一种基于柴油发电机组控制器的在线数字示波器装置

摘要

本发明提供了一种基于柴油发电机组控制器的在线数字示波器装置，该装置包括信号输入单元、信号调理电路、A/D转换单元、数据处理单元及波形显示单元。信号输入单元将来自控制器的交流电压信号和交流电流信号输入信号调理电路进行处理，得到的交流电压调理后的信号和交流电流调理后的信号输入A/D转换单元进行A/D转换，得到电压采样信号和电流采样信号并输入数据处理单元进行转换处理得到电压值和电流值，波形显示单元对电压值和电流值进行波形显示。该装置实现了将数字示波器功能集成于柴油发电机组控制器上，可实时在线检测交流电压和电流的波形，为评价电源的品质提依据。该装置安全、可靠、成本较低、易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及柴油发电机组控制器的波形显示装置，特别涉及一种基于柴 油发电机组控制器的在线数字示波器装置。

背景技术

柴油发电机组，是一种小型的发电设备，系指以柴油为燃料，以柴油机 为原动机带动发电机发电的动力机械装置。柴油发电机组由于其轻便灵活、 集成度高、操作简单，便于维护等特点，广泛应用于船舶、铁路、矿山、军 事、通讯、野外施工、以及企事业单位、行政机关等重要场所，作为常用、 备用或应急电源使用。

柴油发电机组控制器，能够为发电机组提供智能化控制和安全保护，可 检测和显示各项运行参数，具有起机和停机等控制功能，并且在发生故障时 自动处置，及时保护设备和人员的安全。

目前市场上存在的柴油发电机组控制器，无论是国外品牌，还是国内品 牌，虽然都能够对三相电压和电流进行测量、显示，但这些参数都是由原始 的交流信号经过真均方根运算得到的结果，这些参数的原始波形是不提供的。 对于关注电源品质的用户，通常需要使用电力分析仪器来查看实际的波形， 然而电力分析仪器价格昂贵，接线复杂，且接入的是交流高压，既不方便， 也不安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柴油发电机组控制器的在线数字示波器 装置以解决现有的柴油发电机组控制器无法直接显示波形的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于柴油发电机组控制器的在线数 字示波器装置，包括：

信号输入单元、信号调理电路、A/D转换单元、数据处理单元及波形显 示单元；

所述信号输入单元与柴油发电机组的控制器的接线端子相连，并接收来 自所述控制器的交流电压信号和交流电流信号；所述交流电压信号和交流电 流信号输入所述信号调理电路进行信号处理，得到交流电压调理后的信号和 交流电流调理后的信号；所述交流电压调理后的信号和交流电流调理后的信 号输入所述A/D转换单元进行A/D转换，得到电压采样信号和电流采样信号； 所述电压采样信号和电流采样信号输入所述数据处理单元，进行转换处理得 到电压值和电流值；所述电压值和电流值输入所述波形显示单元进行波形显 示。

较佳地，所述控制器与柴油发电机相连，柴油发电机的三相交流电压输 出线、三相交流电流输出线、电流公共端及电压N相端分别与控制器的8个 接线端子连接，以将柴油发电机的3路交流电压信号及3路交流电流信号输 入所述控制器。

较佳地，所述信号调理电路包括电压信号调理电路及电流信号调理电路， 所述电压信号调理电路包括运算放大器A1，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电 阻R4、电容C1，所述电阻R3、电容C1并联，并联的电阻R3、电容C1的 一端与所述运算放大器A1的反向输入端相连，另一端与所述运算放大器A1 的输出端相连，所述电阻R2的一端与所述运算放大器A1的反向输入端相连， 另一端与电阻R1相连，所述交流电压信号从电阻R1、电阻R2的公共端输入， 经所述运算放大器A1缩小后经所述电阻R4输出所述交流电压调理后的信号；

