李海军，肖继学，程 志，殷 巧， 董圣友， 王 泽

（1.西华大学机械工程与自动化学院，四川 成都 610039；2.成都航天通信设备有限责任公司，四川 成都 610051；3.天府新区仁寿视高管理委员会，四川 成都 620500）

交流电力智能传感器粗信号处理实验平台接口设计

李海军1，肖继学1，程 志2，殷 巧3， 董圣友1， 王 泽1

（1.西华大学机械工程与自动化学院，四川 成都 610039；2.成都航天通信设备有限责任公司，四川 成都 610051；3.天府新区仁寿视高管理委员会，四川 成都 620500）

为并行开发交流电力智能传感器粗信号处理实验平台的各构成模块，以便快速研发出该平台，从指标要求、功能需求和资源分配等方面设计采集接口、存储接口、通信接口、微处理器接口、上位机接口以及用于上位机模块内的Visual C++-Matlab接口。基于这些接口，在Protus、Protel、Keil C、Visual C++6.0等电路、软件集成仿真、开发环境中研制该平台，并通过实验结果验证这些接口设计的有效性和合理性。

交流电力；智能传感器；信号处理；设计；接口

0 引 言

交流电力智能传感器的粗信号处理是对感知出来的电力信号进行分析，进而获得电力特征参数或性能指标的过程。人们基于最小均方根法、相关分析法和拉格朗日法等展开了这方面的研究，以便低成本地实现交流电力智能传感器，并取得了初步成果[1-5]。

为更深入进行这方面的研究并检验所研究方法的实际性能，设计一套交流电力智能传感器粗信号处理实验平台，并设计、实现其各功能模块即可高效、快速地研制出该平台。各功能模并行设计、实现的首要条件为相互联系的各模块间在电气、信息等方面具有明确的规定或约束特性（即接口[6]）。为尽快开发出该实验平台，本文进行了其接口设计。

1 系统基本结构

交流电力智能传感器粗信号处理实验平台主要由嵌入式现场系统和上位机系统两部分构成[5]。嵌入式现场系统包括感知单元、调理电路、A/D转换电路、微处理器、复位电路、时钟电路、监视单元、电源单元、键盘单元、显示单元、存储单元以及通信单元等，能够完成交流电力信号探测、调理、粗信号处理方法的后期现场实际验证、分析结果的显示及通信等功能。上位机系统由一台个人计算机即PC构成，主要完成交流电力信号的信号模拟、粗信号处理的前期仿真研究以及与现场系统的通信等，其软件在集成开发环境Visual C++6.0中研制。在Visual C++6.0中通过调用Matlab中功能丰富的基于传统、经典方法的分析工具，分析、处理实测交流电力信号来获取交流电力特征参数或性能指标的真值，以分析粗信号处理方法的精度，同时缩短研发周期。现场系统与上位机系统之间通过串口进行通信。

2 接口设计

交流电力智能传感器粗信号处理实验平台利用图1所示的采集、存储、微处理器、通信、上位机和VC-Matlab共6个接口即可将各功能模块构成一个有机整体。在研发该平台时，根据这些接口，也可以并行开发与之相应的采集模块、存储模块、通信模块、上位机模块及其他模块。由于粗信号处理研究的基本出发点在于为低成本实现交流电力智能传感器提供方法和技术支持，实验平台选取成本低、性价比高和稳定性好的89C51/52系列单片机作为其微处理器。接着将对这6个接口进行设计。

2.1 采集接口

采集模块由电流、电压等电力信号的感知部件、信号调理电路和A/D转换电路等构成。要求信号采集的分辨率为0.3V，采样频率不低于20kHz。采集模块对其滤波等信号调理方面没有要求，便于交流电力智能传感器硬件的简化，以利于减小体积和低成本实现。工业上一般采用三相交流电力，故采集模块应能采集三相电力的电压、电流信号。实验平台留给采集模块的微处理器I/O系统资源为P1口的低5位，以供采集模块使用。

2.2 存储接口

本实验平台需要存储来自于上位机的模拟电力信号u′、通过采集模块获得的三相电压、电流采集信号uA、uB、uC、iA、iB、iC，以及利用粗信号处理方法分析得来的电力特征参数或性能指标等数据。模拟电力信号主要用于分析粗信号处理方法在电力智能传感器中的实际测试精度、实时性以及可靠性。实测电力信号用于研究粗信号处理方法的现场分析性能，电力特征参数或性能指标是粗信号处理方法性能评价的依据。电力信号的采样周期Ts越短，一个电力信号周期T内的采样点数N越大，样本就越趋近于实际的电力信号。因此，本实验平台需要存储大量数据，仅利用微控制器自身的存储空间是远远不够的，需要扩展存储器。

