电气工程师PDA检测与存储系统设计

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安徽理工大学　硕士学位论文　电气工程师ＰＤＡ检测与存储系统设计　姓名：赵瑞娟　申请学位级别：硕士　专业：计算机应用技术　指导教师：李敬兆　２００９０６０１
摘
要
摘
要
随着ＰＤＡ集成化，轻巧化，智能化的发展，各类专业ＰＤＡ也在不断出现．　基于￥３Ｃ２４１０的电气工程师ＰＤＡ是集万用表，示波器，常用电学公式计算，　电气参数资料手册查询，具有计算，通信联网和在线查询以及自校正，自诊断等　功能于一体的便携式电子装置．　本课题是＂基于￥３Ｃ２４１０的电气工程师ＰＤＡ＂项目的一部分，主要完成其检　测与存储系统的设计．　本文应用了基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核的３２位ＲＩＳＣ嵌入式微处理器￥３Ｃ２４１０芯片及　数据采集与处理和ＬＣＤ／触摸屏电路，移植了嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统并编制相应的　驱动程序和应用软件，分析了波形显示技术以及电物理量参数和时间类参数的测　量原理，实现了对电阻，电容，电感，电压，电流，频率等的测量，同时可进行　在线交流电压电流瞬时值，真有效值，有功功率等的测量．本系统采用ＬＣＤ技术　实现了同步的数字显示和波形显示，并具有ＵＳＢ接口与以太网接口．　本文采用模块化的设计方法，将整个系统分成相对独立的模块，每个模块的　入口参数和出口参数均有准确的定义，完成单一的功能．本文详细设计了Ａ／Ｄ转　换，波形插值，外部通信以及频率信号采集等模块．　实验表明，电气工程师ＰＤＡ具有较高的测量速度和测量精度，且易于携带操　作，是电气工程师的好伴侣，具有很广阔的应用前景和实用价值．
图４９表４参５０
关键词：ＰＤＡ；￥３Ｃ２４１０；Ｌｉｎｕｘ；波形显示；电参数检测；频率
分类号：ＴＰ２３；ＴＭ９３
安徽理工大学硕士学位论文
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ　ｃｏｍｅ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　ＰＤＡｓ　ａｌｏｎｇ，航ｎｌ　ｔｈｅ　ｒａｐｉｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｉｔｙ，ｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉａｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ＰＤＡ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ￥３Ｃ２４　１　０　ｉｓ　ｓｕｃｈ
ａ
ａｎｄ
ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ｐｏｒｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ　ｍｕｌｔｉｍｅｔｅｒ
ｅｌｅｃｔｒｉｃｓ
ａｎｄ　ｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ，ａｎｄ
Ｃａｎ
ｐｒｏｖｉｄｅ
ｃｏｍｍｏｎ
ｉｎｑｕｉｒｙ，
ａｂｏｕｔ
ｆｏｒｍｕｌａｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｏｔｈｅｒ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ，航ｍ
ｓｅｌｆ－ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ
ｄｅｖｉｃｅｓ
ａｎｄ
ａｌｓｏ
ｏｎｌｉｎｅ—ｓｅａｒｃｈ，
ａｎｄ
ｓｅｌｆ－ｒｅｓｔｏｒｉｎｇ．
Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ＇Ｓ　ｔａｓｋ，ｗｈｉｃｈ　ｂｅｌｏｎｇｓ　ｔｏ　ｔｈｅ
