光信號同步的間接測量方法和結構

　用光信號同步的間接測量方法和結構

　　本設計采用了一種間接的測量方法，不需要將2個(gè)現場(chǎng)交流信號引入到同一個(gè)設備，即測量過(guò)程是分別在各個(gè)信號的回路獨立進(jìn)行的。這種間接的測量方法的條件是必須有一個(gè)同步信號作為測量基準，這樣才能在各個(gè)獨立回路的測量回路之間建立起關(guān)聯(lián)，以便最后測量出Δtx和T0。在這里采用的是紅外光信號進(jìn)行同步相位測量的方法，利用光信號作為同步信號源，不需要在電路上的連接關(guān)系就可以進(jìn)行同步，同時(shí)還可以利用它作為數據通信的載體。

　　本系統包含一個(gè)主機和幾個(gè)測量部件。主機是系統的核心部分，而測量部件的數量取決于實(shí)際測量的需要(例如在測量六角圖時(shí)，就應該是6個(gè)測量部件)，主機是由MCS-51系列的AT89C51單片機為主體的部分，外圍電路比較簡(jiǎn)單。它主要依靠一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)光接收器構成通信接口，單片機的輸出端經(jīng)過(guò)反相器驅動(dòng)以后控制光發(fā)射器向測量部件發(fā)出調制光信號。而單片機的輸入直接與光接收器相連，光接收器把測量部件發(fā)來(lái)的調制光信號進(jìn)行解調，單片機則可以通過(guò)程序識別編碼信號。光發(fā)射器主要用來(lái)啟動(dòng)測量過(guò)程，而光接收器則實(shí)現主機與測量部件之間的數據通信。

　　每個(gè)測量部件也是一個(gè)由AT89C51單片機為核心的智能化的測量電路，其外圍部分主要包括光發(fā)射器、光接收器和測量電路(如圖1所示)。測量電路是由OP07組成的放大電路和LM311組成的整形電路組成，主要功能是將交流信號轉換為相應的方波信號。方波的輸出與單片機的I/O線(xiàn)相連接，利用單片機內部的定時(shí)/計數器，可以測量到相關(guān)的時(shí)間值，進(jìn)而計算出相位角。光發(fā)射器和光接收器的作用主要是實(shí)現測量,同時(shí)完成與主機的雙向通信。

　　圖1 測量部件的電路原理框圖

　　間接測量法的原理

　　主機一方面控制測量過(guò)程，向各個(gè)測量部件發(fā)出紅外光同步信號啟動(dòng)測量，另一方面各個(gè)部件完成測量以后，通過(guò)紅外光通信將各個(gè)部件的測量數據匯總到主機，然后進(jìn)行計算以確定被測參數，即引入三維變量的間接測量方式取代直接測量法。這種間接測量方式不再需要直接測量時(shí)差，只需建立每個(gè)參數和光同步信號之間的時(shí)間關(guān)系，再通過(guò)計算求出時(shí)差?；芈凡辉傩枰陔娐飞系倪B接，僅僅依靠一個(gè)光同步信號就能夠間接地測量到多個(gè)測量回路參數之間的相位關(guān)系。

　　這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于：各個(gè)測量回路不再需要參考點(diǎn)的連接，回路相對獨立，分別測量各自的交流信號過(guò)零時(shí)刻與光同步信號之間的時(shí)間差，以作為相位測量的基本參數。它們之間的關(guān)聯(lián)不是靠電路形式的連接，而是依靠光信號，這樣就可以杜絕回路之間的短路發(fā)生，另外，還可以減少儀器的連線(xiàn)。光信號除了作為同步信號外，還作為數據傳輸通道，各個(gè)測量回路將測量數據通過(guò)光的傳輸，集中在主機部分最終完成參數的數值顯示。

　　工作過(guò)程

　　在一個(gè)測量周期開(kāi)始，由主機控制光發(fā)射器發(fā)出一個(gè)同步紅外光信號，測量部件的光接收器都能在同一時(shí)刻接收到這一信號，各個(gè)測量部件的單片機會(huì )同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)行各自的測量過(guò)程，完成測量過(guò)程后，再由各個(gè)部件的單片機依次將測量數據傳送回主機，主機單片機通過(guò)光接收頭，依次接收到各個(gè)測量部件的數據并匯總這些基本數據，最后通過(guò)計算后主機就顯示相應的數字值，至此完成一個(gè)測量周期。

　　主機部分

　　第一階段，主機光發(fā)射器發(fā)出同步光信號，啟動(dòng)各個(gè)測量部件同時(shí)進(jìn)入測量狀態(tài)，此時(shí)，單片機的P3.4/T0引腳設置為輸出狀態(tài)，當工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生調制信號，經(jīng)過(guò)反相器74LS04驅動(dòng)光電發(fā)送器，按照程序的約定這個(gè)信號是表示“啟動(dòng)”的光信號，即通過(guò)該光信號向每個(gè)測量部件傳送開(kāi)始測量的同步信號。

　　第二階段，每個(gè)測量部件同時(shí)進(jìn)入測量，測量完成后再由各個(gè)部件依次將測量數據傳送回主機。主機對P3.3/INT1引腳的脈沖進(jìn)行測量和程序識別，經(jīng)過(guò)解碼確定測量部件所發(fā)出的信號，完成“取回數據”的工作。

　　測量部分

　　每個(gè)測量部件電路結構如圖1所示，其中以UA1(OP07)為主的部分是信號放大器，例如在以鉗形電流作為對電流信號的測量時(shí)，輸入的電信號一般比較小，必須經(jīng)過(guò)放大處理。而以UA2(LM331)為主的部分則是過(guò)零比較電路，主要用于將信號轉換為過(guò)零變化的方波，這個(gè)方波的上升沿表示交流信號的過(guò)零點(diǎn)。在圖1中還包含光電耦合器SA1(TIL117)，它一方面進(jìn)行電路隔離，同時(shí)還將方波信號轉換為T(mén)TL電平以便在單片機的P3.2(INT0)上進(jìn)行測量，這個(gè)引腳設置為輸入狀態(tài)，利用軟件很容易對方波信號的上升(或下降)沿進(jìn)行測量。與現有電路比較，其測量部分簡(jiǎn)化了很多，傳統電路是對兩個(gè)回路的交流信號進(jìn)行處理—即將兩個(gè)信號的過(guò)零點(diǎn)在一個(gè)設備中進(jìn)行直接比較以確定出相位差(Δtx)。而該電路不再基于對兩個(gè)信號之間直接進(jìn)行比較，且測量方法也發(fā)生了很大的改變，它是采用一個(gè)公共的光脈沖作為測量同步信號。

　　測量完成后由測量部件單片機的P3.4/T0引腳輸出開(kāi)關(guān)量信號，經(jīng)過(guò)反相器74LS04驅動(dòng)光電發(fā)送器，然后通過(guò)光信號向主機傳送每個(gè)測量部件的測量數據。由于對每個(gè)測量部件都進(jìn)行了編號，各個(gè)測量部件的工作程序會(huì )依據本身序號依次向主機發(fā)送數據。