摘要：本文主要讨论并设计了一套远程电压无线测绘系统。该系统主要致力于用机器自动控制替代人工操作，其主要功能有实时显示显示电压源状态，监测阀值并为用户提供管理日志以便于查看历史记录。
关键词：电压测绘；无线测量；自动监测；日志系统
前言
在实际工作生产中，高电压的测绘往往给测绘人员带来人身意外伤害的风险。除此之外，在某些检查岗位，往往仅需相关操作人员处理非常简单的监测工作，浪费人力物力。该系统就是为了解决这两点核心问题而设计的。
一、系统基本结构
经过不断地调试与优化，该系统最终结构如下图所示：
依图所示，该系统包含了一个分压器，一个模拟转数字信号处理器，一台微控制器以及一台监视器。其基本工作流程为:电压源将电压输入一个分压器,再由ADC转换至微控制器，最后通过无线的方式显示在监视器中。
二、各部件规格及工作方式
（一）分压器
分压器采用反相放大器来实现，主要考虑了两个相关因素。其一是电压源电压可能过高，有概率导致整个系统的损坏。所以加上一个分压器来起到降压作用，其降压比通过后期的补偿算法来平衡。另一个因素是ADC数模转换器往往不支持很大的电压范围；更重要的是，ADC数模转换器一般来讲都是属于正电压范围，而电压源却会出现负电压范围。因此，非常有必要在电压源与ADC数模转换器之间加上一个分压器。该分压器不仅承担了降低电压幅值的工作，还起到了把负电压源等比缩放到正电压范围的作用。
（二）数模转换器
在实际测量工作中，测量信号通常是一个模拟信号。而微控制器只能处理数字信号，所以需要一个ADC数模转换器来进行数模转换工作。数模转换器主要有三个重要的参数，首当其冲的便是可接受的测量电压范围。因为该范围通常来讲是一个正数区间，所以需要分压器从旁协助。第二个重要参数则是数字输出的码位大小，用M来表示码位，R表示ADC测量电压范围，则：
根据公式（2），可以看出码位越大，输出数据量越大；而在测量电压范围固定的情况下，输出结果也就越精确。
第三个重要参数则是ADC数模转换器的工作频率，该工作频率直接决定了此系统的采样频率，如果采样频率过低，则依然有可能出现较大的误差。但是采样频率也并非越高越好，其频率范围应该与电压源的频率相匹配。除此之外，还要考虑到无线传输的传输速率。如果采样频率过快，则在有限带宽的情况下，产生的大量数据堆积在传输通道发送端，而无法实时传送到监视器，即可能造成数据延迟。
（三）微控制器
在该系统中，选用Raspberry Pi作为微控制器部件。其优点在于：第一，提供Python编程语言环境，可编程自由度较高；第二，主板上提供GPIO接口可以与ADC数模转换器相连接；第三，由于其操作系统的通用性，网络配置较为容易。
微控制器是整套系统的控制中枢，也是无线网络的搭建平台。具体来说微控制器的职责包括，通过Python程序代码处理ADC数模转换器的输入信号、搭建无线网络平台与监视器进行通信、以及作为整个系统测绘部分的输出端对监视器进行实时输出。
（四）监视器
在该系统中，监视器是基于Windows操作系统的。当然，事先需要在Windows操作系统中搭建Python语言环境。首先配置Samba服务来构建一个共享的文件，来实现日志管理系统的功能。再通过利用Socket通信协议，将微控制器作为服务器端，而将监视器作为客户端相连。以达到实时传输数据的功能与效果。
但是值得说明的是，监视器并不局限于某个操作系统，甚至可以通过DLAN的网络连接方式，不用操作系统，直接与微控制器相连。
结论：通过反复调试与测试，该系统可行性已得到验证。其具体参数如下：
1)电压源为100V至-100V的直流正弦以及三角波形。
2)分压器采用反相放大器，其降压比为10:1。
3)ADC数模转换器采用Analog Device的CN0335芯片。
4)微控制器选用Raspberry Pi 3B WIFI，并安装Linux Kali系统。
5)监视器采用Windows笔记本电脑的显示屏。
在实际测量过程中任然存在±2%左右的系统误差，不过该误差尚在可接受的范围内。值得注意的是，该系统的传输距离并不局限于物理上的距离。而是根据局域网的拓扑路由范围来衡量的。虽然目前并未测试在桥接路由器中的工作状况，但是理论上来讲，只要微控制器端与监测器端能够建立Socket连接，并在不考虑网络传输带宽等导致的数据延迟的情况下，该系统就能够可靠地正常工作。
该系统可实现在实际生产中的应用包括：高电压的远距离测量，无人值守的小型电压监测站，分布式电压测绘点的集中监测以及通过日志管理系统查询历史波动情况等。
参考文献
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作者简介
周凡（1995-），男，汉族，籍贯：湖北省宜昌市，学历：在读硕士研究生，职称：中级网络工程师，研究方向：电气工程及其自动化。
论文作者:周凡
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/17
标签：电压论文; 数模转换器论文; 系统论文; 监视器论文; 微控制器论文; 测量论文; 工作论文; 《电力设备》2017年第17期论文;