ｐｒｏｊｅｃｔ
ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉａｎ　ＰＤＡ　ｂａｓｅｄ
ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｉｔ．
ｏｎ
Ｓ３Ｃ２４　１　０，ｍａｉｎｌｙ　ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　Ｉｎ　ｔｈｉｓ
ａｎｄ　ｔｈｅ
ｏｆ
ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ
ｏｎ
ａｕｔｈｏｒ
ａｐｐｌｉｅｄ
ｔｈｅ
ｃｈｉｐ
３２－ｂｉｔ
ＲＩＳＣ
ｅｍｂｅｄｄｅｄ
ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｂａｓｅｄ
ＡＲＭ９２０Ｔ，ｉｎｔｏ　ｗｈｉｃｈ　Ｌｉｎｕｘ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｈａｒｄｗａｒｅ
ｄｒｉｖｅｒ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｅ
ＬＣＤ　ｔｏｕｃｈ　ｓｃｒｅｅｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ
ａｒｅ
ｐｌａｎｔｅｄ．Ｔｈｅ
ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ
ａｎｄ
ａｌｓｏ
ａｐｐｌｉｅｄ．
ｔｈｅ
Ｔｈｅ
ａｕｔｈｏｒ
ａｎｍｙｚｅｄ　ｗａｖｅ－ｄｉｓｐｌａｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ
ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ
ａｓ
ｅｌｅｃｔｒｉｃ—ｃｌａｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ—ｃｌａｓｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈ　ｐｕｔ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｓｕｃｈ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ｖｏｌｔａｇｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｐｐｌｉｅｄ
ａｎｄ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｕｎｄｅｒ　ｆｏｒ
ｃｏｒｒｅｃｔ
ＬＣＤ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｒｅａｌｉｚｉｎｇ
ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ　ｄｉｇｉｔａｌ・－ｄｉｓｐｌａｙ　ａｎｄ　ｗａｖｅ・－ｄｉｓｐｌａｙ，ｉｔ　ｈａｓ　ＵＳＢ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒａｃｔ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｏｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ
Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌａｒ
ｏｕｔｅｒ
ｄｅｖｉｃｅｓ．　ｍｅｔｈｏｄ　Ｗａｓ
ａｄｏｐｔｅｄ，ｔｈｅ
ｍｏｄｕｌｅ　ｏｆ　Ａ／Ｄ
ａｓ
ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ
ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ，ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｓ　ｗｅｌｌ
ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　Ｉｔ　Ｗａｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ．
ａ
ｔｈａｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ－ｅｎｇｉｎｅｅｒ　ＰＤＡ　ｈａｓ
ｈｉ曲ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ
ｂｅ
ａ
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗｈａｔ＇Ｓ　ｍｏｒｅ，ｉｔ＇Ｓ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ
ｐｏｒｔａｂｌｅ
ａ
ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｏｐｅｒａｔｅ，ｔｈｕｓ，ｗｉｌｌ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ａｎｄ
ａ
９００ｄ　ｐａｒｔｎｅｒ
ａｎｄ　ｈａｖｅ
ｗｉｄｅ
ｈｕｇｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅ．
Ｆｉｇｕｒｅ　４９
ｔａｂｌｅ　４
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　５０
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＰＤＡ，￥３Ｃ２４　１　０，Ｌｉｎ嶙Ｗａｖｅ－ｄｉｓｐｌａｙ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃ・ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
．ＩＩ
Ｉ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及　取得的研究成果．据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，　论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得
塞徼堡王太堂
表示谢意．
或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料．与我一
同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并
学位论文作者签名：起鲞丝
日期：丑年ｊ月卫日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解塞徼堡王太堂有保留，使用学位论文
的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于　塞徼堡王太堂．学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的　复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅．本人授权　安徽理工大学
可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采　用影印，缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文．　论文在解密后适用本授权书）　（保密的学位 学位论文作者签名：雠桶
签字日期：硼年多月／０日
摊等多轷鳓舻游钿唧
第１章
绪
论
ｌ
ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ
Ｄｉｇｉｔａｌ
绪
论
Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）是一个具有通讯功能的移动手持设备，
