专利名称：一种用光信号进行同步相位测量的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电测技术领域，具体地讲是一种用光信号进行同步相位测量的方法及装置。
背景技术：
常规的相位处理电路是由两个对称部分构成，每个部分都包括信号放大和比较电路。考虑到被测回路的安全，还用到光电耦合器，而在光电耦器的次级采用发射极共地，作为等电位参考点。两个交流信号通过这个相位处理电路，变换为在过零点翻转的方波Pi、Pu，这2个方波之间的关系则由计算机进行数字处理后确定。两个交流信号的相位角(φ)，是通过计算机进行测量和计算来确定，即先测量出2个时间值即二个交流信号过零点之间的相位差(Δtx)和这两个(同频)信号的周期(T0)(如图2)，再通过计算而确定的一个相对的物理量，即通过下面算式计算出相位角φ＝Δtx/T0*360°现有测量方法的大都是——首先将交流电压或电流信号接入到仪器，并在仪器内部在二个测量回路中找到(等电位)参考点，通过测量和比较确定参数之间的相位差(Δtx)和信号周期(T0)，再通过计算处理，最终将2个回路之间的相位关系转换为对应的数字值(参见《电测与仪表》94.1《便携式智能化相位—幅值综合测试仪》文)。
这种方法是一种直接测量法，原理比较简单，但是在使用过程存在着一些问题一、需要接入的信号比较多，容易引起接线错误。例如，在现场测量六角图时是对6个交流信号之间向量关系的测量，要引入12根信号线。在这情况下，信号连线多、现场头绪比较乱，若出现一根信号线接错，则整个测量结果就会完全不同。
二、这类测量一般是对电力线路进行，需要有多个回路信号接入设备中，倘若仪器内部的通道之间的出现问题(譬如隔离元件击穿或者线路板受潮)，很容易引起回路之间的短路或其它事故发生。所以，将现场不同信号都直接引入到同一个设备中，是危及电力线路安全的一个隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种不需要将不同的现场信号引入到一个设备中，杜绝回路之间的短路和现场事故发生，使得整个测试过程变得简单，减少烦琐接线所引起的问题和错误的用光信号进行同步相位测量的方法及装置，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本发明由一个主机和多个测量部件构成，其特点是通过各个独立回路测量部件的测量，采用光信号作为测量中的同步信号进行测量，并且将数据传输给主机，然后通过主机汇总各个回路的数据进行计算确定被测参数，即引入三维变量的间接测量方式取代直接测量法；上述所采用的光信号是红外无线方式或光纤通信的方式。
本发明还提供了一种用光信号进行同步相位测量的装置。
本发明的装置由一个主机和几个测量部件构成，测量部件是根据实际需要进行组合(例如，测量六角图时应包括6个测量部件)，主机接收几个测量部件的测量数据，并进行计算确定被测参数，其特点是主机由一个控制处理单元MCU及外围电路构成，在MCU上还连接有光发射器和光接收器，MCU的I/O信号与光发射器和光接收器相连，MCU的输出端经过反相器驱动以后控制光发射器向测量部件发出调制光信号；而MCU的输入直接与光接收器相连，光接收器把测量部件发来的调制光信号进行解调，MCU则可以通过程序识别经过解调的编码信号。光发射器作用主要是启动测量过程，而光接收器则是实现主机与测量部件之间的数据通信；上述每个测量部件由一个控制处理单元MCUn及外围电路和测量电路构成，测量电路的输出与MCUn的I/O线相连接，这些I/O线用于测量方波信号的宽度(即时间值)，在MCUn上还连接有光发射器和光接收器，MCUn的I/O信号与光发射器和光接收器相连，它们的功能主要是实现测量部件与主机之间的双向通信。
