摘 要： 介紹了一種自行設計的以87C196嵌入式單片機為控制器核心并帶有鎖相環(huán)的智能同步采集卡，并較為詳細地闡述了其設計思想和設計過程。
關鍵詞： 單片機 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)的主要應用領域之一，隨著電力系統(tǒng)進一步朝著“大電網(wǎng)、大容量、大機組”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的趨勢。因此，其對應的“發(fā)、輸、配”環(huán)節(jié)對相應的自動裝置、繼電保護裝置、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)運行的“穩(wěn)定性、安全性”。電力系統(tǒng)中被測參數(shù)的特點：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、隨機性強——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)場干擾信號多而復雜。因此，對數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)不僅要求結構上應進一步小型化、靈活化、專用和通用的有機結合以適應不同現(xiàn)場信號采集的需要，還要求其應逐步實現(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，結合電力系統(tǒng)繼電保護裝置特點，作者在“三路同步采集卡”設計過程中，在系統(tǒng)結構和采集技術上作了大膽的探索和嘗試：在系統(tǒng)結構上采用了性價比較為合理的“串并行結構”,充分利用單片機體積小、結構簡單、現(xiàn)場適應能力強的優(yōu)點以及其豐富的硬、軟件資源及卓越的性能優(yōu)勢，使其實現(xiàn)了系統(tǒng)結構“微型、靈活”及測試過程自動化的要求；而在采集技術上依據(jù)被采信號的特點(三路頻率相同)引入了鎖相環(huán)技術實現(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)字濾波和設置陷阱技術”，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”滿足了設計指標的要求，性能穩(wěn)定且可靠。
1 系統(tǒng)結構及原理
1.1系統(tǒng)結構圖
根據(jù)系統(tǒng)設計指標及現(xiàn)場測試的需要,本系統(tǒng)采用串并行結構(見圖1),同時考慮到遠程傳輸和數(shù)據(jù)處理的需要,本采集卡利用單片機的串行通訊口并配以相應接口可直接掛接到系統(tǒng)總線上以實現(xiàn)與上位機的實時通訊。
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)技術以實現(xiàn)三路信號的同步采集和采集速率的自動調節(jié);另通過多路開關的有機組合在實現(xiàn)三路分時轉換的同時也實現(xiàn)了雙極性A/D轉換器量程的自動轉換,從而提高了系統(tǒng)的靈活性和適應能力。
1.2.1鎖相環(huán)技術
鎖相環(huán)技術也稱自動相位控制技術，于20世紀30年代發(fā)展起來，現(xiàn)已廣泛應用于通信、電子、測控等領域，其結構組成見圖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)技術盡管出現(xiàn)于20世紀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等因素的影響，極大地限制了其大范圍的應用(早期主要應用于電視接收機的行掃描電路和供色度信號解調的副載波振蕩電路等)，直到20世紀70年代初期，隨著微電子技術及相關技術的快速發(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)。現(xiàn)在，鎖相環(huán)技術得到了快速發(fā)展，如今已廣泛應用于工業(yè)、通信等領域。作為目前國內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)由一除法器進行N分頻后，再送至相位比較器Ⅰ，并進而與VI進行相位比較，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)構成120倍頻器(見圖4)，從而實現(xiàn)三路信號在一個周波內完成120點同步采集。
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2 系統(tǒng)設計
2.1 硬件設計
結合上述圖1所示的系統(tǒng)硬件結構組成框圖及測試性能要求，本系統(tǒng)選用當前較為流行的集成度較高的嵌入式8位單片機87C196NT作為主控器(并擴展了一片EPROM－2764),A/D轉換器采用性價比較高且內含由三態(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以及多路轉換開關CD4051和CD4052的有機組合實現(xiàn)三路信號的同步采集以及AD1674分時轉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計上,選用了當前較為流行的CAN串行通信接口。其硬件接線結構圖見圖4。
2.2 120分頻器設計
根據(jù)系統(tǒng)要求(在一個周期內完成三路共120點采集),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。總的分頻系數(shù)N＝100N1+10N2+N3,因此,只需給三片計數(shù)器置以相應的計數(shù)值便可實現(xiàn)相應的分頻系數(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(即通過單片機向其數(shù)據(jù)輸入端送二進制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)采集技術作為一門基礎性和綜合性相結合的技術，在當今迅速發(fā)展的信息時代里起著“基礎性和導向”作用，而隨著信息技術、計算機技術、微電子技術、控制技術的快速發(fā)展在大力推動數(shù)據(jù)采集技術發(fā)展和大范圍應用的同時，也對實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集技術的載體——數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)提出新的和更高的要求：使其進一步朝著微型化、智能化、柔性化方向發(fā)展。為此，結合電力系統(tǒng)參數(shù)測試的特點和要求，本文作者在設計“三路快速、高精度同步采集卡”過程中，圍繞以提高系統(tǒng)性能的目標從系統(tǒng)結構和采集技術兩方面都進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，較好地滿足了設計指標和測試的要求。
參考文獻
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