(jīng)從模擬和邏輯電路的設計轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ玫奈C模板或微 機功能部件、接口電路和輸入/輸出通道的設計，以及應用軟件的開發(fā)。隨著生產(chǎn)自動化要 求的不斷提高、控制技術和微型計算機技術的不斷發(fā)展，智能儀表已經(jīng)逐漸替代了傳統(tǒng)儀 表，日益廣泛地應用在工業(yè)自動化領域，并占據(jù)了越來越高的地位。
[0003] -般儀器儀表在使用前都要進行刻度校準，例如數(shù)字電壓表要進行0V和IV的校 準，以保證測量顯示數(shù)字的精確性。但是在使用過程中，隨著儀表所處環(huán)境的不同，原件參 數(shù)往往會發(fā)生變化，最初校準好的狀態(tài)可能會受到破壞，導致前后測量結果不一致，不能保 證測量精度。
[0004] 此外，隨著測控要求的提高，有些場合需要對測量數(shù)據(jù)進行記錄以便今后查證、重 顯。而傳統(tǒng)的記錄儀表不具有記錄功能，只能借助外部記錄工具。這種傳統(tǒng)記方式成本高、 可靠性差，并且效率低下。
[0005] 本發(fā)明基于自校準技術，使用傳感器和RS232串行接口進行數(shù)據(jù)的智能采集、校 準、計算和傳輸，來設計一個電纜、電線等直流電阻的智能測試儀表系統(tǒng)，實現(xiàn)在這個領域 中工業(yè)產(chǎn)品的自動化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種基于自校準的 高精度智能儀表系統(tǒng)及其應用方法，能根據(jù)不同型號的電纜自動選擇測試電流，以最快的 速度顯示測試結果，同時采用了硬件校準和軟件自校準兩種校準方式，能有效地消除AD轉(zhuǎn) 換器自身的固有偏差，提高測量精度，整個系統(tǒng)具有低成本、高性能、擴展方便等優(yōu)點。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：
[0008] -種基于自校準的高精度智能儀表系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括計算機和智能儀表，所述智 能儀表包括：
[0009] 恒流源發(fā)生模塊，提供直流電；
[0010] 恒流選檔單元，連接恒流源發(fā)生模塊，根據(jù)恒流檔位的選擇提供不同大小的直流 電；
[0011] 量程選檔單元，分別連接恒流源發(fā)生模塊和恒流選檔單元，根據(jù)不同的電阻測量 范圍確定量程檔位的選擇；
[0012] 電流換向單元，連接量程選檔單元，向?qū)w提供正或負方向的直流電；
[0013] 電阻傳感器，用于測量導體的電阻值；
[0014] 24位A/D轉(zhuǎn)換器，分別連接恒流源發(fā)生模塊和電阻傳感器，將電阻傳感器采集的 數(shù)據(jù)進行24位模數(shù)轉(zhuǎn)換；
[0015] 量程比較單元，連接恒流源發(fā)生模塊，用于自適應調(diào)節(jié)量程檔位；
[0016] 溫度傳感器，連接電流換向單元，測量導體的實時溫度；
[0017] 處理器，分別連接恒流源發(fā)生模塊、24位A/D轉(zhuǎn)換器、量程選檔單元、量程比較單 元、溫度傳感器和電流換向單元，接收并處理電阻值和溫度數(shù)據(jù)；
[0018] 鍵盤，連接處理器，包括數(shù)據(jù)輸入鍵和功能鍵；
[0019] 液晶顯示器，連接處理器，提供交互界面和顯示測量結果；
[0020]USB接口，分別連接處理器和計算機；
[0021]RS232接口，分別連接處理器和計算機，進行通信。
[0022] 所述恒流源發(fā)生模塊包括：
[0023] 電源接口，提供220V交流電；
[0024] 變壓器，連接電源接口，將220V交流電降壓；
[0025]AC/DC電源單元，分別連接恒流選檔單元、量程選檔單元、24位A/D轉(zhuǎn)換器、量程比 較單元和處理器，將降壓后的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，提供不同的直流電輸出。