本发明由于采用间接测量的方式，不再需要采用把两个参数接入到同一个仪器设备的(即直接测量)方法，只需要建立每个参数和光同步信号之间的函数关系就可以了，多个测量回路不再需要在电路上的连接，它们是完全独立的，仅仅依靠一个光同步信号就能够间接地测量到多个测量回路参数之间的相位关系。这情况有些类似于短跑的测时，当发令员的一声枪响实际就是一个同步信号，我们可以独立地测出每个运动员的百米的成绩，若我们需要知道2个运动员之间的的时间差(tx)，就用2个运动员的成绩(时间)Txi和Txj相减就可以了。这种方式的优点在于各个测量回路不再需要参考点的连接，每个回路可以是相对独立的，分别测量各自的交流信号过零时刻与光同步信号之间的时间差，作为相位测量的基本参数。它们之间的关联不是靠电路形式的直接连接，而是依靠光信号。这样就可以避免回路之间的短路或其它事故发生，消除可能存在的安全隐患。另外，这种方式还可以减少仪器的连线，各个测量回路之间的关联不是靠电路形式的直接连接，而是依靠光信号。本发明利用光信号除了作为同步信号外，还作为数据传输通道，各个测量回路将测量数据通过光的传输，集中在一个包含MCU的主机部分最终完成参数的数值显示。如前面所介绍的，这个主机部分的结构很简单，可以做成便携式或手持式的仪器；而测量部件可以分散地接在各个回路，彼此没有电路的连接关系，主机完全是采用非接触的方式进行测量，这对于现场使用中的设备来说是很安全的。
图1为本发明主机发射状态整机结构示意图。
图2为本发明主机的电路原理框图。
图3为本发明测量部件的电路原理框图。
图4为本发明实施例主机的电路原理图。
图5为本发明实施例测量部件的电路原理图。
图6-1为本发明实施例电流测量部件的内部测量波形图。
图6-2为本发明实施例电压测量部件的内部测量波形图。
图7为本发明主机接收状态整机结构示意图。
图8为本发明进行数据通信的时序关系图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明主机部分的功能是控制测量部件、计算和显示被测的参数值；测量部件则是完成测量过程，并且回送测量数据，它们是由光信号联络的一个整体。本发明的整机工作原理是由主机控制光发射器发出一个同步光信号，测量部件的光接收器都能在同一时刻接收到这一个信号，各个测量部件同时启动进行各自的测量工作(图1)。测量完成以后再由各个部件依次将测量数据传送回到主机(图7)，主机汇总基本数据、通过计算后显示最终的数字值。
图4所示的结构是主机部分的电路结构，这个部分的核心是一个MCS-51系列单片机，它的外围有光发射器和光接收器，这里介绍的是以红外光为对象的一个实际线路，通过红外光的调制-解调方式，实现与测量部件的光信号的联络(同样地，这个部分可以采用光纤进行通信)。
主机部分的工作过程是第一阶段，主机用光发射器发出同步光信号，通过空间(或者通过光纤)可以发到各个测量部件，这个信号启动各个测量部件同时进入测量状态，这时是以主机“发”——测量部件“收”的方式工作。单片机的P3.4/T0引脚设置为输出状态，当它工作时会产生出调制信号，经过反相器74LS04驱动光电发送器(LED)，按照程序的约定这个信号是表示“启动”光信号，即通过这光信号向每个测量部件传送的出开始测量的同步信号。
第二阶段，测量完成以后再由各个部件依次将测量数据传送回到主机，这时由程序调整为测量部件“发”——主机“收”的方式工作。图4中IC8(譬如ZRM2638、ZRM8751或其它IC芯片)是一个光电接收器的集成电路，集信号接受、放大、解调和整形于一体，它能将调制光信号转换为一定宽度的脉冲信号，主机对P3.3/INT1引脚的脉冲的进行测量和程序识别，并可以根据事先约定的规律，经过解码确定测量部件所发出的数字信号，即完成第二阶段“取回数据”的工作，关于调制——解调的工作原理已有专门的论叙，在此就不赘述了。
