CN106199169A - 一种智能化高精度电压数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能化高精度电压数据采集系统及方法，涉及数据处理领域，其特征在于，所述系统包括：电压采集单元、预处理单元、档位变换单元、AC/DC转换单元、模数转换单元、处理器和显示单元；所述电压采集单元信号连接于预处理单元；所述预处理单元分别信号连接于档位变换单元和处理器；所述档位变换单元分别信号连接于AC/DC转换单元和模数转换单元；所述AC/DC转换单元信号连接于模数转换单元；所述A/D转换单元信号连接于处理器；所述处理器信号连接于显示单元。本发明具有体积小、精度高、结构简单、使用与读数方便、性价比高和适应范围宽等优点。

Description

一种智能化高精度电压数据采集系统及方法

技术领域

本发明涉及数据处理领域，特别涉及一种智能化高精度电压数据采集系统及方法。

背景技术

电压是电子与电力系统中最基本的测量元素之一，快速准确地获取电压值一直是数据采集与电子测量仪器研究的重要内容之一。传统的指针式电压表具有精度低、可视距离近、功能单一等缺陷，已不适应高速信息化的发展需要。

目前市场上广泛使用的数字电压表智能化程度低，测量电压时需手动切换量程，当量程选择不当时会出现测量精度下降、乃至烧坏电压表的极端情况；而高精度的全量程无档数字电压表一般都采用了DSP、FPGA或CPLD等复杂电路系统，硬件和软件实现成本较高。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种智能化高精度电压数据采集系统及方法，本发明具有体积小、精度高、结构简单、使用与读数方便、性价比高和适应范围宽等优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种智能化高精度电压数据采集系统，其特征在于，所述系统包括：电压采集单元、预处理单元、档位变换单元、AC/DC转换单元、模数转换单元、处理器和显示单元；所述电压采集单元信号连接于预处理单元，用于采集原始电压数据，将采集到的原始电压数据发送至预处理单元；所述预处理单元分别信号连接于档位变换单元和处理器，用于根据处理器发送过来的控制命令对采对接收到的原始电压数据进行衰减处理、量程转换处理和放大处理；所述档位变换单元分别信号连接于AC/DC转换单元和模数转换单元，用于根据采集的电压是直流电压还是交流电压改变电压传输的路线；所述AC/DC转换单元信号连接于模数转换单元，用于将交流电转换为直流电；所述A/D转换单元信号连接于处理器，用于将接收到的模拟的原始电压数据信息转换为数字信号；所述处理器信号连接于显示单元，用于对接收到的数字信号进行采样、滤波和误差矫正，将处理的结果发送至显示单元进行显示。

所述预处理单元包括：衰减器、量程转换模块和放大模块；所述衰减器信号连接于量程转换模块，用于将电压值过高的电压衰减至设定的范围值；所述量程转换模块，用于根据处理器发送过来的控制命令控制继电器对衰减器或放大模块进行相对应的调整，选择出最佳的量程；所述放大模块，用于对电压值过低的电压放大至设定的范围值。

所述处理器包括：采样模块、滤波模块和误差矫正模块；所述采样模块信号连接于滤波模块，用于对接收到的电压信号进行采样；所述滤波模块信号连接于误差矫正模块，用于对接收到的电压信号进行采样；所述误差矫正模块信号连接于显示单元，用于对接收到的电压信号进行误差矫正，将校正后的结果发送至显示单元进行显示。

所述档位变换单元包括：识别模块和开关模块；所述识别模块信号连接于开关模块，用于对接收到的电压数据进行识别，判断其是直流电电压还是交流电电压；所述开关模块分别信号连接于AC/DC转换单元和模数转换单元，用于格局是被模块的识别结果，判断应该连通哪一条线路。

一种智能化高精度电压数据采集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化，处理器设定最高量程，电压采集单元开始采集原始电压数据；

