應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)裝置在輸電線路局部的設(shè)計(jì)

其中，RPt為Pt100的電阻值，T為溫度。電阻信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)后才能進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。采用三線制熱電阻，是因?yàn)槿€制可消除長(zhǎng)線引起的附加電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。
圖3為高精度溫度測(cè)量電路。熱電阻阻值必須轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)才能輸入A／D電路。XTR103為BURR-BROWN公司生產(chǎn)的以Pt100熱敏電阻(或其他類型)為激勵(lì)、輸出4～20 mA直流電流的高靈敏度變送器。其內(nèi)部集成的二階校正線性化電路能夠?qū)崿F(xiàn)Pt100阻值到直流電流的線性轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、工廠自動(dòng)化、SCADA等領(lǐng)域。精密電流／電壓轉(zhuǎn)換器RCV420實(shí)現(xiàn)直流電流到直流電壓的轉(zhuǎn)換。

XTR103輸出電流信號(hào)IO與Pt100阻值RPt的函數(shù)關(guān)系為：

其中，IO為輸出電流信號(hào)，在4～20 mA范圍內(nèi)；RG為XTR103的量程電阻；Rz為基準(zhǔn)電阻?？紤]熱泵運(yùn)行工況，要選擇合適的量程電阻和基準(zhǔn)電阻，以設(shè)定合適的溫度測(cè)量范圍。選擇RG=150 Ω，Rz=80 Ω，由式(1)和(2)可以確定溫度測(cè)量范圍為-50．77～132．55℃，能夠滿足我國(guó)輸電線路環(huán)境溫度測(cè)量范圍的要求。
為了提高溫度測(cè)量精度，除了采用圖3所示的高精度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路外，還必須解決以下兩個(gè)問(wèn)題：
①鉑電阻的阻值一溫度特性校準(zhǔn)。式(1)給出的是額定特性，實(shí)際的鉑電阻存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的分散性，因此必須校準(zhǔn)每個(gè)鉑電阻的阻值-溫度特性。
②鉑電阻元件的熱滯后(thermal lag)問(wèn)題。熱滯后問(wèn)題由元件與環(huán)境的換熱熱阻以及元件自身的熱容共同引起。鉑電阻元件由鉑電阻絲和不銹鋼封裝外殼組成，在高溫應(yīng)用中采用陶瓷封裝。由于鉑電阻絲非常細(xì)、質(zhì)量小，可忽略其熱惰性。
2．4．3 風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量
風(fēng)速的測(cè)量關(guān)鍵是要把風(fēng)速參數(shù)轉(zhuǎn)換成能被A／D電路處理的電信號(hào)，由風(fēng)速／風(fēng)向傳感器來(lái)完成。本文選用風(fēng)速／風(fēng)向傳感器EA-V200，其風(fēng)速測(cè)量范圍為0～50 m／s，輸出信號(hào)為抗干擾能力強(qiáng)的直流電流4～20 mA。此直流信號(hào)由A／D電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再由VC33處理。
風(fēng)向測(cè)量由EA-V200給出8個(gè)開關(guān)量輸入來(lái)表示不同的風(fēng)向。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
設(shè)定Microcomputer／Bootloader為VC33的運(yùn)行模式。運(yùn)行前程序存放在存取速度較低的Flash中，系統(tǒng)復(fù)位后由固化在DSP芯片上的Bootloader把程序搬移到高速SRAM中全速運(yùn)行。本文只簡(jiǎn)單介紹軟件的功能。程序從結(jié)構(gòu)上分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。
主程序包括：
①系統(tǒng)初始化程序。設(shè)置外部存儲(chǔ)器接口、串口、定時(shí)器、中斷、中斷向量表、鍵盤接口等參數(shù)，確定系統(tǒng)的運(yùn)行模式。
②數(shù)據(jù)處理程序。把A／D轉(zhuǎn)換后的離散化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成實(shí)際的溫度、壓力、工質(zhì)質(zhì)量流量，剔除不良數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的高頻噪聲濾波，最終得到反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際工況的狀態(tài)量等。
中斷服務(wù)程序包括：
①A／D采集程序。完成所有模擬量的12位采集。根據(jù)熱力傳感器的特點(diǎn)，采樣頻率每路均設(shè)為24 Hz。A／D采集程序占用VC33的INT0中斷。
②鍵盤掃描程序。當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí)，讀取按鍵編碼。占用VC33的INT2中斷。
③控制量驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)數(shù)字輸出或模擬量輸出。由VC33的TIMER0的定時(shí)器中斷來(lái)提供這些控制驅(qū)動(dòng)的周期。具體控制策略要根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)確定。
④通信程序。實(shí)現(xiàn)LCD顯示、與PC通信的功能。占用VC33的定時(shí)器中斷。

4 總 結(jié)
基于DSP的輸電線路局部氣象在線監(jiān)測(cè)裝置能夠分散安裝在輸電線路沿線桿塔上，實(shí)時(shí)測(cè)量氣象參數(shù)，包括環(huán)境溫度和濕度、大氣壓力、風(fēng)速等。這些參數(shù)皆與輸電線路覆冰預(yù)測(cè)、脫冰跳躍、風(fēng)舞及控制等緊密相關(guān)，可以向調(diào)度中心提供線路現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)信息。本裝置的設(shè)計(jì)涉及多學(xué)科內(nèi)容，現(xiàn)總結(jié)設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn)：
①根據(jù)輸電線路的實(shí)際運(yùn)行工況選擇合適的傳感器或變送器。注意與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配合，合理布置傳感器或變送器的數(shù)量和測(cè)點(diǎn)。
②VC33與外設(shè)的時(shí)序控制問(wèn)題。對(duì)慢速的外部擴(kuò)展設(shè)備，僅僅設(shè)計(jì)合適的訪問(wèn)等待狀態(tài)是不夠的(如A／D芯片，其片選信號(hào)無(wú)效后數(shù)據(jù)總線的封鎖仍需相對(duì)較長(zhǎng)一段時(shí)間)，還必須仔細(xì)研究外設(shè)的訪問(wèn)時(shí)序，設(shè)計(jì)相應(yīng)的封鎖電路，以免造成總線沖突使得系統(tǒng)無(wú)法工作。
③系統(tǒng)的抗電磁干擾問(wèn)題?；赩C33的系統(tǒng)是高速系統(tǒng)，電磁干擾問(wèn)題尤其嚴(yán)重，特別對(duì)時(shí)鐘線要進(jìn)行良好的屏蔽。對(duì)高頻信號(hào)線要注意傳輸線距離、匹配電阻設(shè)計(jì)、印制電路板布線形狀等問(wèn)題。采用多層布線板對(duì)抗電磁干擾有益處，但成本會(huì)增加。
基于DSP的輸電線路局部氣象在線監(jiān)測(cè)裝置充分發(fā)揮了“DSP+CPLD”體系的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境溫度、大氣壓力、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等參數(shù)的多通道采集、數(shù)據(jù)處理、自然災(zāi)害預(yù)警等功能，對(duì)提高輸電線路乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。