最后，主机部分的单片机将收到的各个测量部件的基本测量数据存储在计算机内部存储器，程序对于这些“取回”的数据的处理工作，仅仅是一些数据运算和相关转换。最终的数值需要显示电路实现。图4结构中还包括LED数码显示电路，用动态方式显示被测参数的数值，这种电路结构简单成本很低，而且功耗比较低。在电路中还包含了6个按键，通过它们可以发出相应的控制命令。关于显示和按键的功能实现也是由程序控制。除此之外，考虑到与PC机的通信还设计了一个RS232C接口。从主机结构来看是比较简单，成本也很低，可以做成一个便携式的仪器，如果将LED数码显示电路改为液晶数码显示器，功耗就更低完全可以做成手持式的仪器，不管是便携式的还是手持式的仪器共同的优点在于主机可以采用非接触的方式进行测量，在现场使用中是很安全。另外，主机功能如光通信、数值计算、显示驱动等则必须通过相应软件方法实现。每个测量部件电路结构如图5所示，它包括MCS-51单片机、测量电路、光电发射器和光电接收器组成。其中，测量电路包括了放大、比较和光电耦合器，图中以UA1(OP07)为主的部分是信号放大器，例如在以钳形电流表作为对电流信号的测量，输入相应的电信号一般比较小必须经过放大。而以UA2(LM331)为主的部分则是过零比较电路，它主要是用于将信号转换为过零变化的方波，这个方波的上升沿表示交流信号的过零点。在图5中还包含光电耦合器SA1(TIL117)，它一方面进行电路隔离，同时还将方波信号转换为TTL电平以便在单片机的P3.2(INT0)上进行测量，这个引脚是设置为输入状态，用程序的方法我们很容易对方波信号的上升(或下降)沿进行测量。这个电路与现有电路比较，它的测量部分简化了很多，前者是对于两个回路的交流信号进行处理——即将两个的信号过零点在一个设备中进行直接比较而确定出相位差(Δtx)。这个电路不再基于对两个信号之间的直接比较，测量方法发生了很大的改变，它是采用一个公共的光脉冲作为测量同步信号。
测量部件的工作过程是第一阶段，以主机“发”——测量部件“收”的方式工作，由主机部分发出同步光脉冲(这情况有些类似于短跑的发令枪响)，在这同一瞬间每个测量部件中光电接收器都会接收到这个光脉冲，单片机的中断输入口INT1会感受这个信号的变化并且立即启动测量程序，测量出同步光脉冲的开始直到各个交流信号过零点的(即方波的上升沿)这段时间的值Txi，这个任务由单片机的定时器实现是十分容易的，考虑到测量精度的要求，将单片机内部定时器设置为二进制16位的工作方式，Txi的最大计数范围应该为65536个机器周期，若单片机的晶振频率为12MHZ，则最大计时值可达65.536ms，对于50HZ(即周期为20ms)的工频信号完全可以满足测量要求。每个测量部件单片机的CPU负责测出从光同步信号开始一直到它的交流信号过零点的时间值(Txi)，同时还可以测出交流信号的周期(T0i)(见图6)。若观察信号波形就比较清楚，图6的2个部分图6-1和图6-2分别为两个(电流和电压)测量部件的内部测量波形图，同时观察2个测量部件的工作当主机发出光信号时测量部件的光接收器输出就出现下降沿(即Ps＝0)，它同时通知这两个测量部件内的单片机作好准备，当光接收器输出出现上升沿的时刻单片机就会启动内部定时器，等到信号方波Pi或Pj出现由“0”到“1”的正跳变(上升沿)内部定时器停止计数，分别从它们的定时器读取定时值为(Txi和Txj)，同样方法也可以分别测出各自的周期(T0i和T0j)，理论上看测量信号是同频的交流信号，周期T0i和T0j应该相同，但是由于两个电路参数的差异，它们会有微小的差别，因此保留各个参数以便计算时进行适当补偿，这样就能够得到更加精确的数值。Txi和Txj是不大于周期T0的，因此对于图6-1和图6-2的测量时间Txi+T0i和Txj+T0j都不大于2个工频周期(即40毫秒左右)。