步骤2：预处理单元对采集到的原始电压数据进行衰减和放大处理，将处理后的电压数据发送至的档位转换单元；

步骤3：档位转换单元判断接收到的电压数据是直流电电压还是交流电电压，若是直流电电压则执行步骤5；若是交流电电压，则执行步骤4；

步骤4：AC/DC转换单元将交流电转换为直流电，将转后的电压数据发送至A/D转换单元；

步骤5：A/D转换单元将接收到的模拟电压数据转换为数字电压数据，将转换后的电压数据发送至处理器；

步骤6：处理器判断接收到的电压数据的量程是否超过设定的阈值A；若没超过则执行步骤7；若超过，则判断是否为最高量程，如果为最高量程，则进行过载处理；如果不是最高量程，则切换到最高量程，重新执行步骤5；

步骤7：处理器判断接收到的电压数据的量程是否超过设定的阈值B；若超过则进行标度转换，执行步骤8；若没有超过，则判断是否为最低梁大成，如果为最低量程，则进行标度转换执行步骤8；如果不是最低量程，则降一档量程，重新执行步骤5；

步骤8：处理器对接收到的电压数据进行采样、滤波和误差矫正处理，将处理后的结果发送至显示单元进行显示。

所述处理器对接收到的电压数据进行滤波的方法包括以下步骤：

步骤1：处理器预先设定一个相邻采样允许的最大偏差阈值： ；

步骤2：当每次检测到新的电压数据时进行如下会判断：如果接收到的新的电压数据与前次接收到的电压数据的绝对值小于或等于DT，则本次采样值有效；相反则放弃接收到的新的电压数据，取前次电压数据代替新的电压数据。

所述处理器对接收到的电压数据进行误差矫正的方法包括以下步骤：

步骤1：设定电压样本数据为：，其中 ；

其中为标度变换后的电压值；所述 为实际电压值；采用如下公式得到系数和 ；

；

；

步骤2：将各校正点数据（Xi，Yi）代入上两式得到系数a、b的值，并存人处理器的内存单元中；在正式测量时，根据测量值和误差校正方程Y=aX+b求出校正值Y，从而消除系统误差。

采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：

1、体积小、成本低：本发明结构简单，相较于采用FPGA或DSP的电压数据采集系统，本发明的处理器可以使用单片机，成本大幅度降低。

2、结构简单：本发明的结构简单，各部分连接关系容易理解，且容易工业生产制造，进一步的降低了制造成本。

3、能够同时采集交流电电压和直流电电压：本发明能够同时采集交流电和直流电的电压数据，且系统能够自动根据实际情况进行切换，自动化程度高。

采用以上技术方案，本发明产生了以下有益效果：

1、体积小、精度高：本发明结构简单，相较于采用FPGA或DSP的电压数据采集系统，本发明的处理器可以使用单片机，成本大幅度降低。但本发明的电压数据采集系统对采集到的数据进行了综合处理，同时对数据进行了误差矫正，保证了测量的精度。

2、测量范围可调，适用性广：本发明的电压数据采集系统能够将目标电压的范围调整到合适的范围，同时能够针对超出范围的电压进行处理，增大电压数据采集系统的适用范围。

3、能够同时采集交流电电压和直流电电压：本发明能够同时采集交流电和直流电的电压数据，且系统能够自动根据实际情况进行切换，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明的一种智能化高精度电压数据采集系统及方法的系统结构示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明实施例1中提供了一种智能化高精度电压数据采集系统，系统结构如图1所示：

一种智能化高精度电压数据采集系统，其特征在于，所述系统包括：电压采集单元、预处理单元、档位变换单元、AC/DC转换单元、模数转换单元、处理器和显示单元；所述电压采集单元信号连接于预处理单元，用于采集原始电压数据，将采集到的原始电压数据发送至预处理单元；所述预处理单元分别信号连接于档位变换单元和处理器，用于根据处理器发送过来的控制命令对采对接收到的原始电压数据进行衰减处理、量程转换处理和放大处理；所述档位变换单元分别信号连接于AC/DC转换单元和模数转换单元，用于根据采集的电压是直流电压还是交流电压改变电压传输的路线；所述AC/DC转换单元信号连接于模数转换单元，用于将交流电转换为直流电；所述A/D转换单元信号连接于处理器，用于将接收到的模拟的原始电压数据信息转换为数字信号；所述处理器信号连接于显示单元，用于对接收到的数字信号进行采样、滤波和误差矫正，将处理的结果发送至显示单元进行显示。

