電力調(diào)度控制系統(tǒng)包括遙測,、遙信、遙調(diào),、遙控四部分,，數(shù)據(jù)采集屬于遙測部分。電力調(diào)度控制系統(tǒng)一般在現(xiàn)場采集四路電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,。整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)后需要進(jìn)行一系列的加,、減、乘,、除,、平方、開方運(yùn)算,，這不僅要求ＣＰＵ的處理速度要快,，而且對Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的速度也提出了一定的要求。因此,，有必要尋找一種轉(zhuǎn)換速度快,、精度高、容易控制的轉(zhuǎn)換器來完成系統(tǒng)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換,。ＭＡＸ１１５是面向１６位和３２位微處理器設(shè)計(jì)的８通道逐次逼近型Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器相對于其它多通道Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器來說ＭＡＸ１１５的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)真正的多通道同步采樣,，因此可以很好地應(yīng)用在分布式ＲＴＵ系統(tǒng)中。
?。停粒兀保保祪?nèi)部含有四個(gè)同步采樣／保持放大器和四個(gè)二選一電路具有８個(gè)單獨(dú)的輸入每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換速度為２μｓ,，采樣速率為３９０ｋｓｐｓ（單通道）、２１８ｋｓｐｓ（雙通道）,、１５２ｋｓｐｓ（３通道）,、１５２ｋｓｐｓ（４通道）輸入模擬電壓為：±５Ｖ，各通道均有過壓保護(hù)功能（±１７Ｖ）,，同時(shí)片內(nèi)含有２．５Ｖ參考電壓和可編程時(shí)序發(fā)生器,，此外， ＭＡＸ１１５還帶有高速并行ＤＳＰ接口,，器件內(nèi)部可提供１０ＭＨｚ時(shí)鐘,。
１ ＭＡＸ１１５的工作原理
?。停粒兀保保祪?nèi)部含有一個(gè)逐次逼近型Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和四個(gè)采樣／保持放大器每個(gè)采樣／保持放大器均與一個(gè)二選一開關(guān)相連,。因此，ＭＡＸ１１５共有８個(gè)輸入通道,，通過對內(nèi)部時(shí)序發(fā)生器的編程可以使用Ａ,、 Ｂ兩組采樣／保持放大器中的一組對一路到四路輸入進(jìn)行同步監(jiān)視，其結(jié)果存儲(chǔ)在片內(nèi)ＲＡＭ里,。
?。?ＭＡＸ１１５的基本操作
２．１ 通道選擇
?。停粒兀保保档妮斎霐?shù)據(jù)線Ａ０～Ａ３的高兩位與輸出數(shù)據(jù)線Ｄ０～Ｄ１１的低兩位通過三態(tài)門復(fù)用,，向Ａ０～Ａ３寫入數(shù)據(jù)可控制８個(gè)通道的選通。ＭＡＸ１１５共有８種轉(zhuǎn)換模式及一個(gè)節(jié)電模式,。系統(tǒng)上電后,，默認(rèn)ＣＨ１Ａ為轉(zhuǎn)換通道，也可以通過向Ａ０～Ａ３寫控制字來選通轉(zhuǎn)換通道,。芯片的通道選擇如表１所列,。
表1 MAX115的通道選擇方式
A3 A2 A1 A0 轉(zhuǎn)換時(shí)間（s） 工作方式
0 0 0 0 2 CH1A通道工作
0 0 0 1 4 CH1A CH2A雙通道工作
0 0 1 0 6 CH1A CH2A CH3A 三通道工作
0 0 1 1 8 CH1A CH2A CH3A CH4A 四通道工作
0 1 0 0 2 CH1B通道工作
0 1 0 1 4 CH1B CH2B雙通道工作
0 1 1 0 6 CH1B CH2B CH3B三通道工作
0 1 1 1 8 CH1B CH2B CH3B CH4B四通道工作
1 任意 任意 任意 - 掉電狀態(tài)
向ＭＡＸ１１５輸入轉(zhuǎn)換指令時(shí)，應(yīng)將ＣＳ拉低并對Ａ０～Ａ３數(shù)據(jù)線編程,。然后再給ＷＲ一個(gè)低脈沖,，編程指令在ＷＲ或ＣＳ的上升沿被鎖存。這時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器做好了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)備,。一旦轉(zhuǎn)換程序開始執(zhí)行,，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將在指定方式下連續(xù)執(zhí)行轉(zhuǎn)換,，直到重新編程或斷電為止。