所述电流信号调理电路包括运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大 器A4、运算放大器A5，所述运算放大器A2、运算放大器A3同向输入端经 一依次串联的电感L1、电阻R5、电感L2相连，所述运算放大器A2、运算放 大器A3的反向输入端分别经过一组并联的电感及电容与输出端连接，所述运 算放大器A2、运算放大器A3的输出端分别经过一电阻与运算放大器A4反 向输入端及同向输入端连接，所述运算放大器A5的输出端经并联的电感及电 阻与运算放大器A4的同向输入端连接，交流电流信号经电感L1、电阻R5的 公共端输入，电流公共端输出的信号经过电阻R5、电感L2的公共端输入， 所述交流电流信号由所述电阻R5采样，转换为交流电压信号，再经运算放大 器A2、运算放大器A3、运算放大器A4放大后由所述运算放大器A4的输出 端输出所述交流电流调理后的信号；

所述交流电压调理后的信号及交流电流调理后的信号输入所述A/D转换 单元进行A/D转换，得到电压的数字信号和电流的数字信号。

较佳地，所述A/D转换单元为一单片机，所述单片机以DMA的方式对 输入的模拟形式的交流电压调理后的信号和交流电流调理后的信号进行扫描 转换以分别得到所述电流采样信号及电流采样信号，

较佳地，所述单片机内具有定时器，所述定时器用于控制DMA扫描转换 时的采样周期。

较佳地，所述采样周期为5kHz～8kHz。

较佳地，所述A/D转换单元内设有第一数据缓冲区及第二数据缓冲区， 所述第一数据缓冲区及第二数据缓冲区用于依次轮流写入数据并在其中一个 缓冲区写满后进行数据处理。

其中一个数据缓冲区写满后继续在另一个数据缓冲区内写入数据，在另 一个数据缓冲区内写入数据的同时处理写满的数据缓冲区内所写入的数据。

较佳地，所述数据处理单元包括一信号数字滤波模块及信号还原模块， 所述信号数字滤波模块用于将所述电压采样信号和电流采样信号按中值滤波 算法进行数字滤波处理，得到数字滤波的电压数据及电流数据，所述信号还 原模块用于根据已经标定的数据、所述信号输入单元及信号调理电路的衰减 倍数将数字滤波的电压数据及电流数据进行计算得到所述电压值和电流值。

较佳地，所述波形显示单元为LCD显示器，所述电压值和电流值输入所 述LCD显示器进行波形显示，其中，所述电压值和电流值以移动刷新的方式 从左至右移动更新以在所述LCD显示器上显示电压或电流的实际波形。

较佳地，所述LCD显示器的分辨率为320*240以上，所述LCD显示器 横向移动刷新的间隔为10ms以下。

本发明提供的基于柴油发电机组控制器的在线数字示波器装置通过设置 信号调理电路、A/D转换单元、数据处理单元及波形显示单元，实现了将数 字示波器功能集成于柴油发电机组控制器上，且该装置针对柴油发电机组的 特性，采用单片机即可完成数据处理并通过LCD显示。

通过该装置显示发电机波形，无需外接其它电力示波器设备，即可实时 在线检测交流电压和电流的波形，为评价电源的品质提依据。本发明的装置 安全、可靠、成本较低、易于实现，可为柴油发电机组控制器增加附加值。

附图说明

图1为本发明提供的基于柴油发电机组控制器的在线数字示波器装置结 构示意图；

图2为本发明优选实施例的柴油发电机控制器与发电机连接示意图；

图3为本发明优选实施例的电压信号调理电路组成图；

图4为本发明优选实施例的电流信号调理电路组成图；

图5为本发明优选实施例的局部数据显示效果图。

具体实施方式

为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细 说明，具体如下：

如图1所示，本发明提供了一种基于柴油发电机组控制器的在线数字示 波器装置，该装置包括：信号输入单元10、信号调理电路20、A/D转换单元 30、数据处理单元40及波形显示单元50。

信号输入单元10与柴油发电机组的控制器的接线端子相连，并接收来自 控制器的交流电压信号和交流电流信号；交流电压信号和交流电流信号输入 信号调理电路20进行采样处理，得到交流电压调理后的信号和交流电流调理 后的信号；交流电压调理后的信号和交流电流调理后的信号输入A/D转换单 元30进行A/D转换，得到电压采样信号和电流采样信号；电压采样信号和电 流采样信号输入数据处理单元40，进行转换处理得到电压值和电流值；电压 值和电流值输入波形显示单元50进行波形显示。

