摘 要： 介紹了一種自行設(shè)計(jì)的以87C196嵌入式單片機(jī)為控制器核心并帶有鎖相環(huán)的智能同步采集卡，并較為詳細(xì)地闡述了其設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 智能化 鎖相環(huán) 同步采集 倍頻器
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電力系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，隨著電力系統(tǒng)進(jìn)一步朝著“大電網(wǎng)、大容量、大機(jī)組”的方向發(fā)展，發(fā)、輸、配電過程要求高度自動(dòng)化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。因此，其對(duì)應(yīng)的“發(fā)、輸、配”環(huán)節(jié)對(duì)相應(yīng)的自動(dòng)裝置、繼電保護(hù)裝置、故障檢測(cè)及診斷裝置等性能提出了更新更高的要求。而數(shù)據(jù)采集子(卡)系統(tǒng)作為這些裝置的“排頭兵”，其性能直接影響著這些裝置的整體性能，同時(shí)也在一定程度上影響著整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的“穩(wěn)定性、安全性”。電力系統(tǒng)中被測(cè)參數(shù)的特點(diǎn)：1)大都是周期性電量；2)實(shí)時(shí)性變量；3)同步性變量——主要指對(duì)稱三相電壓、電流等；4)變化快、隨機(jī)性強(qiáng)——主要是指一些干擾性及故障性信號(hào)(如：電力傳輸線上浪涌電流、尖峰電壓等)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)多而復(fù)雜。因此，對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)不僅要求結(jié)構(gòu)上應(yīng)進(jìn)一步小型化、靈活化、專用和通用的有機(jī)結(jié)合以適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集的需要，還要求其應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化”以滿足采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“高精度、高速度、高可靠性、多功能、多參數(shù)測(cè)量”等高性能采集和處理的要求?；谏鲜鲆蠛湍繕?biāo)，結(jié)合電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置特點(diǎn)，作者在“三路同步采集卡”設(shè)計(jì)過程中，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采集技術(shù)上作了大膽的探索和嘗試：在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了性價(jià)比較為合理的“串并行結(jié)構(gòu)”,充分利用單片機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)以及其豐富的硬、軟件資源及卓越的性能優(yōu)勢(shì)，使其實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“微型、靈活”及測(cè)試過程自動(dòng)化的要求；而在采集技術(shù)上依據(jù)被采信號(hào)的特點(diǎn)(三路頻率相同)引入了鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤和系統(tǒng)采集速率的自動(dòng)變換等；同時(shí)采用了軟件實(shí)現(xiàn)抗干擾的方式——“數(shù)字濾波和設(shè)置陷阱技術(shù)”，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。通過測(cè)試表明：該“智能采集卡”滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，性能穩(wěn)定且可靠。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需要,本系統(tǒng)采用串并行結(jié)構(gòu)(見圖1),同時(shí)考慮到遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)處理的需要,本采集卡利用單片機(jī)的串行通訊口并配以相應(yīng)接口可直接掛接到系統(tǒng)總線上以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊。
1.2系統(tǒng)基本原理
與通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)中引入了鎖相環(huán)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)的同步采集和采集速率的自動(dòng)調(diào)節(jié);另通過多路開關(guān)的有機(jī)組合在實(shí)現(xiàn)三路分時(shí)轉(zhuǎn)換的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了雙極性A/D轉(zhuǎn)換器量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,從而提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)能力。
1.2.1鎖相環(huán)技術(shù)
鎖相環(huán)技術(shù)也稱自動(dòng)相位控制技術(shù)，于20世紀(jì)30年代發(fā)展起來，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通信、電子、測(cè)控等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)組成見圖2，主要由相位比較器(PD亦稱鑒相器)，低通濾波器(LPF)，壓控振蕩器(VCO)組成。
其基本原理如下：PD將Vi(t)與Vo(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)與二者相位差成正比的誤差電壓VΦ(t),VΦ(t)再經(jīng)由LPF濾波(濾除高頻分量)，得到控制電壓Vd(t)，并加到VCO的控制端使VCO振蕩器輸出頻率f2向f1靠攏，直至Δf＝0，即f2＝f1，從而實(shí)現(xiàn)Vi(t)、Vo(t)兩信號(hào)的頻率相同而相位差保持恒定(同步)，即實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤和相位鎖定。