测量完成后进入第二阶段，这时程序调整为测量部件“发”——主机“收”的方式工作。这时是由测量部件单片机的P3.4/T0引脚输出开关量信号，经过反相器74LS04驱动光电发送器(LED)，这些光信号是表示测量数据，即通过光信号向主机传送每个测量部件的测量数据。对每个测量部件都进行了编号，各个测量部件的工作程序会依据本身序号依次向主机(见图7)发送数据。首先进行的是第一号测量部件与主机通信传输数据Tx1和T01，接着进行的是第2号测量部件与主机通信传输数据Tx2和T02，其它的测量部件也按照同样的原理进行传输数据传输。
图8描述了进行数据通信的时序关系，当光接收器输出信号出现下降沿(即Ps＝0)，表示接收到主机的信号，当它的上升沿开始每个测量部件的计时，而且以后的数据传送也是以这个上升沿为参照标准。前面已经介绍测量时间Txi+T0i和Txj+T0j是不大于40毫秒。对于第一个测量部件在同步信号启动测量以后再延时TM1≥Txi+T0i就可以传送数据了，为了可靠我们取TM1＝50毫秒作为测量过程的延迟时间。我们设每次传送数据的时间为TN，那么第二个测量部件传送数据的延时是第一个延迟时间加上TN，即TM2＝TM1+TN，后面的延时TM的计算依次类推。因此，对于6个回路进行测量的情况下的延时时间TM6的计算TM6＝TM5+TN＝TM1+5*TN根据这样的规律，主机和各个测量部件的通信会有条不紊地进行，主机会根据这个过程在其内部存储区依次保存各个部分的测量数据，以便后来的计算和显示。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.一种用光信号进行同步相位测量的方法，由一个主机和多个测量部件构成，其特征在于通过各个独立回路测量部件的测量，采用光信号作为测量中的同步信号进行测量，同时将数据传输给主机；然后通过主机汇总各个回路的数据进行计算确定被测参数，即引入三维变量的间接测量方式取代直接测量法。
2.如权利要求1所述的用光信号进行同步相位测量的方法，其特征在于所采用的光信号是红外光无线方式或光纤通信的方式。
3.一种用光信号进行同步相位测量的装置，由一个主机和几个测量部件构成，测量部件是根据实际需要进行组合，主机接收几个测量部件的测量数据，并进行计算确定被测参数，其特征在于主机由一个控制处理单元MCU及外围电路构成，在MCU上还连接有光发射器和光接收器，MCU的I/O信号与光发射器和光接收器相连，MCU的输出端经过反相器驱动光发射器向测量部件发出调制光信号；而MCU的输入直接与光接收器相连，光接收器把测量部件发来的调制光信号进行解调，MCU则可以通过程序识别经过解调的编码信号。光发射器作用是启动测量过程，而光接收器则是实现主机与测量部件之间的数据通信。
4.如权利要求3所述的用光信号进行同步相位测量的装置，其特征在于每个测量部件由一个控制处理单元MCUn及外围电路和测量电路构成，测量电路的输出与MCUn的I/O线相连接，这些I/O线用于测量方波信号的宽度(即时间值)，在MCUn上还连接有光发射器和光接收器，MCUn的I/O信号与光发射器和光接收器相连，它们的功能主要是实现测量部件与主机之间的通信。
全文摘要
本发明涉及一种用光信号进行同步相位测量的方法及装置，由一个主机和多个测量部件构成，其特点是通过各个独立回路测量部件的测量，采用光信号作为测量中的同步信号进行数据传输给主机，然后通过主机汇总各个回路的数据进行计算确定被测参数，即引入三维变量的间接测量方式取代直接测量法。本发明由于采用间接测量的方式，不再需要采用把两个参数接入到同一个仪器设备的(即直接测量)方法，只需要建立每个参数和光同步信号之间的函数关系就可以了，多个测量回路不再需要在电路上的连接，它们完全可以是独立的，依靠光同步信号就能够间接地测量到多个测量回路参数之间的相位关系。
文档编号G01R25/00GK1595181SQ20041001340
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者何嘉斌, 严杰, 何方 申请人:武汉理工大学