?。玻?模數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)
選擇了轉(zhuǎn)換通道后,，再給ＣＯＮＶＳＴ一個(gè)低電壓，芯片將啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換過程,。此后,，模擬輸入將在ＣＯＮＶＳＴ上升沿被采樣，此時(shí)由于采樣／保持放大器被置成保持模式,，附加的ＣＯＮＶＳＴ脈沖被忽略,，因此在最后的轉(zhuǎn)換完成以前，電路不能進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換,。若是單通道轉(zhuǎn)換,，那么Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)束后，中斷信號ＩＮＴ將變低以指示轉(zhuǎn)換已完成,。若是多通道轉(zhuǎn)換,，則最后一個(gè)通道Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)束后， ＩＮＴ才變低,。這種模式下,，測試系統(tǒng)可以通過監(jiān)視ＩＮＴ信號來檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。
?。玻?讀數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)是以順序方式來讀取的,。單通道工作只需執(zhí)行一次讀操作，而在多通道時(shí),，在ＲＤ腳上連續(xù)加脈沖就能順序取得ＣＨ１－ＣＨ４的轉(zhuǎn)換結(jié)果,。連續(xù)讀時(shí)，ＣＳ要保持低電平,。無論芯片工作在何種方式,，在進(jìn)行了四次讀操作后，其內(nèi)部地址指針都會(huì)重新指向ＣＨ１,。ＣＯＮＶＳＴ被置低時(shí),，內(nèi)部地址指針也會(huì)重新指向ＣＨ１。
?。玻?時(shí)鐘
?。停粒兀保保祪?nèi)部含有頻率為１０ＭＨｚ的時(shí)鐘電路，把ＣＬＫ管腳接到ＤＶｄｄ上可激活內(nèi)部時(shí)鐘（內(nèi)部時(shí)鐘建立時(shí)間一般為１６５μｓ）,。也可在ＣＬＫ上建立一個(gè)占空比為３０％～７０％的外部時(shí)鐘信號,。本系統(tǒng)采用了ＭＡＸ１１５的內(nèi)部時(shí)鐘。
由于ＭＡＸ１１５同時(shí)具有采樣／保持和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換功能,，所以只需將被測信號標(biāo)準(zhǔn)化后引入ＭＡＸ１１５的四個(gè)通道引腳,，然后通過軟件設(shè)置就可實(shí)現(xiàn)采樣／保持功能,。在采樣／保持信號后，通過軟件對ＭＡＸ１１５的轉(zhuǎn)換管腳進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能,。
?。场‰娋W(wǎng)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理
電力調(diào)度控制系統(tǒng)中電壓有效值、電流有效值的計(jì)算公式如下：
上兩式中,，ｎ為一個(gè)周期內(nèi)的采樣次數(shù)，ｕ０～ｕｎ－１和Ｉ０～Ｉｎ－１分別為一個(gè)周期內(nèi)各點(diǎn)電壓和電流的采樣值,。由于實(shí)際變電站中的供電網(wǎng)絡(luò)是三相交流電,，因此需要計(jì)算的有效值為三相電的線電壓有效值Ｕａｂ、Ｕｃｂ和線電流有效值有Ｉａ,、Ｉｃ,。利用Ｕａｂ、Ｕｃｂ和Ｉａ,、Ｉｃ可計(jì)算出系統(tǒng)的有功功率Ｐ和無功功率Ｑ,。公式如下：
要處理這么龐大的計(jì)算，使用普通的八位單片機(jī)
一般難以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,。本系統(tǒng)使用的是十六位單片機(jī)８０Ｃ１９６ＫＢ,。與八位單片機(jī)相比，十六位單片機(jī)克服了累加器瓶頸問題,，它在內(nèi)存中開辟出２３２個(gè)字節(jié)的空間作為通用寄存器使用,，增加了數(shù)據(jù)存取的自由度，大大提高了工作效率,。而且這些通用寄存器可以按字節(jié),、字、雙字存取,，這也給計(jì)算帶來了很大方便,。另外，８０Ｃ１９６ＫＢ的指令周期可達(dá)１２５ｎｓ,，比八位單片機(jī)的１μｓ快得多,。
４ 硬件電路
?。矗?ＭＡＸ１１５與８０Ｃ１９６ＫＢ的接口設(shè)計(jì)
