摘 要： 介紹了一種自行設(shè)計的以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)計思想和設(shè)計過程。
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化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢,。因此,，其對應(yīng)的“發(fā)、輸,、配”環(huán)節(jié)對相應(yīng)的自動裝置,、繼電保護(hù)裝置、故障檢測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，同時也在一定程度上影響著整個電力系統(tǒng)運(yùn)行的“穩(wěn)定性,、安全性”,。電力系統(tǒng)中被測參數(shù)的特點(diǎn)：1)大都是周期性電量；2)實時性變量,；3)同步性變量——主要指對稱三相電壓,、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(如：電力傳輸線上浪涌電流,、尖峰電壓等)，同時現(xiàn)場干擾信號多而復(fù)雜,。因此,，對數(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)場信號采集的需要,，還要求其應(yīng)逐步實現(xiàn)“數(shù)字化、智能化,、自動化”以滿足采集系統(tǒng)實現(xiàn)“高精度,、高速度,、高可靠性、多功能,、多參數(shù)測量”等高性能采集和處理的要求,。基于上述要求和目標(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)簡單,、現(xiàn)場適應(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,，使其實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“微型,、靈活”及測試過程自動化的要求；而在采集技術(shù)上依據(jù)被采信號的特點(diǎn)(三路頻率相同)引入了鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn)了對采集信號頻率的自動跟蹤和系統(tǒng)采集速率的自動變換等,；同時采用了軟件實現(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。通過測試表明：該“智能采集卡”滿足了設(shè)計指標(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)計指標(biāo)及現(xiàn)場測試的需要,本系統(tǒng)采用串并行結(jié)構(gòu)(見圖1),同時考慮到遠(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)總線上以實現(xiàn)與上位機(jī)的實時通訊。
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)以實現(xiàn)三路信號的同步采集和采集速率的自動調(diào)節(jié);另通過多路開關(guān)的有機(jī)組合在實現(xiàn)三路分時轉(zhuǎn)換的同時也實現(xiàn)了雙極性A/D轉(zhuǎn)換器量程的自動轉(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,，從而實現(xiàn)Vi(t)、Vo(t)兩信號的頻率相同而相位差保持恒定(同步),，即實現(xiàn)頻率自動跟蹤和相位鎖定,。
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/芯片得以實現(xiàn)?，F(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數(shù)器芯片(MC14522)構(gòu)成120倍頻器(見圖4),，從而實現(xiàn)三路信號在一個周波內(nèi)完成120點(diǎn)同步采集,。
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2 系統(tǒng)設(shè)計
2.1 硬件設(shè)計
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)組合實現(xiàn)三路信號的同步采集以及AD1674分時轉(zhuǎn)換和量程的自動改變;120倍頻器由CD4046集成鎖相環(huán)芯片和整型放大器4069及三片可編程計數(shù)器MC14522組成;另外在通訊接口的設(shè)計上,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
根據(jù)系統(tǒng)要求(在一個周期內(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和三片可編程計數(shù)器芯片(MC14522),其中三片MC14522按圖5所示接線圖連接。圖中個位所示計數(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,而其輸出接4046的PHI1端?？偟姆诸l系數(shù)N＝100N1+10N2+N3,因此,只需給三片計數(shù)器置以相應(yīng)的計數(shù)值便可實現(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/個位置計數(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)便可實現(xiàn)120倍的分頻,而對于整個鎖相環(huán)來說則實現(xiàn)了120倍頻。
2.3 軟件設(shè)計
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,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)展的信息時代里起著“基礎(chǔ)性和導(dǎo)向”作用,，而隨著信息技術(shù),、計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù),、控制技術(shù)的快速發(fā)展在大力推動數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展和大范圍應(yīng)用的同時,，也對實現(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)測試的特點(diǎn)和要求,，本文作者在設(shè)計“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)計指標(biāo)和測試的要求,。
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