图1 智能传感器粗信号处理实验平台接口框图

为确保分析精度，本实验平台采用基于IEEE 754—1985《IEEE Standard for Borary Floating-Point Arithmeti》标准的浮点型数据格式进行存储，一个数据信息占用4个字节。为了让样本较好地逼近电力信号，无论对于实测信号还是模拟信号，N均取为512，存放3个周期的电力信号。频率、电压与电流的幅值、初相位是交流电力的特征参数；交流电力功率的基本性能指标为视在功率、有功功率、无功功率和功率因子。通过不同方法获得的这些参数或指标均需要保存。另外，还有用于计算、分析过程中的数据临时缓存区bufter，至少需要1kB的空间。另外，实验平台留给存储模块的系统I/O资源为P0、P2.0～P2.5、P3.6、P3.7。

2.3 通信接口

交流电力智能传感器粗信号处理实验平台对现场系统与上位机系统之间的通信速度无特别要求，采用RS-232串口全双工通信，数据格式为16进制，波特率为9600bit/s、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验。

本平台的通信协议格式如表1所示。其中字节头取值为0x68，结束码取值为0x16，A、B、C三相电压、电流采集通道ID分别为1，2，3，4，5，6，数据域内放置要传送的具体数据。数据长度表示数据域中的字节数，占用2个字节。将除校验码和结束码外的其他项通信信息累加，形成用1个字节表示的校验码。5个字节描述的控制字主要分成3类：数据请求控制字、数据上传控制字和辅助控制字。对于前两类，由于通信的内容为表1所示的信息（buffer项除外），故其格式为：Q或S+4位描述的表1中的数据（数据的下标变为正常字体，数据不足4位的项，其高位用零表示，如θuA1、uA1、u1′分别描述为θuA1、0uA1、0u1′，表示利用粗信号处理方法1分析实测交流A相电压信号所得的初始相位、电压有效值，分析模拟信号所得的电压有效值），其中，Q表示查询信息，S表示发送信息。辅助控制字的格式为：ACW+两位控制指令，其中，01表示测试串口通信是否正常（回复0表示串口通信正常，其他值表示串口通信不正常），02表示查询平台正常采集电力信号的通道数目，03表示查询平台正常采集电力信号的通道，04表示查询平台通信的波特率，05表示设置平台通信的波特率。辅助控制指令还可以根据需要进行扩展。

表1 数据通信协议格式 Byte

2.4 微处理器接口

微处理器模块主要由89C51/52集成芯片、复位电路、时钟电路、键盘单元、显示单元、CPU监视单元和电源单元等构成。它能将A/D单元后的电力信号进行采集并存放在存储器中，并利用多种粗信号处理方法分析采集或模拟交流电力信号，输入现场指令，显示现场系统的工作状态、分析结果；与上位机系统进行通信，监视CPU的工作状态，一旦出现“跑飞”等故障，复位CPU让其重新正常工作；能提供现场系统正常工作的电源。供微处理器模块使用的I/O为P1口的高3位。

2.5 上位机接口与Visual C-Matlab接口

上位机模块能模拟交流电力信号，实现多种交流电力粗信号处理方法，并将模拟交流电力信号“告知”现场系统，从现场系统处“获知”交流电力的实测信号以及现场系统的分析结果等；以图、列表等方式显示实测或模拟交流电力信号，并显示交流电力信号多种粗信号处理方法的分析结果等。Visual C++6.0是Window平台上一种强有力的软件开发集成环境，所以，本实验平台的上位机将利用Visual C++6.0进行其软件开发。

对于模拟的交流电力，其特征参数和性能指标的真值是已知的；对于实测的交流电力，确定其特征参数和性能指标的真值比较困难。利用现有的经典方法获得这些真值不失为一种有效途径。Matlab工具箱提供了丰富的经典方法、算法和绘图方式，在Visual C++6.0中利用这些工具能可靠地计算出电力特征参数、性能指标的真值，并有效地缩短上位机软件的开发周期。

在Visual C++6.0中调用Matlab工具箱中的函数有几种方式，结合自身特点，上位机模块宜采用引擎方式。利用这种方式的具体步骤为：

1）在Visual C++6.0环境中添加Matlab引擎库头文件和库函数的路径，并在其菜单项Project→Settings的【Link】选项卡上【Object/library modules】文本框中添加3个文件名libmx.lib、libmex.lib、libeng.lib。

2）在工程头文件中加入引擎库头文件名Engine.h。首次调用Matlab函数时先利用engOpen函数打开Matlab引擎。该函数返回的引擎指针用于之后Matlab函数的调用。不再调用Matlab函数时，通过engClose函数关闭引擎。