所述预处理单元包括：衰减器、量程转换模块和放大模块；所述衰减器信号连接于量程转换模块，用于将电压值过高的电压衰减至设定的范围值；所述量程转换模块，用于根据处理器发送过来的控制命令控制继电器对衰减器或放大模块进行相对应的调整，选择出最佳的量程；所述放大模块，用于对电压值过低的电压放大至设定的范围值。

所述处理器包括：采样模块、滤波模块和误差矫正模块；所述采样模块信号连接于滤波模块，用于对接收到的电压信号进行采样；所述滤波模块信号连接于误差矫正模块，用于对接收到的电压信号进行采样；所述误差矫正模块信号连接于显示单元，用于对接收到的电压信号进行误差矫正，将校正后的结果发送至显示单元进行显示。

所述档位变换单元包括：识别模块和开关模块；所述识别模块信号连接于开关模块，用于对接收到的电压数据进行识别，判断其是直流电电压还是交流电电压；所述开关模块分别信号连接于AC/DC转换单元和模数转换单元，用于格局是被模块的识别结果，判断应该连通哪一条线路。

本发明实施例2中提供了一种智能化高精度电压数据采集方法：

一种智能化高精度电压数据采集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化，处理器设定最高量程，电压采集单元开始采集原始电压数据；

步骤2：预处理单元对采集到的原始电压数据进行衰减和放大处理，将处理后的电压数据发送至的档位转换单元；

步骤3：档位转换单元判断接收到的电压数据是直流电电压还是交流电电压，若是直流电电压则执行步骤5；若是交流电电压，则执行步骤4；

步骤4：AC/DC转换单元将交流电转换为直流电，将转后的电压数据发送至A/D转换单元；

步骤5：A/D转换单元将接收到的模拟电压数据转换为数字电压数据，将转换后的电压数据发送至处理器；

步骤6：处理器判断接收到的电压数据的量程是否超过设定的阈值A；若没超过则执行步骤7；若超过，则判断是否为最高量程，如果为最高量程，则进行过载处理；如果不是最高量程，则切换到最高量程，重新执行步骤5；

步骤7：处理器判断接收到的电压数据的量程是否超过设定的阈值B；若超过则进行标度转换，执行步骤8；若没有超过，则判断是否为最低梁大成，如果为最低量程，则进行标度转换执行步骤8；如果不是最低量程，则降一档量程，重新执行步骤5；

步骤8：处理器对接收到的电压数据进行采样、滤波和误差矫正处理，将处理后的结果发送至显示单元进行显示。

所述处理器对接收到的电压数据进行滤波的方法包括以下步骤：

步骤1：处理器预先设定一个相邻采样允许的最大偏差阈值： ；

步骤2：当每次检测到新的电压数据时进行如下会判断：如果接收到的新的电压数据与前次接收到的电压数据的绝对值小于或等于DT，则本次采样值有效；相反则放弃接收到的新的电压数据，取前次电压数据代替新的电压数据。

所述处理器对接收到的电压数据进行误差矫正的方法包括以下步骤：

步骤1：设定电压样本数据为：，其中；

其中为标度变换后的电压值；所述为实际电压值；采用如下公式得到系数和 ；

；

；

步骤2：将各校正点数据（Xi，Yi）代入上两式得到系数a、b的值，并存人处理器的内存单元中；在正式测量时，根据测量值和误差校正方程Y=aX+b求出校正值Y，从而消除系统误差。

本发明实施例3中提供了一种智能化高精度电压数据采集系统及方法，系统结构图如图1所示：

一种智能化高精度电压数据采集系统，其特征在于，所述系统包括：电压采集单元、预处理单元、档位变换单元、AC/DC转换单元、模数转换单元、处理器和显示单元；所述电压采集单元信号连接于预处理单元，用于采集原始电压数据，将采集到的原始电压数据发送至预处理单元；所述预处理单元分别信号连接于档位变换单元和处理器，用于根据处理器发送过来的控制命令对采对接收到的原始电压数据进行衰减处理、量程转换处理和放大处理；所述档位变换单元分别信号连接于AC/DC转换单元和模数转换单元，用于根据采集的电压是直流电压还是交流电压改变电压传输的路线；所述AC/DC转换单元信号连接于模数转换单元，用于将交流电转换为直流电；所述A/D转换单元信号连接于处理器，用于将接收到的模拟的原始电压数据信息转换为数字信号；所述处理器信号连接于显示单元，用于对接收到的数字信号进行采样、滤波和误差矫正，将处理的结果发送至显示单元进行显示。