一般分为通用ＰＤＡ和专业ＰＤＡ．通用ＰＤＡ是一个面向广大非专业用户的计算和通　信移动设备，主要包括辞典类产品，记事本类产品，掌上电脑及带有通讯功能的　便携式设备．它不仅可用来管理个人信息，如通讯录，记事和备忘，日程安排，　便笺，计算器，录音，辞典和游戏等功能；还可以上网浏览，收发Ｅｍａｉｌ，发传　真等．专业ＰＤＡ是面向部分人群的个人数字助理，功能比较专业Ⅲ．　电气工程师ＰＤＡ是一款专业ＰＤＡ，面向电气，控制，测量等行业技术人员，　应用嵌入式系统的软硬件设计技术和数据采集与处理技术，集现有的万用表，示　波器，电学公式计算和电工手册等功能于一体，达到减轻电气工程技术人员的劳　动强度，提高检测装置的自动化水平和精度的目的．
１．１
课题研究的背景及意义
在电子产品的开发和电子设备的维护中，电气技术人员都需要进行检测相关
电物理量参数以及显示电信号的波形图等，再对被测数据进行综合分析和判断．　而目前常用的测量仪器有万用表，示波器，频率计等，但是仅依靠其中的一个仪　器不能满足电气工程师的日常工作所需，主要原因有以下几点：　（１）仪器的功能单一，当需要检测电阻，电容，电感，电压，电流，频率，功　率等多种参量，又需要显示电信号的波形图，这时就需要携带电流表，电压表，　万用表，频率计和示波器等多个仪器，造成操作人员工作强度大；虽然国外有示　波表，但价格非常昂贵．　（２）仪器的体积大，笨重，不易携带，如模拟示波器由于使用ＣＲＴ显像管和运　用传统的扫描技术造成体积较大，产品笨重，而且需要交流供电，造成移动和使用　极其不方便；　（３）仪器的通信功能弱，不能通过网络实现信息交换；　（４）仪器的人机界面功能差，无法进行大量计算和资料查找．　为了使现场生产，维修，调试方便，研制一台多功能便携式的测量仪器十分
必要．
本课题针对电气技术人员的需求，研制一台基于ＡＲＭ核心和Ｌｉｎｕｘ操作系统　的集万用表，示波器，电学公式计算和电气参数资料手册等功能，以及在线查询　和下载于一体的具有界面美观，功能强大，扩展性好且价格适中的供电气工程技
安徽理工大学硕士学位论文
术人员使用的个人数字助理（ＰＤＡ）．　电气工程师ＰＤＡ采用新技术和新器件使得系统在技术指标和理念上与传统的　有较大不同，它的特色和新颖之处：（１）测量过程的软件控制；（２）测量数据的实　时处理；（３）仪器的多功能化；（４）仪器的智能化；（５）仪器具有网络通信功能；（６）　体积小，重量轻，易于携带操作．由此可见，本课题研究的电气工程师ＰＤＡ具有　技术密集，科技含量高，有着广阔的市场和发展前景．
１．２国内外研究水平及发展状况
专业ＰＤＡ是高新技术密集，快速发展中的行业．电气检测方面的仪器演化与　发展从总体上是沿着两条主线展开的：一从所采用的技术上看，经历了模拟仪器，　数字化仪器，智能仪器的发展过程；二从仪器结构（可扩展性）和实现形式上看，　经历了单台仪器，模块化仪器和虚拟仪器的发展过程．这两条主线的发展都是把　微电子技术，数字信号处理技术，计算机技术不断应用到电子测量技术与仪器中　的结果．电气检测方面的装置正在向集成化，数字化，自动化，智能化方向发展，　其性能在日益提高．　９０年代初期，ＰＤＡ仅提供简单的约会时程，名片登录等个人资料管理功能，　到了９３年苹果计算机所研发的Ｎｅｗｔｏｎ现身，则在手写识别及通讯功能上有所突　破，于９６年又增加网络链接功能，然而不久Ｎｅｗｔｏｎ受到苹果营运走下坡的影响　而停产，ＰａｌｍＰｉ　ｌｏｔ取而代之．随后微软，惠普，卡西欧，三星，宏暮，华硕，　联想等各大厂商进入ＰＤＡ研究领域，ＰＤＡ产品加入了更多的应用功
能．目前ＰＤＡ　发展以实用性为引导，具备简便的操作，小巧的外型和快捷的无线功能乜１．　电气检测方面的专业ＰＤＡ，目前尚未有人进行研究，市场上大多此类智能仪　器是通过８０５１单片机微处理器来采集信号并用数字形式显示来实现的，少数的采　用基于ＡＲＭ嵌入式微处理器实现的均为某一项功能的专用测量仪器，真正意义上　的专业ＰＤＡ尚无产品．鉴于技术保密和封锁，有关解决若干重点难题的关键技术，　基本上无处可寻．
１．３本课题研究内容
本课题研究的基于ＡＲＭ核微处理器及数据采集与处理和触摸屏／ＬＣＤ显示电路　为硬件，移植Ｌｉｎｕｘ操作系统并编制相应驱动程序和应用软件的电气工程师ＰＤＡ　是集万用表，示波器，常用电学公式计算，电气参数资料手册查询于一体的多功　能便携式电子测量仪器．它可以测量多种电参数，采用ＬＣＤ技术，同步的数字显
