電力調度控制系統包括遙測、遙信、遙調、遙控四部分，數據采集屬于遙測部分。電力調度控制系統一般在現場采集四路電信號進行轉換處理。整個系統啟動后需要進行一系列的加、減、乘、除、平方、開方運算，這不僅要求ＣＰＵ的處理速度要快，而且對Ａ／Ｄ轉換的速度也提出了一定的要求。因此，有必要尋找一種轉換速度快、精度高、容易控制的轉換器來完成系統的模／數轉換。ＭＡＸ１１５是面向１６位和３２位微處理器設計的８通道逐次逼近型Ａ／Ｄ轉換器相對于其它多通道Ａ／Ｄ轉換器來說ＭＡＸ１１５的優點在于可以實現真正的多通道同步采樣，因此可以很好地應用在分布式ＲＴＵ系統中。

　　ＭＡＸ１１５內部含有四個同步采樣／保持放大器和四個二選一電路具有８個單獨的輸入每個通道的轉換速度為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功能（±１７Ｖ），同時片內含有２．５Ｖ參考電壓和可編程時序發生器，此外， ＭＡＸ１１５還帶有高速并行ＤＳＰ接口，器件內部可提供１０ＭＨｚ時鐘。

　　１ ＭＡＸ１１５的工作原理

　　ＭＡＸ１１５內部含有一個逐次逼近型Ａ／Ｄ轉換器和四個采樣／保持放大器每個采樣／保持放大器均與一個二選一開關相連。因此，ＭＡＸ１１５共有８個輸入通道，通過對內部時序發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行同步監視，其結果存儲在片內ＲＡＭ里。

　　２ ＭＡＸ１１５的基本操作

　　２．１ 通道選擇

　　ＭＡＸ１１５的輸入數據線Ａ０～Ａ３的高兩位與輸出數據線Ｄ０～Ｄ１１的低兩位通過三態門復用，向Ａ０～Ａ３寫入數據可控制８個通道的選通。ＭＡＸ１１５共有８種轉換模式及一個節電模式。系統上電后，默認ＣＨ１Ａ為轉換通道，也可以通過向Ａ０～Ａ３寫控制字來選通轉換通道。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  轉換時間（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 

　　向ＭＡＸ１１５輸入轉換指令時，應將ＣＳ拉低并對Ａ０～Ａ３數據線編程。然后再給ＷＲ一個低脈沖，編程指令在ＷＲ或ＣＳ的上升沿被鎖存。這時模數轉換器做好了轉換的準備。一旦轉換程序開始執行，模數轉換器將在指定方式下連續執行轉換，直到重新編程或斷電為止。

　　２．２ 模數轉換的啟動

　　選擇了轉換通道后，再給ＣＯＮＶＳＴ一個低電壓，芯片將啟動Ａ／Ｄ轉換過程。此后，模擬輸入將在ＣＯＮＶＳＴ上升沿被采樣，此時由于采樣／保持放大器被置成保持模式，附加的ＣＯＮＶＳＴ脈沖被忽略，因此在最后的轉換完成以前，電路不能進行新的轉換。若是單通道轉換，那么Ａ／Ｄ轉換結束后，中斷信號ＩＮＴ將變低以指示轉換已完成。若是多通道轉換，則最后一個通道Ａ／Ｄ轉換結束后， ＩＮＴ才變低。這種模式下，測試系統可以通過監視ＩＮＴ信號來檢測轉換是否結束。

　　２．３ 讀數據

　　數據是以順序方式來讀取的。單通道工作只需執行一次讀操作，而在多通道時，在ＲＤ腳上連續加脈沖就能順序取得ＣＨ１－ＣＨ４的轉換結果。連續讀時，ＣＳ要保持低電平。無論芯片工作在何種方式，在進行了四次讀操作后，其內部地址指針都會重新指向ＣＨ１。ＣＯＮＶＳＴ被置低時，內部地址指針也會重新指向ＣＨ１。

　　２．４ 時鐘

　　ＭＡＸ１１５內部含有頻率為１０ＭＨｚ的時鐘電路，把ＣＬＫ管腳接到ＤＶｄｄ上可激活內部時鐘（內部時鐘建立時間一般為１６５μｓ）。也可在ＣＬＫ上建立一個占空比為３０％～７０％的外部時鐘信號。本系統采用了ＭＡＸ１１５的內部時鐘。