3）通过engEvalString函数向Matlab引擎发送包含所调用的Matlab函数名及其参数的命令字符串实现函数的调用。利用函数engGetVariable获取Matlab函数分析出来的信息。该函数返回一个mxArray类型的指针。函数mxGetData可将该类型的指针转化成可在Visual C++6.0中操作的void类型指针。

3 实 验

项目组将5位硕士研究生划分成4个小组：从原理设计到系统集成、调试，研制出该平台[7]共花费1个半月[8]。

图2 单相交流电力测试

利用实验室中的工业用交流电力对研制出的实验平台进行系统测试和验证。图2（a）为现场系统采集的一个单相交流电压信号，上位机系统通过通信模块获取了该信号并利用0、1、2号粗信号处理方法对其进行分析。上位机系统调用Matlab工具箱中的FFT函数获得该信号特征参数的真值，其中图2（b）、2（c）分别为该信号幅频、相频特性。图2（d）为该信号在实验平台上测试得出的综合信息。其中，幅值数据、相位数据列表框中的内容为图2（b）、2（c）的数据化，对该信号进行的3种粗信号处理（一个信号周期内用了21个采样点进行分析）是在上位机系统上进行的，其分析结果与现场系统基本相同，不同的主要在于处理速度，其主要原因是微处理器的晶振频率为12 MHz，而上位机的主频为2.1 GHz。由图2可知，方法1、2的精度高于方法0，这与相关研究成果相吻合，从而验证了该实验平台的有效性、可靠性。

该实验平台研制的快速性、高效性以及研制出的平台有效性、可靠性证明了用于该平台研制的接口设计的有效性、合理性。

4 结束语

简要分析了交流电力智能传感器粗信号处理实验平台基本结构，指出其基本组成单元为采集模块、存储模块、通信模块、微处理器模块和上位机模块。在此基础上，探讨了该平台的接口构成。接着从指标要求、功能需求、资源分配等方面设计了采集接口、存储接口、通信接口、微处理器接口、上位机接口以及用于上位机模块内的基于引擎方式的VC-Matlab接口。对于VC-Matlab接口，探讨并展示了具体实现过程。将这些接口用于研制该实验平台的实践证明了这些接口设计的有效性、合理性，为后续工作提供了重要参考。

[1]肖继学，李世玺，程志.交流电压智能传感器的粗信号处理[J].西华大学学报：自然科学版，2011，30（2）：35-38.

[2]车畅，胡丹.交流电力功率智能传感器粗信号处理[J].西南交通大学学报：自然科学版，2011，46（4）：598-603.

[3]肖继学，杨瑜，王凯.交流电力智能传感器中功率的一种高效测试方法[J].测控技术，2010，29（7）：94-102.

[4]肖继学，杨瑜，王凯.交流电压智能传感器中信号处理的相关分析[J].仪表技术与传感器，2010（5）：98-100.

[5]程志，肖继学，李世玺.交流电力智能传感器粗信号处理实验硬件系统设计[J].西华大学学报：自然科学版，2011，30（4）：68-71.

[6]赵书兰.Matlab R2008接口技术程序设计实例教程[M].北京：化学工业出版社，2009：203-217.

[7]殷巧，肖继学，童俊，等.交流电力智能传感器粗信号处理实验平台的软件设计[J].中国测试，2013，39（2）：89-93.

[8]程志.交流电力智能传感器粗信号处理实验系统的研制[D].成都：西华大学机械工程与自动化学院，2012.

Interface design of experimental platform for AC power smart sensor coarse signal processing

LI Hai-jun1，XIAO Ji-xue1，CHENG Zhi2，YIN Qiao3，DONG Sheng-you1，WANG Ze1
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.Chengdu Aerospace Communication Device Company Limited，Chengdu 610051，China；3.Tianfu New Area Renshou Shigao Administration Committee，Chengdu 620500，China）

In order to develop the modules of experimental platform for AC power smart sensor coarse signal processing in parallel so that the platform can be implemented as soon as possible，the interfaces are designed in aspects of performance index，function demand and system resource allocation.They are interfaces of acquisition，storage，communication，micro-processor，host computer and Visual C++-Matlab，which is utilized in host computer module.Based on the interfaces，the platform is exploited in the circuit and software integrated development and stimulation environments such asProtus、Protel、KeilC and VisualC++6.0.The resultsofthe developmentand the experiments carried out on the platform improve the interfaces effective and reasonable.

AC power；smart sensor；signal processing；design；interface

TM711.2；TP212.1；TN911.7；TP334.7

：A

：1674-5124（2014）05-0111-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.029

2014-02-17；

：2014-05-05

教育部重点项目（Z2012015）四川省教育厅重点项目（13ZA0025）四川省人力资源和社会保障厅重点项目（川财教[2013]203）

李海军（1990-），男，四川南充市人，硕士研究生，专业方向为单片机与嵌入式系统应用。