．２一
第１章
绪
论
示和波形显示，更加直观准确，并且具有计算，通信联网和在线查询以及自校正，　自诊断等功能，是电气工程师的好伴侣．　（１）常用电物理量的检测　可以测量电阻，电容，电感，电压，电流，频率等，还可用于在线进行交流　电压电流瞬时值，真有效值，有功功率等电参数的综合测量．　（２）电信号的波形显示　包括所有被测物理量的数字显示和电压，电流，功率等波形显示．　（３）常用电学资料查询和常用电学公式计算　（４）通信功能　支持网络通信，可以通过以太网浏览和下载资料；通过ＵＳＢ与Ｐｃ传送数据等．
１．４本文结构
第１章综述了专业ＰＤＡ和测量仪器的的研究背景及国内外发展状况，给出了　电气工程师ＰＤＡ这一课题的研究内容和意义．　第２章分析了电气工程师ＰＤＡ的数据采集与处理技术．该章为ＰＤＡ数据采集　的设计提供了理论基础，确定了在满足本ＰＤＡ设计的性能指标的前提下系统信号　处理电路允许的最大误差．　第３章详细阐述了电气工程师ＰＤＡ开发平台的构建，包括系统的选型，Ｂｏｏｔ　Ｌｏａｄｅｒ的设计以及Ｌｉｎｕｘ内核的移植．　第４章详细研究了电气工程师ＰＤＡ的硬件结构和实现形式，并对硬件各部分　信号处理性能进行了分析．该章设计了满足此ＰＤＡ性能指标要求的信号处理电路．　第５章详细阐述了电气工程师ＰＤＡ的软件方案的整体设计，给出了主要程序　流程图，并进行了具体的软件编程和调试工作．　第６章给出了电气工程师ＰＤＡ计数频率信号采集的具体实现．　第７章给出了电气工程师ＰＤＡ基本参数测量的实验结果并进行了误差分析．
．３．
安徽理工大学硕士学位论文
２
电气工程师ＰＤＡ数据采集与处理技术
本课题设计的电气工程师ＰＤＡ集现有的示波器，万用表，频率计等功能于一体，　下面将阐述数据处理原理，包括：采样原理，时基设置，波形插值处理，电物理　量参数测量，测频测周等，并给出了这些原理在本系统中的实际应用，实现测量　功能的详细方案． ２．１
波形数字化显示技术
波形数字化显示技术即首先对模拟信号进行高速采样，获得相应的数据并存
储，再用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获　得所需的各种信号参数，最后根据得到的信号参数绘制信号波形，并可对被测信　号进行实时的，瞬态的分析，以方便用户了解信号质量，快速准确地进行故障的
诊断．
测量开始时，操作者可通过中文界面选定测量类型（波形测量，元件测量），　测量参数（频率／周期，有效值，电阻阻值，二极管通断等）及测量范围（可选自动　设置，由仪器自动设置最佳范围）；微处理器自动将测量设置解释到采样电路，并　启动数据采集；采集完成后，由微处理器对采样数据按测量设置进行处理，提取　所需要的测量参数，并将结果送显示部件．　本节讨论的是如何从Ａ／Ｄ转换后获得的采样数据中恢复出波形显示所需要的　信息，即利用采样数据进行波形重建．　２．１．１波形采样原理　当信号进入系统以后，在信号送去显示之前，系统将按一定的时间间隔对信　号电压进行采样．然后用一个模数变
换器（ＡＤＣ）对这些瞬时值或采样值进行变换，　从而生成代表每一个采样电压的二进制字，这个过程称为数字化．获得的二进制　数值贮存在存储器中，在屏幕上看到的波形总是由所采集到的数据重建的波形，　而不是输入连接端上所加信号的立即的，连续的波形显示口儿４１．　对输入信号进行采样的速度称为采样速率．根据奈奎斯特采样定理：对于一　个频带限制在（０～＾）Ｈｚ内的时间连续信号．）｜ｃ【Ｄ进行采样，若采样频率Ｚ＜２Ａ，
序列￥Ｇｔ）｝就能够无失真地重建原始信锄．
则会产生混叠失真，即不能无失真地重建原信号；若采样频率正≥２＾，则由采样
波形采样方式有：实时采样和等效采样．相对而言，由于本课题对带宽的要
第２章
电气工程师ＰＤＡ数据采集与处理技术
求不是很高，而对于触发的种类要求较多，所以我们采用实时采样方式．　实时采样时，所有的采样点都是按照一个固定的次序来采集的．这个波形采　样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的．只要一个触发事件就可　以启动全部的采集动作．实时采样如图２一ｌ所示．采用实时采样的系统测量重复信　号和测量单次信号具有相同的带宽，也称实时带宽（Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ　ＢＷ）．为了提高信　号带宽，必须提高采样速率．