?。停粒兀保保岛停福埃茫保梗叮耍碌慕涌陔娐啡鐖D１所示，圖中的ＭＡＸ１１５需要正,、負(fù)電源供電,。此外，ＭＡＸ１１５的Ａ／Ｄ輸出是１２位的,，而此時(shí)８０Ｃ１９６ＫＢ的總線工作方式應(yīng)是１６位的,，故當(dāng)ＭＡＸ１１５片選有效時(shí)ＣＳ為低,，其總線寬度控制信號ＢＵＳＷＩＤＴＨ＝１總線寬度是１６位，否則讀取的數(shù)據(jù)將不正確,；ＭＡＸ１１５的通道選擇是由Ａ０～Ａ３決定的,，并可在采樣初始化時(shí)確定。在本模塊中,，讀數(shù)時(shí)序可由ＨＳＩ．０控制,。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換則可通過向一地址內(nèi)寫入數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。
?。矗?復(fù)位電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有軟件看門狗功能,。但在程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)，光靠軟件看門狗防止程序運(yùn)行死鎖或“跑飛”是不安全的,，還需要有硬件看門狗電路來保證系統(tǒng)的安全復(fù)位和正常運(yùn)行,。硬件看門狗復(fù)位電路如圖２所示。
圖中,，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí),，三極管Ｔ１飽和導(dǎo)通，其集電極輸出低電平復(fù)位信號,。而當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后,，電容Ｃ１充電完畢，Ｔ１基極電流逐漸減小,，直至Ｔ１截止,，其集電極變?yōu)楦唠娖剑瑥?fù)位信號消失,，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài),，此后，轉(zhuǎn)換器每次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換都要對計(jì)數(shù)器４０２４復(fù)位,；而當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障,，ＭＡＸ１１５不再轉(zhuǎn)換時(shí)，復(fù)位信號將無法對計(jì)數(shù)器４０２４復(fù)位,，于是計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),，計(jì)滿后右邊的與非門Ｕ１２Ｂ將輸出高電平以使Ｔ２飽和導(dǎo)通，進(jìn)而使集電極變?yōu)榈碗娖?，從而產(chǎn)生復(fù)位信號使系統(tǒng)復(fù)位,。這樣，在程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)就可很快地得到糾正,。
?。怠≤浖O(shè)計(jì)
圖３所示是本系統(tǒng)的軟件流程圖。程序運(yùn)行時(shí)，可先用以下兩條語句啟動(dòng)看門狗：
?。蹋模?ＷＡＴＣＨＤＯＧ,，＃１ＥＨ
ＬＤＢ ＷＡＴＣＨＤＯＧ,，＃０Ｅ１Ｈ
然后判斷信號是否同步,，不同步時(shí)等待，同步則啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,，只要選中系統(tǒng)給ＭＡＸ１１５分配的地址即可,。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，由ＣＰＵ讀出結(jié)果并存放在外存儲(chǔ)器中,，再進(jìn)行下一次采樣轉(zhuǎn)換,。這樣轉(zhuǎn)換三相電的一個(gè)周期信號后，便可計(jì)算出其電壓有效值,、電流有效值,、有功功率和無功功率,，最后由單片機(jī)的串行口輸出計(jì)算結(jié)果,。之后再進(jìn)行下一個(gè)周期的處理，如此循環(huán)下去,。
?。丁〗Y(jié)束語
對電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測是電力調(diào)度自動(dòng)化管理系統(tǒng)不可缺少的組成部分。隨著電子元器件制造工藝水平的提高,，各種新器件不斷涌現(xiàn),，芯片的功能也不斷增強(qiáng)，這使得提高系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性成為可能,。本文所述的基于ＭＡＸ１１５的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和模／數(shù)轉(zhuǎn)換是對已使用多年的系統(tǒng)的改進(jìn),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后系統(tǒng)的實(shí)時(shí)效果明顯增強(qiáng),，維護(hù)起來也更加方便,。