　　由于ＭＡＸ１１５同時具有采樣／保持和Ａ／Ｄ轉換功能，所以只需將被測信號標準化后引入ＭＡＸ１１５的四個通道引腳，然后通過軟件設置就可實現采樣／保持功能。在采樣／保持信號后，通過軟件對ＭＡＸ１１５的轉換管腳進行控制即可實現轉換功能。

　　３　電網數據的計算處理

　　電力調度控制系統中電壓有效值、電流有效值的計算公式如下：

　　上兩式中，ｎ為一個周期內的采樣次數，ｕ０～ｕｎ－１和Ｉ０～Ｉｎ－１分別為一個周期內各點電壓和電流的采樣值。由于實際變電站中的供電網絡是三相交流電，因此需要計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可計算出系統的有功功率Ｐ和無功功率Ｑ。公式如下：

　　要處理這么龐大的計算，使用普通的八位單片機

一般難以滿足系統的實時性要求。本系統使用的是十六位單片機８０Ｃ１９６ＫＢ。與八位單片機相比，十六位單片機克服了累加器瓶頸問題，它在內存中開辟出２３２個字節的空間作為通用寄存器使用，增加了數據存取的自由度，大大提高了工作效率。而且這些通用寄存器可以按字節、字、雙字存取，這也給計算帶來了很大方便。另外，８０Ｃ１９６ＫＢ的指令周期可達１２５ｎｓ，比八位單片機的１μｓ快得多。

　　４　硬件電路

　　４．１ ＭＡＸ１１５與８０Ｃ１９６ＫＢ的接口設計

　　ＭＡＸ１１５和８０Ｃ１９６ＫＢ的接口電路如圖１所示，圖中的ＭＡＸ１１５需要正、負電源供電。此外，ＭＡＸ１１５的Ａ／Ｄ輸出是１２位的，而此時８０Ｃ１９６ＫＢ的總線工作方式應是１６位的，故當ＭＡＸ１１５片選有效時ＣＳ為低，其總線寬度控制信號ＢＵＳＷＩＤＴＨ＝１總線寬度是１６位，否則讀取的數據將不正確；ＭＡＸ１１５的通道選擇是由Ａ０～Ａ３決定的，并可在采樣初始化時確定。在本模塊中，讀數時序可由ＨＳＩ．０控制。啟動轉換則可通過向一地址內寫入數據來實現。

　　４．２ 復位電路設計

　　本系統設計有軟件看門狗功能。但在程序實際運行時，光靠軟件看門狗防止程序運行死鎖或“跑飛”是不安全的，還需要有硬件看門狗電路來保證系統的安全復位和正常運行。硬件看門狗復位電路如圖２所示。

　　圖中，當系統上電時，三極管Ｔ１飽和導通，其集電極輸出低電平復位信號。而當系統穩定后，電容Ｃ１充電完畢，Ｔ１基極電流逐漸減小，直至Ｔ１截止，其集電極變為高電平，復位信號消失，系統進入正常工作狀態，此后，轉換器每次啟動轉換都要對計數器４０２４復位；而當系統出現故障，ＭＡＸ１１５不再轉換時，復位信號將無法對計數器４０２４復位，于是計數器開始計數，計滿后右邊的與非門Ｕ１２Ｂ將輸出高電平以使Ｔ２飽和導通，進而使集電極變為低電平，從而產生復位信號使系統復位。這樣，在程序運行出錯時就可很快地得到糾正。

　　５　軟件設計

　　圖３所示是本系統的軟件流程圖。程序運行時，可先用以下兩條語句啟動看門狗：

　　ＬＤＢ ＷＡＴＣＨＤＯＧ，＃１ＥＨ

　　ＬＤＢ ＷＡＴＣＨＤＯＧ，＃０Ｅ１Ｈ

　　然后判斷信號是否同步，不同步時等待，同步則啟動轉換，只要選中系統給ＭＡＸ１１５分配的地址即可。轉換結束后，由ＣＰＵ讀出結果并存放在外存儲器中，再進行下一次采樣轉換。這樣轉換三相電的一個周期信號后，便可計算出其電壓有效值、電流有效值、有功功率和無功功率，最后由單片機的串行口輸出計算結果。之后再進行下一個周期的處理，如此循環下去。

　　６　結束語

　　對電網參數進行監測是電力調度自動化管理系統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，芯片的功能也不斷增強，這使得提高系統工作的實時性成為可能。本文所述的基于ＭＡＸ１１５的電網數據采集和模／數轉換是對已使用多年的系統的改進。實驗結果表明，改進后系統的實時效果明顯增強，維護起來也更加方便。