[0026] 所述24位A/D轉(zhuǎn)換器為AD7710芯片，AD7710芯片與處理器進行讀寫操作。
[0027] 所述處理器為AtmelAT91RM9200處理器。
[0028] -種上述的基于自校準的高精度智能儀表系統(tǒng)的應用方法，包括：
[0029] 1)上電后，對24位A/D轉(zhuǎn)換器進行硬件校準，選擇恒流檔、量程和電流流向；
[0030] 2)采集電纜的電阻值和溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸給處理器；
[0031] 3)處理器根據(jù)校準系數(shù)對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電阻值進行軟件自校準，獲得的校準值作 為測量值，并將測量值和溫度數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器上；
[0032] 4)智能儀表通過RS232接口與計算機進行通信，在應用層采用自定義通信協(xié)議， 接收和處理計算機傳來的參數(shù)設置信息和操作命令，并將測量值和溫度數(shù)據(jù)送給計算機。[0033] 所述軟件自校準的方法為：
[0034]A:從24位A/D轉(zhuǎn)換器中連續(xù)讀取N組電阻值；
[0035]B:去掉N組電阻值中最大值和最小值，對余下的電阻值取平均值X;
[0036]C:判斷平均值X位于哪個校準區(qū)間內(nèi)；
[0037]D:讀取出相應校準區(qū)間的校準系數(shù)a,b;
[0038]E:根據(jù)公式Y =a4又，獲得校準值Y。
[0039] 所述校準系數(shù)由最小二乘法進行線性擬合后獲得，具體步驟包括：
[0040]a:對電阻值劃分多段的校準區(qū)間；
[0041]b:在每段校準區(qū)間內(nèi)，設定24位A/D轉(zhuǎn)換器輸入通道的電壓yi(i= 1，2,. . .，n)， 用數(shù)字萬用表測量實際輸入電壓，同時讀取24位A/D轉(zhuǎn)換器輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換值Xi(i= l，2，...，n)，n為設定的測量次數(shù)；
[0042]c:由公式y(tǒng)i=a+bXi，采用最小二乘法進行線性擬合，得到每段校準區(qū)間的校準系 數(shù)a，b;
[0043]d:將每段校準區(qū)間的校準系數(shù)a,b保存。
[0044]所述24位A/D轉(zhuǎn)換器輸入通道的電壓由FLUKE343A直流電壓發(fā)生器提供。
[0045] 所述自定義通信協(xié)議規(guī)定發(fā)送的數(shù)據(jù)幀依次包含幀頭、控制字、數(shù)據(jù)信息、校驗位 和幀尾，其中，控制字用于標識數(shù)據(jù)信息的類型或含義，數(shù)據(jù)信息為實際要傳輸?shù)男畔?，?驗位通過逐位字節(jié)異或運算計算出的兩個字節(jié)。
[0046] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明設計了以ARM9處理器為核心、基于RS232串口通訊的高 精度數(shù)字電橋智能儀表，以及連接智能儀表的計算機，可以按設定要求完成數(shù)據(jù)高速采 集、數(shù)據(jù)記錄與處理等功能，具有以下優(yōu)點：
[0047] 1)智能儀表以微控制器AT91RM9200為主控單元，此外還包含數(shù)據(jù)采集模塊（基于 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7710)、人機交互模塊、串行通信模塊等，能根據(jù)不同型號的電纜自動選擇 測試電流，以最快的速度顯示測試結果。
[0048] 2)采用基于RS232的自定義通信協(xié)議與計算機進行數(shù)據(jù)通信；計算機可以監(jiān)測和 操作智能儀表，同時具有生成報表等功能，不僅大大提高了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膶崟r性，而且 還加強了數(shù)據(jù)的分析功能。
