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個現場交流信號引入到同一個設備，即測量過程是分別在各個信號的回路獨立進行的。這種間接的測量方法的條件是必須有一個同步信號作為測量基準，這樣才能在各個獨立回路的測量回路之間建立起關聯，以便最后測量出Δtx和T0。在這里采用的是紅外光信號進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系就可以進行同步，同時還可以利用它作為數據通信的載體。

　　本系統包含一個主機和幾個測量部件。主機是系統的核心部分，而測量部件的數量取決于實際測量的需要(例如在測量六角圖時，就應該是6個測量部件)，主機是由MCS-51系列的AT89C51單片機為主體的部分，外圍電路比較簡單。它主要依靠一個光發射器和一個光接收器構成通信接口，單片機的輸出端經過反相器驅動以后控制光發射器向測量部件發出調制光信號。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來的調制光信號進行解調，單片機則可以通過程序識別編碼信號。光發射器主要用來啟動測量過程，而光接收器則實現主機與測量部件之間的數據通信。

　　每個測量部件也是一個由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線相連接，利用單片機內部的定時/計數器，可以測量到相關的時間值，進而計算出相位角。光發射器和光接收器的作用主要是實現測量,同時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程，向各個測量部件發出紅外光同步信號啟動測量，另一方面各個部件完成測量以后，通過紅外光通信將各個部件的測量數據匯總到主機，然后進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差，只需建立每個參數和光同步信號之間的時間關系，再通過計算求出時差。回路不再需要在電路上的連接，僅僅依靠一個光同步信號就能夠間接地測量到多個測量回路參數之間的相位關系。

　　這種方式的優點在于：各個測量回路不再需要參考點的連接，回路相對獨立，分別測量各自的交流信號過零時刻與光同步信號之間的時間差，以作為相位測量的基本參數。它們之間的關聯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生，另外，還可以減少儀器的連線。光信號除了作為同步信號外，還作為數據傳輸通道，各個測量回路將測量數據通過光的傳輸，集中在主機部分最終完成參數的數值顯示。

　　工作過程

　　在一個測量周期開始，由主機控制光發射器發出一個同步紅外光信號，測量部件的光接收器都能在同一時刻接收到這一信號，各個測量部件的單片機會同時啟動進行各自的測量過程，完成測量過程后，再由各個部件的單片機依次將測量數據傳送回主機，主機單片機通過光接收頭，依次接收到各個測量部件的數據并匯總這些基本數據，最后通過計算后主機就顯示相應的數字值，至此完成一個測量周期。

　　主機部分

　　第一階段，主機光發射器發出同步光信號，啟動各個測量部件同時進入測量狀態，此時，單片機的P3.4/T0引腳設置為輸出狀態，當工作時會產生調制信號，經過反相器74LS04驅動光電發送器，按照程序的約定這個信號是表示“啟動”的光信號，即通過該光信號向每個測量部件傳送開始測量的同步信號。

　　第二階段，每個測量部件同時進入測量，測量完成后再由各個部件依次將測量數據傳送回主機。主機對P3.3/INT1引腳的脈沖進行測量和程序識別，經過解碼確定測量部件所發出的信號，完成“取回數據”的工作。

　　測量部分

　　每個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，輸入的電信號一般比較小，必須經過放大處理。而以UA2(LM331)為主的部分則是過零比較電路，主要用于將信號轉換為過零變化的方波，這個方波的上升沿表示交流信號的過零點。在圖1中還包含光電耦合器SA1(TIL117)，它一方面進行電路隔離，同時還將方波信號轉換為TTL電平以便在單片機的P3.2(INT0)上進行測量，這個引腳設置為輸入狀態，利用軟件很容易對方波信號的上升(或下降)沿進行測量。與現有電路比較，其測量部分簡化了很多，傳統電路是對兩個回路的交流信號進行處理—即將兩個信號的過零點在一個設備中進行直接比較以確定出相位差(Δtx)。而該電路不再基于對兩個信號之間直接進行比較，且測量方法也發生了很大的改變，它是采用一個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引腳輸出開關量信號，經過反相器74LS04驅動光電發送器，然后通過光信號向主機傳送每個測量部件的測量數據。由于對每個測量部件都進行了編號，各個測量部件的工作程序會依據本身序號依次向主機發送數據。

　　工作時序

　　圖2描述了進行數據通信的時序關系，當光接收器輸出信號出現下降沿(即Ps=0)時，表示接收到主機的信號，上升沿到來時開始計時，而且以后的數據傳送也是以這個上升沿為參照標準。測量時間Txi +T0i 和Txj+T0j不大于40ms。對于第一個測量部件在同步信號啟動測量以后再延時TM1≥Txi +T0i就可以傳送數據了。為了可靠，本設計取TM1=50ms作為測量過程的延遲時間。設每次傳送數據的時間為TN，那么第二個測量部件傳送數據的延時就是第一個延遲時間加上TN，即：TM2= TM1+TN，后面的延時TM的計算依次類推。

　　主機會根據這個過程在其內部存儲區依次保存各個部分的測量數據，以便后來的計算和顯示。

　　圖2 數據通信的時序關系

　　結語

　　這種間接測量的方法是在傳統的測量方法基礎上的一種改進，光信號作為一個參照量被引入到測量過程，依靠計算機的控制、存儲、運算和處理等功能，得到最終的參數數據。由于這種方法依靠光信號作為同步和數據傳輸，多個測量回路不再需要在電路上的直接連接，而是獨立進行，這對于解決實際問題來說非常有用。