所述预处理单元包括：衰减器、量程转换模块和放大模块；所述衰减器信号连接于量程转换模块，用于将电压值过高的电压衰减至设定的范围值；所述量程转换模块，用于根据处理器发送过来的控制命令控制继电器对衰减器或放大模块进行相对应的调整，选择出最佳的量程；所述放大模块，用于对电压值过低的电压放大至设定的范围值。

所述处理器包括：采样模块、滤波模块和误差矫正模块；所述采样模块信号连接于滤波模块，用于对接收到的电压信号进行采样；所述滤波模块信号连接于误差矫正模块，用于对接收到的电压信号进行采样；所述误差矫正模块信号连接于显示单元，用于对接收到的电压信号进行误差矫正，将校正后的结果发送至显示单元进行显示。

所述档位变换单元包括：识别模块和开关模块；所述识别模块信号连接于开关模块，用于对接收到的电压数据进行识别，判断其是直流电电压还是交流电电压；所述开关模块分别信号连接于AC/DC转换单元和模数转换单元，用于格局是被模块的识别结果，判断应该连通哪一条线路。

一种智能化高精度电压数据采集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化，处理器设定最高量程，电压采集单元开始采集原始电压数据；

步骤2：预处理单元对采集到的原始电压数据进行衰减和放大处理，将处理后的电压数据发送至的档位转换单元；

步骤3：档位转换单元判断接收到的电压数据是直流电电压还是交流电电压，若是直流电电压则执行步骤5；若是交流电电压，则执行步骤4；

步骤4：AC/DC转换单元将交流电转换为直流电，将转后的电压数据发送至A/D转换单元；

步骤5：A/D转换单元将接收到的模拟电压数据转换为数字电压数据，将转换后的电压数据发送至处理器；

步骤6：处理器判断接收到的电压数据的量程是否超过设定的阈值A；若没超过则执行步骤7；若超过，则判断是否为最高量程，如果为最高量程，则进行过载处理；如果不是最高量程，则切换到最高量程，重新执行步骤5；

步骤7：处理器判断接收到的电压数据的量程是否超过设定的阈值B；若超过则进行标度转换，执行步骤8；若没有超过，则判断是否为最低梁大成，如果为最低量程，则进行标度转换执行步骤8；如果不是最低量程，则降一档量程，重新执行步骤5；

步骤8：处理器对接收到的电压数据进行采样、滤波和误差矫正处理，将处理后的结果发送至显示单元进行显示。

所述处理器对接收到的电压数据进行滤波的方法包括以下步骤：

步骤1：处理器预先设定一个相邻采样允许的最大偏差阈值： ；

步骤2：当每次检测到新的电压数据时进行如下会判断：如果接收到的新的电压数据与前次接收到的电压数据的绝对值小于或等于DT，则本次采样值有效；相反则放弃接收到的新的电压数据，取前次电压数据代替新的电压数据。

所述处理器对接收到的电压数据进行误差矫正的方法包括以下步骤：

步骤1：设定电压样本数据为：，其中；

其中为标度变换后的电压值；所述 为实际电压值；采用如下公式得到系数 和；

；

；

步骤2：将各校正点数据（Xi，Yi）代入上两式得到系数a、b的值，并存人处理器的内存单元中；在正式测量时，根据测量值和误差校正方程Y=aX+b求出校正值Y，从而消除系统误差。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种智能化高精度电压数据采集系统，其特征在于，所述系统包括：电压采集单元、预处理单元、档位变换单元、AC/DC转换单元、模数转换单元、处理器和显示单元；所述电压采集单元信号连接于预处理单元，用于采集原始电压数据，将采集到的原始电压数据发送至预处理单元；所述预处理单元分别信号连接于档位变换单元和处理器，用于根据处理器发送过来的控制命令对采对接收到的原始电压数据进行衰减处理、量程转换处理和放大处理；所述档位变换单元分别信号连接于AC/DC转换单元和模数转换单元，用于根据采集的电压是直流电压还是交流电压改变电压传输的路线；所述AC/DC转换单元信号连接于模数转换单元，用于将交流电转换为直流电；所述A/D转换单元信号连接于处理器，用于将接收到的模拟的原始电压数据信息转换为数字信号；所述处理器信号连接于显示单元，用于对接收到的数字信号进行采样、滤波和误差矫正，将处理的结果发送至显示单元进行显示。