如图2所示，本实施例中的控制器为UGC300型控制器，该控制器与柴 油发电机相连，本实施例中的信号输入单元10包括3个互感器、3个保险丝 管(一般安装在控制柜内，可根据功率匹配)及其附属导线组成。该柴油发 电机的三相交流电压输出线L1、L2、L3及电压N相通过开关GB与负载连 接，以为负载供电。在进行电压、电流的数字显示时，本发明中，柴油发电 机的三相交流电压输出线L1、L2、L3分别输出L1相电流、L2相电流、L3 相电流，具体地通过L1相电流通过一互感器与控制器的54脚相连，L2相电 流通过一互感器与控制器的55脚相连，L3相电流通过一互感器与控制器的 56脚相连，使得互感器输出三相交流电流；该柴油发电机的三相交流电压输 出线分别通过3个保险丝管输出3个交流电压信号，具体地，该3个交流电 压信号分别通过三相交流电压输出线L1、L2、L3与控制器的46脚、47脚及 48脚相连；电流公共端与控制器的58脚相连；电压N相端与控制器49脚连 接，以将柴油发电机的3路交流电压信号及3路交流电流信号输入UGC300 型控制器。

信号输入单元10与柴油发电机组的控制器的接线端子相连，并接收来自 控制器的交流电压信号和交流电流信号并将其输入信号调理电路20。其中， 信号调理电路20包括电压信号调理电路及电流信号调理电路。

如图3所示，电压信号调理电路包括运算放大器U55B，两个串联的150 Ω电阻R282、R283可视为300Ω的电阻R1，四个串联的1MΩ电阻R286、 R287、R288、R289可视为4MΩ的电阻R2，电阻R290与电容C201C并联， 并联的电阻R290与电容C201C的一端与所述运算放大器U55B的反向输入端 6相连，另一端与运算放大器U55B的输出端7相连，电阻R2的一端与述运 算放大器U55B的反向输入端6相连，另一端与电阻R1相连；运算放大器 U55B的输出端7与电阻R291相连，电阻R291通过电容C200A接地；交流 电压信号从电阻R1、电阻R2的公共端输入，经运算放大器U55B缩小后经 电阻R291与电容C200A的公共端输出交流电压调理后的信号。本实施例中， 运算放大器U55B将输入的一路交流电压信号的电压缩小400倍后通过电阻 R291偏置到基准电压的一半(1.65V)后输出为交流电压调理后的信号，以供 后续采样。

如图4所示，电流信号调理电路包括4个运算放大器分别为运算放大器 U47D、U47C、U49C、U49D，运算放大器U47D、运算放大器U47C的同向 输入端经依次串联的电感RP18B、电阻R257、电感RP18C相连；运算放大 器U47D的反向输入端13分别经过一组并联的电感RP18A及电容C159A与 输出端14连接；运算放大器U47C的反向输入端9分别经过一组并联的电感 RP18D及电容C159B与输出端8连接；运算放大器U47D的输出端14经过 一电阻R251与运算放大器U49D的反向输入端13连接，运算放大器U47C 的输出端8经过一电阻R262与运算放大器U49D同向输入端12连接；运算 放大器U49C的输出端8经并联的电感C158B及电阻R261与运算放大器 U49D的同向输入端12连接。该电路中，一路交流电流信号经电感RP18B、 电阻R257的公共端输入，而电流公共端输出的信号经过电阻R257、电感 RP18C的公共端输入，电阻R257的阻值为20mΩ，交流电流信号由该20m Ω的电阻采样，将0～5A的交流电流转换为0～0.1V的交流电压信号，再经运 算放大器U47D、运算放大器U47C、运算放大器U49D放大后将0～0.1V的交 流电压放大约50倍，再缩小3倍。并由运算放大器U49D的输出端输出，其 中，本实施例中，运算放大器U49D通过电阻R253将交流电压偏置到1.65V 后作为交流电流调理后的信号，以供后续进行采样。