1.2.2 集成鎖相環(huán)CD4046
鎖相環(huán)技術(shù)盡管出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，但由于組成鎖相環(huán)的是一些分離元件，因此使其成本高且性能低；同時(shí)由于其它一些技術(shù)等因素的影響，極大地限制了其大范圍的應(yīng)用(早期主要應(yīng)用于電視接收機(jī)的行掃描電路和供色度信號(hào)解調(diào)的副載波振蕩電路等)，直到20世紀(jì)70年代初期，隨著微電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使得制作低成本、高性能集成鎖相環(huán)電路/芯片得以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，鎖相環(huán)技術(shù)得到了快速發(fā)展，如今已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通信等領(lǐng)域。作為目前國(guó)內(nèi)外最具代表性也是最常見的集成鎖相環(huán)芯片CD4046，由于其集成度高、性價(jià)比高、多功能、易組合等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛使用，其管角排列及邏輯圖見圖3。
從圖3可知：VCO的輸出可以經(jīng)由一除法器進(jìn)行N分頻后，再送至相位比較器Ⅰ，并進(jìn)而與VI進(jìn)行相位比較，最后使f2′＝f1，二者的相位差恒定，從而實(shí)現(xiàn)鎖相。由于f2′＝f2/N＝f1，可推得：f2＝Nf1，由此表明：盡管從局部看使用除法器完成的是分頻，但就鎖相環(huán)整體而言卻是實(shí)現(xiàn)N倍頻。本文作者正是利用CD4046的這一特性并配以三片可編程計(jì)數(shù)器芯片(MC14522)構(gòu)成120倍頻器(見圖4)，從而實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)在一個(gè)周波內(nèi)完成120點(diǎn)同步采集。
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2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
結(jié)合上述圖1所示的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖及測(cè)試性能要求，本系統(tǒng)選用當(dāng)前較為流行的集成度較高的嵌入式8位單片機(jī)87C196NT作為主控器(并擴(kuò)展了一片EPROM－2764),A/D轉(zhuǎn)換器采用性價(jià)比較高且內(nèi)含由三態(tài)緩沖器和鎖存器的12位AD1674集成芯片,通過三片采樣/保持器新片LF398以及多路轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051和CD4052的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)的同步采集以及AD1674分時(shí)轉(zhuǎn)換和量程的自動(dòng)改變;120倍頻器由CD4046集成鎖相環(huán)芯片和整型放大器4069及三片可編程計(jì)數(shù)器MC14522組成;另外在通訊接口的設(shè)計(jì)上,選用了當(dāng)前較為流行的CAN串行通信接口。其硬件接線結(jié)構(gòu)圖見圖4。
2.2 120分頻器設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)要求(在一個(gè)周期內(nèi)完成三路共120點(diǎn)采集),本系統(tǒng)選用了鎖相環(huán)芯片CD4046和三片可編程計(jì)數(shù)器芯片(MC14522),其中三片MC14522按圖5所示接線圖連接。圖中個(gè)位所示計(jì)數(shù)器芯片的輸入端(CP端)接從第三路取樣后經(jīng)4069放大器放大、濾波、整形后的輸出信號(hào),而其輸出接4046的PHI1端?？偟姆诸l系數(shù)N＝100N1+10N2+N3,因此,只需給三片計(jì)數(shù)器置以相應(yīng)的計(jì)數(shù)值便可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的分頻系數(shù)。本系統(tǒng)要求N＝120,根據(jù)接線圖可以分別向百位/十位/個(gè)位置計(jì)數(shù)值1、2、0(即通過單片機(jī)向其數(shù)據(jù)輸入端送二進(jìn)制0001、0010、0000)便可實(shí)現(xiàn)120倍的分頻,而對(duì)于整個(gè)鎖相環(huán)來說則實(shí)現(xiàn)了120倍頻。
2.3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件部分主要是系統(tǒng)主程序、采集子程序、通訊子程序和數(shù)字濾波子程序等設(shè)計(jì),其中采集子程序作為中斷子程序存在；數(shù)字濾波采用遞推中值算法；所有程序采用C語言編寫。
數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為一門基礎(chǔ)性和綜合性相結(jié)合的技術(shù)，在當(dāng)今迅速發(fā)展的信息時(shí)代里起著“基礎(chǔ)性和導(dǎo)向”作用，而隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)的快速發(fā)展在大力推動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展和大范圍應(yīng)用的同時(shí)，也對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的載體——數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)提出新的和更高的要求：使其進(jìn)一步朝著微型化、智能化、柔性化方向發(fā)展。為此，結(jié)合電力系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試的特點(diǎn)和要求，本文作者在設(shè)計(jì)“三路快速、高精度同步采集卡”過程中，圍繞以提高系統(tǒng)性能的目標(biāo)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采集技術(shù)兩方面都進(jìn)行了大膽的探索和嘗試。經(jīng)過測(cè)試表明：該“智能采集卡”性能穩(wěn)定可靠，并具有較好的柔性和智能性，較好地滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)和測(cè)試的要求。
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