同步采集卡的设计及其在电能表校验中的应用

论文摘要

随着科学技术的发展和社会的进步,数据采集成为人们获取周围世界信息的重要途径之一；日益增加的信号类型和复杂的处理算法对数据采集系统的采集速度和精度提出了越来越高的要求。另外,随着物联网概念的提出,数据采集系统作为物联网实现信息全面感知的重要手段,这要求其具备分布式终端部署和大数据量吞吐的能力。论文介绍了数据采集的基本概念和相关知识,调研了国内外研究现状,并着重对三相电能计量方面的基本原理和实现算法做了详细的分析,结合课题的需求,设计了整体的系统框架,研究并实现了一种基于ARM的同步采集卡,并最终应用于电能表校验仪中。硬件方面,该方案以STM32F107为控制核心,以AD7656为模数转换器件,可以实现电压信号同步采集、数据前端处理、网络控制等功能。系统设计包括电源模块设计、数据采集模块设计、网络模块设计、触发脉冲输入模块设计等。系统硬件参数为：六通道最大独立采样率为250KSPS每通道,输入电压范围为±10V；4路触发脉冲输入；10M/100M以太网通信。软件方面,应用了TCP/IP协议,在应用层实现了采集卡控制和数据传输。采集卡软件指令包括握手指令,采样率设置指令,脉冲通道设置指令,数据采集指令,结束指令等。该软件设计考虑到了在不改变采集卡软件的同时,满足上位机下达的各种采集模式。应用方面,以电能表校验领域为例,说明了采集卡的应用情况。电能表校验仪,利用虚拟仪器的理念,实现了系统参数设定,电能参数的采集、存储与计算,电网运行状况诊断和故障检测报警等功能,并对整个系统进行了测试,测试结果达到预定指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 背景
• 1.1.2 数据采集概念
• 1.1.3 数据采集在电参数监测中的应用
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 相关理论及技术基础
• 2.1 数据采集的基本原理
• 2.1.1 数据采集的过程
• 2.1.2 采样定理
• 2.2 以太网及TCP/IP协议介绍
• 2.2.1 以太网概述
• 2.2.2 TCP/IP协议
• 2.3 三相电参量计算方法
• 2.3.1 电力基本参数测量技术
• 2.3.2 电压、电流有效值
• 2.3.3 有功功率、无功功率及功率因数
• 2.4 三相电能测量误差校正方法
• 2.4.1 误差计算算法
• 2.4.2 系统误差来源分析
• 2.4.3 系统误差修正算法
• 第3章 硬件设计与实现
• 3.1 系统总体设计
• 3.1.1 系统功能描述
• 3.1.2 系统的构成
• 3.1.3 系统的工作流程
• 3.1.4 局域网中多个采集终端的组织结构
• 3.2 硬件总体设计
• 3.3 电源模块
• 3.3.1 隔离变压器变比计算
• 3.3.2 整流滤波电路
• 3.3.3 线性稳压电路
• 3.3.4 模数电源隔离
• 3.4 数据采集模块
• 3.4.1 AD转换芯片介绍
• 3.4.2 主控制器介绍
• 3.5 以太网模块
• 3.6 脉冲输入模块
• 第4章 软件设计与实现
• 4.1 开发环境介绍
• 4.2 软件总体流程
• 4.3 指令介绍
• 4.3.1 握手指令
• 4.3.2 设置采样率指令
• 4.3.3 设置脉冲通道
• 4.3.4 数据采集指令
• 4.3.5 结束指令
• 4.4 ADC时序控制
• 4.4.1 ADC触发控制
• 4.4.2 ADC数据的读取
• 第5章 电能表校验中的应用
• 5.1 前端信号调理
• 5.1.1 电压信号调理
• 5.1.2 电流信号调理
• 5.2 关口电能农及其校验
• 5.2.1 关口电能表介绍
• 5.2.2 关口电能表校验
• 5.3 上位机软件开发平台LabVIEW介绍
• 5.3.1 虚拟仪器的概念
• 5.3.2 虚拟仪器开发软件LabVIEW
• 5.4 上位机软件总体框架和功能介绍
• 5.4.1 上位机软件总体框架
• 5.4.2 上位机软件功能介绍
• 5.5 三相电参数测量的LabVIEW实现
• 5.6 数据库设计
• 5.7 软件工作流程
• 5.7.1 主界面
• 5.7.2 通讯参数设置模块
• 5.7.3 用户和被校表参数输入模块
• 5.7.4 关口表校验模块
• 5.7.5 实验室校准模块
• 5.8 测试结果
• 5.8.1 测试框架
• 5.8.2 各通道采样稳定度测试
• 5.8.3 系统误差稳定度测试
• 5.8.4 系统准确度测试
• 5.8.5 测试和应用结论
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 光纤式现场电能表校验仪实物图
• 附录C PCB版图
• 附录D 部分程序代码
• 致谢