多路数据采集器系统与智能仪表的研究和设计

论文摘要

目前国内工业电力监控行业中生产的单相、两相或三相的测量仪表,已经不能满足企业和用户多回路电力参数测量的需求,仪表测量的功能、速度及精度对于飞速发展的智能仪表行业已经相对落后。电力自动化仪表行业虽已研制和开发各种功能的多回路数据采集器,但此类数据采集器主要是应用于民用脉冲电表、水表、燃气表、热量表的多用户数据采集器,因此,为了满足工业电力监控行业多回路交流电流等参数的测量需求,提出了一种基于ATmega128单片机的新型多路数据采集器,具有多回路交流电流测量和报警、状态信息监测的功能,并将PC主机控制有机结合在一起,具备远程操作能力。本论文在对智能仪器的设计方法深入研究的基础上,分析了多回路数据采集器系统的功能要求,提出了可行的设计方案。本论文主要内容如下:(1).论述了智能仪器的发展过程和发展趋势,从智能仪器的输入通道、输出通道、人机交互通道和通信接口角度介绍了智能仪器的硬件设计的典型结构和方法,分析了智能仪器软件设计,并论述了高速数据采集器系统的原理和基本理论。(2).详细介绍了多回路数据采集器系统的硬件电路研制和软件设计过程,解决了系统的测量问题,并对系统设计过程中软硬件抗干扰技术方面应注意的问题进行了说明。全文的重点是数据采集部分的硬件设计和软件实现。数据采集部分的硬件设计主要完成了以AVR高速嵌入式单片机为核心,模拟输入/输出和通讯接口部分的电路设计;通过软件编程设计,实现了八回路交流电流的动态高速巡检采集,同时采用Modbus/RTU作为传输协议,实现了仪表与PC机的通信功能。基于AVR高速嵌入式单片机的新型多路数据采集器系统的实现,可直接应用于电力行业的各相关企业,将会大大减少仪器成本,提高参数测量的速度和精度。本设计已经实际装机使用,产品已经通过了有关部门的鉴定,并且得到了大量应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景和意义
• 1.2 智能仪器及数据采集系统的发展和现状
• 1.3 智能仪器仪表的基本结构
• 1.3.1 智能仪器的硬件结构
• 1.3.2 智能仪器的软件结构
• 1.4 智能仪器仪表的特点和基本功能
• 1.4.1 智能仪器的特点
• 1.4.2 智能仪器的基本功能
• 1.5 数据采集的概念和基本理论
• 1.6 论文的总体结构
• 第二章 主要工作和任务
• 2.1 主要工作
• 2.2 设计计划
• 2.3 所需仪器和设备
• 第三章 多回路数据采集器系统的结构和性能分析
• 3.1 系统的总体结构和组成
• 3.2 系统的性能分析
• 第四章 系统的硬件设计与实现
• 4.1 单片机介绍
• 4.1.1 AVR 系列单片机
• 4.1.2 ATmega128 的特点及其硬件资源
• 4.2 系统硬件电路原理图的总体设计
• 4.3 微处理芯片的选择
• 4.4 数据采集模块
• 4.5 参数设置模块
• 4.5.1 本机地址设置
• 4.5.2 波特率设置
• 4.6 输出单元模块
• 4.7 LED 显示模块
• 4.8 通信接口模块
• 4.9 其他模块
• 4.9.1 电源模块
• 4.9.2 JTAG 接口模块
• 第五章 系统的软件设计与实现
• 5.1 主程序设计
• 5.2 数据采集与预处理程序设计
• 5.2.1 数据采集主程序
• 5.2.2 A/D 采集处理程序设计
• 5.2.3 数字滤波子程序设计
• 5.3 通信模块软件设计
• 5.3.1 Modbus 协议简介
• 5.3.2 Modbus 协议通信帧格式
• 5.3.3 Modbus 协议的功能码说明
• 5.3.4 基于Modbus 协议的通信程序设计
• 第六章 测量问题和抗干扰措施
• 6.1 电流有效值的测量问题
• 6.2 抗干扰措施
• 6.2.1 系统硬件抗干扰
• 6.2.2 系统软件抗干扰
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文