上述电压信号调理电路仅处理3路电压信号中的一路交流电压信号，同 理，上述的电流信号调理电路仅处理3路电流信号中的一路交流电流信号。 本领域技术人员应当理解，为实现本发明对3路交流电压信号信号以及对3 路交流电流信号的处理，本发明提供的信号调理电路20包括3个相同的如图 3所示的电压信号调理电路以及3个相同的如图4所示的电流信号调理电路。

本实施例中的A/D转换单元30为一单片机，单片机优选为NXP公司的 LPC1788芯片，该芯片是基于ARMCortex-M3的微控制器，其最高频率为 120MHz，用于处理要求高集成度和低功耗的嵌入式应用。该芯片具有SDRAM 接口和LCD接口，并具有一个8通道的12位ADC，允许以400kHz的速 率采样。本发明中，LPC1788芯片以DMA的方式对输入的模拟形式的交流 电压调理后的信号和交流电流调理后的信号进行扫描转换以分别得到电流采 样信号及电流采样信号，具体地，LPC1788芯片以DMA的方式对6个AD通 道进行扫描转换，上述的电压调理后的信号和交流电流调理后的信号通过该6 个AD通道输入该单片机。此外，该单片机内具有若干个定时器，本实施例 中采用其中一个定时器来控制DMA扫描转换时的采样周期。本实施例中的采 样周期为5kHz，即每200us对6个通道采集一次。

在其他优选实施例中，采样周期可以为5kHz～8kHz，均可以得到失真度 较小的电压信号及电流信号。

此外，为了避免采样数据的读写冲突，LPC1788芯片内设有第一数据缓 冲区及第二数据缓冲区，第一数据缓冲区及第二数据缓冲区用于依次轮流写 入数据并在其中一个缓冲区写满后进行数据处理(读取)。

具体地，当其中一个数据缓冲区写满后继续在另一个数据缓冲区内写入 数据，在另一个数据缓冲区内写入数据的同时进行处理已写满的数据缓冲区 内所写入的数据，依次轮流进行循环的数据写入及处理。

数据处理单元40包括一信号数字滤波模块及信号还原模块，信号数字滤 波模块用于将电压采样信号和电流采样信号按中值滤波算法进行数字滤波处 理，得到数字滤波的电压数据及电流数据；信号还原模块用于根据已经标定 的数据(标定数据，是在本发明装置测量前(出厂检验前)，通过标准信号发 生器具实测计算获得的线性修正数据，用来补偿信号调理电路的差异，以达 到消除系统误差的目的)、本装置的信号输入单元及信号调理电路的衰减倍数 将数字滤波的电压数据及电流数据进行计算得到电压值和电流值。本实施例 中，对于12位的AD，采样的数据范围为0-0xFFF，因此每个采样值需要2 个字节来表示。采集的数据在显示之前需要进行电压和电流的转换，由信号 数字滤波模块及信号还原模块将原始码值转换为实际的电压值和电流值。

本实施例中的波形显示单元为LCD显示器，电压值和电流值输入LCD 显示器进行波形显示，其中，电压值和电流值以移动刷新的方式从左至右移 动更新以在LCD显示器上显示电压或电流的实际波形。

本实施例中LCD显示器的分辨率为320*240以上，LCD显示器横向移 动刷新的间隔为10ms以下。数据总是从左至右进行移动更新，整屏数据的显 示范围可调，如下表一所示：

表一：不同情况下LCD显示器的整屏显示时间范围

时间/格 整屏显示的时间范围 20ms/div 0.16秒 50ms/div 0.4秒 100ms/div 0.8秒 200ms/div 1.6秒 500ms/div 4秒 1000ms/div 8秒

最终的局部显示效果如图5所示，该图所示的示例中，LCD显示器的分 辨率为800*480，波形的显示区域在横向使用800像素，共分为8格，每格 100个像素，移动刷新的间隔为0.1s。采样的数据经过显示处理，就能够通过 控制器上设置的本发明装置直接查看电源的实际波形了。通过波形数据，还 可以进一步对瞬态过压、电压浪涌、电压下陷、电压暂停、电压谐波等进行 计算分析。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限 于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的 变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围 应以所述的权利要求的保护范围为准。