输入信号
采样时犁Ｕ　Ｕ　Ｕ　Ｕ　ｌ　Ｉ　Ｉ　ｌ　采样时犁［亡ｉＬｊｊ　ｊＩ　ｊ：亡￡ｅＩ工Ｉｌ　Ｕｌ　ＵＵＩ　Ｕｌ　ＵＵＬｊＩ　Ｕ　Ｕ　Ｕ
图２－１
Ｆｉ９２－１
实时采样
Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｓａｍｐｌｉｎｇ
根据香农定理，为了很好的恢复原来的信号，在进行信号数字化的时候就要　求采样时钟的频率至少应为信号本身所包含的最高频率的两倍．但是当满足了香　农定理，使用两倍于信号频率的采样时钟，信号频率也不一定就能正确恢复，还　与信号的采样点有关．
采样于输入　信号峰值处
重建的波形
采样于输入　信号的过零
重建的波形／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼，　图２．２
Ｆｉｇ　２－２
用两倍于信号频率的采样速率对正弦波进行采样
Ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｎｅ　ｗａｖｅ　ｗｉｔｈ　ｔｗｉｃｅ　ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
．５．
安徽理工大学硕十学位论文
从图２—２的上图中看出，使用恰当的波形重建装置确实可以得到和原始的波形　十分相象的波形，但是将采样点选在和原来略为不同的时刻，不选在信号的峰值　点（如图２－２的下图），可以看到信号的幅度信息就会严重失误，甚至可能完全丢失，　这里假设在进行波形的数字化时仍使用相同的采样时钟．事实上，由于所有的采　样点取到的采样值都不能反应原信号的真实幅值大小，现实中观测到的波形和真　实的信号波形是截然不同的晦，．　波形显示是用来研究信号的，为了很好地研究事件情况不仅要求正确的表示　信号频率并且还要求准确地表示信号波形的幅度．从图２—３可以看出，如果每个周　期用三个采样点对信号进行采样，则再现的波形也会发生很大的失真．
对输入信号采　样每周期约三　个样点
重建的波形
图２－３
Ｆｉｇ　２－３
以每周期约三个采样点进行采样的信号波形
Ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆｔｈｒｅｅ　ｐｏｉｎｔｓ　ｐｅｒ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｐｅｒｉｏｄ
根据经验，通常每周期最小要十个采样点才能给出足够的信号细节．这样对于　一个最大采样率为１００ＭＨｚ的系统来说，能够准确采集的最大信号频率即为１０ＭＨｚ．　但可以采用内插的方法改善至每周期只要采样４个样点就能很好地重建波形，这样　对一个最大
采样率为１００ＭＨｚ的系统而言，能准确采集到的最大信号频率便提高到　了２５删ｚ．　２．１．２时基设置　本ＰＤＡ液晶显示屏的波形显示区可分解为水平和垂直两个方向，其中水平方向　代表所显示波形的时间范围，而垂直方向表示波形的幅值范围．波形显示区水平　轴上每格所代表的时间长短即是指系统的扫描时基（ｓ／ｄｉｖ），它是波形显示区的时　间分度；而垂直方向上每格所代表的幅值大小则是指系统的扫描幅基（Ｖ／ｄｉｖ），它　是波形显示区的幅值分度陋１．　本ＰＤＡ液晶显示屏在水平（即时间）方向以２５６为满刻度，共分成１６格，每格１６
．６．
第２章
电气＇Ｔ程师ＰＤＡ数据采集与处理技术
个点距，可变数字时基按１，２，６分级变化；在垂直（即幅值）方向以１２８为满刻度，　共分成８格，每格也是１６点距，可变数字幅基同样也是按照１，２，６分级变化．本　节主要关注时基和水平分辨率以及采样速率之间的关系．　采样速率决定了存储波形的水平分辨率．系统在测量时刻的实时采样速率可　根据被测信号所设定的扫描时间（ｔ／ｄｉｖ）来推算，它们之间的关系可以表示为：
厂＝忐
即扫描一格所占用的时间．
（２－１）
式中：Ｎ＿每格使用的采样点数；ｆ－实时采样速率；ｔ／ｄｉｖ——扫描时间因数，