2.如权利要求1所述的智能化高精度电压数据采集系统，其特征在于，所述预处理单元包括：衰减器、量程转换模块和放大模块；所述衰减器信号连接于量程转换模块，用于将电压值过高的电压衰减至设定的范围值；所述量程转换模块，用于根据处理器发送过来的控制命令控制继电器对衰减器或放大模块进行相对应的调整，选择出最佳的量程；所述放大模块，用于对电压值过低的电压放大至设定的范围值。

3.如权利要求2所述的智能化高精度电压数据采集系统，其特征在于，所述处理器包括：采样模块、滤波模块和误差矫正模块；所述采样模块信号连接于滤波模块，用于对接收到的电压信号进行采样；所述滤波模块信号连接于误差矫正模块，用于对接收到的电压信号进行采样；所述误差矫正模块信号连接于显示单元，用于对接收到的电压信号进行误差矫正，将校正后的结果发送至显示单元进行显示。

4.如权利要求3所述的智能化高精度电压数据采集系统，其特征在于，所述档位变换单元包括：识别模块和开关模块；所述识别模块信号连接于开关模块，用于对接收到的电压数据进行识别，判断其是直流电电压还是交流电电压；所述开关模块分别信号连接于AC/DC转换单元和模数转换单元，用于格局是被模块的识别结果，判断应该连通哪一条线路。

5.一种基于权利要求1至4之一所述的智能化高精度电压数据采集系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：系统初始化，处理器设定最高量程，电压采集单元开始采集原始电压数据；

步骤2：预处理单元对采集到的原始电压数据进行衰减和放大处理，将处理后的电压数据发送至的档位转换单元；

步骤3：档位转换单元判断接收到的电压数据是直流电电压还是交流电电压，若是直流电电压则执行步骤5；若是交流电电压，则执行步骤4；

步骤4：AC/DC转换单元将交流电转换为直流电，将转后的电压数据发送至A/D转换单元；

步骤5：A/D转换单元将接收到的模拟电压数据转换为数字电压数据，将转换后的电压数据发送至处理器；

步骤6：处理器判断接收到的电压数据的量程是否超过设定的阈值A；若没超过则执行步骤7；若超过，则判断是否为最高量程，如果为最高量程，则进行过载处理；如果不是最高量程，则切换到最高量程，重新执行步骤5；

步骤7：处理器判断接收到的电压数据的量程是否超过设定的阈值B；若超过则进行标度转换，执行步骤8；若没有超过，则判断是否为最低量程，如果为最低量程，则进行标度转换执行步骤8；如果不是最低量程，则降一档量程，重新执行步骤5；

步骤8：处理器对接收到的电压数据进行采样、滤波和误差矫正处理，将处理后的结果发送至显示单元进行显示。

6.如权利要求5所述的智能化高精度电压数据采集方法，其特征在于，所述处理器对接收到的电压数据进行滤波的方法包括以下步骤：

步骤1：处理器预先设定一个相邻采样允许的最大偏差阈值：；

步骤2：当每次检测到新的电压数据时进行如下会判断：如果接收到的新的电压数据与前次接收到的电压数据的绝对值小于或等于DT，则本次采样值有效；相反则放弃接收到的新的电压数据，取前次电压数据代替新的电压数据。

7.如权利要求6所述的智能化高精度电压数据采集方法，其特征在于，所述处理器对接收到的电压数据进行误差矫正的方法包括以下步骤：

步骤1：设定电压样本数据为： ，其中 ；

其中 为标度变换后的电压值；所述 为实际电压值；采用如下公式得到系数 和 ；

；

；

步骤2：将各校正点数据（Xi，Yi）代入上两式得到系数a、b的值，并存人处理器的内存单元中；在正式测量时，根据测量值和误差校正方程Y=aX+b求出校正值Y，从而消除系统误差。