[0049] 3)采用大屏幕液晶顯示器，人機界面良好，操作簡單方便，是直流電阻測試工作中 的首選設備。
[0050] 4)采用了硬件校準和軟件自校準兩種校準方式，能有效地消除AD芯片自身的固 有偏差，提高測量精度。
【附圖說明】
[0051] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構圖；
[0052] 圖2為AD7710的接線示意圖；
[0053] 圖3為AD7710外時鐘模式下讀操作輸出數(shù)據(jù)的時序圖；
[0054] 圖4為AD7710外時鐘模式下控制/校準寄存器寫操作的時序圖；
[0055] 圖5為校準系數(shù)的計算流程圖；
[0056]圖6為軟件自校準的流程圖； 圖7為定時器的工作流程圖。
[0057] 圖中：1、電源接口，2、變壓器，3、AC/DC電源單元，4、恒流選檔單元，5、量程選檔單 元，6、電流換向單元，7、電阻傳感器，8、24位A/D轉(zhuǎn)換器，9、量程比較單元，10、溫度傳感器， 11、處理器，12、鍵盤，13、液晶顯示器，14、USB接口，15、RS232接口，16、計算機。
【具體實施方式】
[0058] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0059] 如圖1所示，一種基于自校準的高精度智能儀表系統(tǒng)，用于檢測監(jiān)控電網(wǎng)電纜，該 系統(tǒng)包括計算機16和智能儀表，計算機16連接打印設備，智能儀表包括：
[0060] 恒流源發(fā)生模塊，提供直流電；恒流源發(fā)生模塊包括：電源接口 1，提供220V交流 電；變壓器2,連接電源接口 1，將220V交流電降壓；AC/DC電源單元3,分別連接恒流選檔單 元4、量程選檔單元5、24位A/D轉(zhuǎn)換器8、量程比較單元9和處理器11，將降壓后的交流電 轉(zhuǎn)換為直流電，提供不同的直流電輸出。
[0061] 恒流選檔單元4,連接恒流源發(fā)生模塊，根據(jù)恒流檔位的選擇提供不同大小的直流 電?
[0062] 量程選檔單元5,分別連接恒流源發(fā)生模塊和恒流選檔單元4,根據(jù)不同的電阻測 量范圍確定量程檔位的選擇。
[0063] 電流換向單元6,連接量程選檔單元5,向電纜導體提供正或負方向的直流電。
[0064]電阻傳感器7，用于測量電纜的電阻值。
[0065] 24位A/D轉(zhuǎn)換器8,分別連接恒流源發(fā)生模塊和電阻傳感器7,將采集到的數(shù)據(jù)進 行24位模數(shù)轉(zhuǎn)換。
[0066]量程比較單元9，連接恒流源發(fā)生模塊，用于自適應調(diào)節(jié)量程檔位。
[0067] 溫度傳感器10,連接電流換向單元6,測量電纜在帶電測試時的實時溫度。因為不 同溫度時電阻值不同。
[0068] 處理器11，分別連接恒流源發(fā)生模塊、24位A/D轉(zhuǎn)換器8、量程選檔單元5、量程比 較單元9、溫度傳感器10和電流換向單元6,接收并處理測量電纜的電阻值和溫度的數(shù)據(jù)。
[0069] 鍵盤12,連接處理器11，包括數(shù)據(jù)輸入鍵和功能鍵。
[0070] 液晶顯示器13,連接處理器11，提供交互界面和顯示測量結果。
[0071]USB接口 14,分別連接處理器11和計算機16。
[0072]RS232接口 15,分別連接處理器11和計算機16,進行通信。
[0073] 智能儀表硬件部分以AT91RM9200微處理器為核心，同時集成了 64MSDRAM以及 16M的FLASH。SDRAM用于操作系統(tǒng)的引導和應用程序的運行，NANDFLASH用于存儲引導程 序Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)等。同時，底板上提供三個四線RS-232串口（COM)， USBHOST接口，一個10M/100M自適應以太網(wǎng)接口，以及一個TFTLCD接口。此夕卜，考慮到 被測對象輸出阻抗的影響，測試信號經(jīng)過運放后再送給AD采樣