在电气工程师ＰＤＡ中，水平系统的作用是确保输入信号可以采集足够数量的采　样值，并且每个采样值取自正确的时刻，时基的设置决定了水平偏转的速度．　本系统的记录长度是４ｋ，但在标准时基设雹时，仅使用其中的５１２点来显示一　屏波形．若时基加快，则对波形进行插值处理，在一屏显示时间内插满５１２个点用　于隔点取一（即取出２５６点）来显示波形；若时基减慢，则相应减ｄ，Ａ／Ｄ采样速率和　ＦＩＦＯ取数频率，以使系统保持在ＬＣＤ一屏显示时间内采够５１２点来满足取其中显示
需要的２５６点．
在进行时基调节时要注意的地方是：波形的压缩和伸展必须以触发点为基准　位置，在波形压缩和伸展过程中，触发点的水平位置是不变的．因此，当系统在　采集和保持两种不同的模式下工作时进行时基增大的调节，会有不同的处理方法．　采用ＬＣＤ显示波形，在测量时刻的信号实时采样速率可根据设定的水平扫描时　基来推算．由式（２－１），由于～屏和每格可以显示的采样点数是固定的，所以时基　设置的改变是通过改变采样速率来实现的，一台特定的仪器所给出的采样速率只　有在某一特定的时基设置之下才是有效的．在较低的时基设置之下，仪器使用的　采样速率也比较低．　在本ＰＤＡ液晶显示屏中显示的波形为实际波形的一个片段，而此片段的开始及　结束处需要由某些特定的事件指示，在本系统中，这个特定事件就是指触发的到　来．　如图２－４所示，在不需要插值处理时，使用４ｋ记录中触发点附近的５１２个点隔　一点取一点来显示一屏波形，一屏波形分为１６格，每格对应记录中的３２点，即一　格对应的采样点数Ｎ是３２．　假设系统的最高采样速率是１０Ｍｌｔｚ，那么由式（２－１）可以计算出使用这一采样　速率的时基设置值：ｔ／ｄｉｖ＝３２样点／采样速率＝３２／（１０．１０６）＝３２ｎｓ／ｄｉｖ
．７．
安徽理一ｆ＝人学硕十学位论文
触发信号
图２．４最大单次扫描时基设置时ＦＩＦＯ中记录数据的选取
Ｆｉｇ　２－４　Ｄａｔａ　ｉｎ　ＦＩＦＯ　ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｂａｓｅ　ｓｅｔｔｉｎｇｓ
如果进一步加快时基设置，那么采集的数据不足以显示信号波形，此时需要　对数据进行插值处理；而要减慢时基设置的话，正如前面所说过的那样，由于波　形显示是实际信号波形的片段，而触发点在ＬＣＤ上显示的水平位置不变，对波形的　压缩和伸展都是在触发点两边进行的，因此当示波表在采集和保持两种不同的模　式下工作时会有不同的处理方法．　当系统工作在采集模式时，调整时基设置，系统会自动进行Ａ／Ｄ采样频率和　ＦＩＦＯ取数频率的调节，使ＦＩＦＯ保证在ＬＣＤ一屏显示时间内采５１２点以供取出２５６点作
显示用．
当系统工作在保持模式时，Ａ／Ｄ不会进行新的采样，ＦＩＦＯ也不会重新取数，此　时的波形数据将维持保持操作之后那一时刻的数据不变，那么，增大时基设置实　际上使得可显示波形的时间范围增大，那么将需要大于５１２样点的数据作显示用．　假设系统ＦＩＦＯ的存储深度为４ｋ，那么最大可扩展显示用的点范围就由这４ｋ点来限　制，当时基增大使得完全显示一屏波形（２５６个点）所需要的数据超过４ｋ时，超出部　分将不予显示．　２．１．３波形插值　对于低频段输入信号，电气工程师ＰＤＡ可以通过直接调整采样频率实现信号的　采样及显示，而对于高频段的信号，由于每个周期内所采到的样点数有限，要想　完整地显示一个周期的波形，就必须通过有效内插滤波进行插值处理．插值法是　函数逼近的一种重要方法，插值是确定某个函数在两个采样值之间的数值时采用　的运算过程口ｊ．内插滤波可以看作是采样的逆过程．　如今有很多已经成熟的内插算法，比如线性插值，取样函数内插，拉格朗日
－８．
第２章
电气－Ｔ程师ＰＤＡ数据采集与处理技术
插值，有理插值，牛顿插值，埃尔米特插值等，本课题采用了拉格朗日多项式插　值和取样函数算法．　（１）拉格朗日多项式插值　令１１次拉格朗日多项式为：
捌　生忙
注意：
堕铂
黜生如
¨二矿　．兀甓
１叶
（２－２）
则ｎ次拉格朗日插值多项式为：
只Ｇ）＝厶Ｇ涉．＋＇Ｇ涉．＋…＋ＬＧ涉．＝∑，．Ｇ）魄
ｋ＝Ｏ
（２—３）
当ｎ＝ｌ时，其称为拉格朗日线性插值；当ｎ＝３时，其称为拉格朗同立方插值．
①利用拉格朗日多项式插值，多项式的次数越高，插值精度并不越好，如著　名的龙格Ｒｕｎｇｅ现象；　②利用一阶拉格朗日函数进行插值方法简单，内插速度快，但在采样信号点　数少时，重建信号差．但是，当取样点增加时，所出现的正弦波波形，只需每周　期约１０次取样就能使波形清晰．对正弦波来说，点显示要给出精确的信号重现，　需要大约每周期２５次取样，这就是说，线性插值可使直接点显示的取样点数从　２５点减少到１０点，相当于将系统的有效带宽提高了２．５倍：　③利用三阶拉格朗同函数进行插值．该插值方法比较简单，但在信号采样点　数少时，重建信号差．　④为了解决龙格Ｒｕｎｇｅ现象，可以采用分段低次插值，即将整个插值区间分　成小区间，然后在每个小区间尚利用低次多项式进行插值，当插值节点逐渐加密　时，重建信号明显改善．因为本系统采用等间隔采样，数据非常易于划分小区间，　而且插值后依然需要获得等间隔的数据，所以这种插值方式特别适合于本系统．　（２）取样函数（即ｓｉｎｅ函数）插值　基于采样定理，通过时域卷积而推出的取样函数，函数插值公式：
其中：吃（ｆ一刀丁）＝些措为ｓｉｎｃ内插函数，从频域来看，起着低
通滤波的作用；Ｘａ（ｆ）是连续时间函数，吒Ｇｒ）为ｘ．Ｏ）的取样值．
．９．
ｙ（，）Ｘａ（Ｏ＝∑Ｘａ（ｎｒ）ｈａ（，一刀丁）
（２—４）
安徽理ｒＴ大学硕士学位论文
在实际应用中，由于存在有限项的近视问题，即内插函数吃Ｏ）被截短了．从
频域来看，就是原来的理想低通滤波器在截止频率附近产生了过渡带，从而导致　当采样频率接近２厶时，信号的频谱在过渡带产生较大的过度误差．为了使信号　的主瓣落在滤波器的通带内，一方面要适当增加采样频率，另一方面通过选择合　适的窗函数对信号进行加权．加权的取样函数插值算法公式如下：
ｙ（ｔ）－－∑屯Ｇ丁弘．（ｆ一刀ｒＭ）
其中ｗ（ｎ）　（ｎ—Ｎ，－Ｎ－１，…，Ｎ－１，Ｎ）为长２Ｎ＋Ｉ的窗函数．
（２—５）
对非均匀取样（对于Ｍ个Ａ／Ｄ采样器是非均匀的，而对每个Ａ／Ｄ采样器则是　均匀的）的插值公式为：
ｙＯ）＝—专∑∑毛Ｇ胛＋肌ｒ一％丁溉（ｆ一以胛＋朋丁一厂埘丁妨佃＋肌ｒ）
舯ｈａ（ｔ一岫＋ｍＴ－ｒ＝Ｔ）　＝絮箸｜ｎＭｌ篙ｍｌ紫ｒ．１
万Ｉ，一
＋　一
』＂＾＝一Ⅳｍ＝Ｏ
（２－６）
ＪＪ，
Ｍ；　』
＂以仃＋聊丁）
（ｎ＝－Ｎ，一Ｎ－Ｉ，…，Ｎ－Ｉ，Ｎ；ｍ：Ｏ，１，…，Ｍ＿１）为长（２Ｎ＋１）的窗函数；
Ｍ为对应的Ａ／Ｄ采样器的个数；
，柳
（ｏ＝Ａ席／Ｔ）为非均匀度；Ａ，为ｆ．时刻的采样时间偏差．
该方法重建信号适应性好，但插值方法复杂，内插速度慢．
２．２信号的有效值检测
２．２．１
交流电压，电流的有效值检测　直流信号因为不变化，信号测量比较简单，下面主要讨论交流信号有效值的
测量．目前常用的交流电采样方法如下：
ｆ直流采样法
群博羽幢施洚采样法盔巢…－＞粕躲样
本系统采样准同步采样法，这种方法在同步采样基础上提出，即在非同步度　不太大的情况下，通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度的　方法，它较好地解决了同步误差对测量准确度的影响阳删．该方法最显著的特点是　不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同步环节，并且对第一次采样的起
．１０．
第２章
电气工程师ＰＤＡ数据采集与处理技术
点无任何要求，准同步采样不仅降低了对信号频率的要求，而且也降低了对采样　时间间隔的要求．不足之处在于：它需要通过增加采样周期并采用迭代运算的方　法来消除非同步误差，其所需数据较多，计算量远大于同步采样，运算时问较长，　是一种比同步采样法更灵活，更准确的采样测量方法．　在非正弦波情况下，电流，电压包含各次谐波，产生畸变时，相电压有效值　计算公式为：
ｕ＝据ｒ砌
公式：
（２＿７）
将连续时间信号＂（ｆ）离散化，在每个周期内采样Ｎ点，可得有效值离散计算
ｕ＝靡ｍ＝Ｏ露ａ．＝辱
（２－８）
同理，可得电流有效值公式：
Ｉ＝蕊Ａ，－］Ｔ＝晤
（２－９）
式（２－８），（２－９）中Ｎ为一周期采样点数，　甜肘，＇为一周波内第ｍ次的采样值．　２．２．２功率及功率因数
理想正弦波条件下，有功功率为Ｐ＝明Ｃｏｓ◇），但是在电压，电流畸变时，
非理想状态下，则有功功率需按其定义式：
尸：当ｆ甜／ｄｒ　下由
和电流，则单相有功功率为：。