基於單片機控制的帶鎖相環三路智能 同步採集卡設計

電力系統是數據採集系統的主要應用領域之一，隨著電力系統進一步朝著「大電網、大容量、大機組」的方向發展，發、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、輸、配」環節對相應的自動裝置、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。而數據採集子（卡）系統作為這些裝置的「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運行的「穩定性、安全性」。電力系統中被測參數的特點：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——主要是指一些幹擾性及故障性信號（如：電力傳輸線上浪湧電流、尖峰電壓等），同時現場幹擾信號多而複雜。因此，對數據採集子系統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場信號採集的需要，還要求其應逐步實現「數位化、智能化、自動化」以滿足採集系統實現「高精度、高速度、高可靠性、多功能、多參數測量」等高性能採集和處理的要求。基於上述要求和目標，結合電力系統繼電保護裝置特點，作者在「三路同步採集卡」設計過程中，在系統結構和採集技術上作了大膽的探索和嘗試：在系統結構上採用了性價比較為合理的「串並行結構」充分利用單片機體積小、結構簡單、現場適應能力強的優點以及其豐富的硬、軟體資源及卓越的性能優勢，使其實現了系統結構「微型、靈活」及測試過程自動化的要求；而在採集技術上依據被採信號的特點（三路頻率相同）引入了鎖相環技術實現了對採集信號頻率的自動跟蹤和系統採集速率的自動變換等；同時採用了軟體實現抗幹擾的方式——「數字濾波和設置陷阱技術」，從而提高了系統的抗幹擾性能。通過測試表明：該「智能採集卡」滿足了設計指標的要求，性能穩定且可靠。

1 系統結構及原理

1.1 系統結構圖

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/21054.htm

根據系統設計指標及現場測試的需要，本系統採用串並行結構（見圖１），同時考慮到遠程傳輸和數據處理的需要，本採集卡利用單片機的串行通訊口並配以相應接口可直接掛接到系統總線上以實現與上位機的實時通訊。

1.2 系統基本原理

與通常的數據採集系統相比，該系統中引入了鎖相環技術以實現三路信號的同步採集和採集速率的自動調節；另通過多路開關的有機組合在實現三路分時轉換的同時也實現了雙極性ａ／ｄ轉換器量程的自動轉換，從而提高了系統的靈活性和適應能力。

1.2.1 鎖相環技術

鎖相環技術也稱自動相位控制技術，於２０世紀３０年代發展起來，現已廣泛應用於通信、電子、測控等領域，其結構組成見圖２,主要由相位比較器（ｐｄ亦稱鑑相器），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，產生一個與二者相位差成正比的誤差電壓ｖφ（ｔ），ｖφ（ｔ）再經由ｌｐｆ濾波（濾除高頻分量），得到控制電壓ｖｄ（ｔ），並加到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ｖｉ（ｔ）、ｖｏ（ｔ）兩信號的頻率相同而相位差保持恆定（同步），即實現頻率自動跟蹤和相位鎖定。

1.2.2 集成鎖相環ｃｄ４０４６

鎖相環技術儘管出現於２０世紀３０年代，但由於組成鎖相環的是一些分離元件，因此使其成本高且性能低；同時由於其它一些技術等因素的影響，極大地限制了其大範圍的應用（早期主要應用於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展，使得製作低成本、高性能集成鎖相環電路／晶片得以實現。現在，鎖相環技術得到了快速發展，如今已廣泛應用於工業、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晶片ｃｄ４０４６，由於其集成度高、性價比高、多功能、易組合等優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的輸出可以經由一除法器進行ｎ分頻後，再送至相位比較器ⅰ，並進而與ｖｉ進行相位比較，最後使ｆ２′＝ｆ１，二者的相位差恆定，從而實現鎖相。由於ｆ２′＝ｆ２／ｎ＝ｆ１，可推得：ｆ２＝ｎｆ１，由此表明：儘管從局部看使用除法器完成的是分頻，但就鎖相環整體而言卻是實現ｎ倍頻。本文作者正是利用ｃｄ４０４６的這一特性並配以三片可編程計數器晶片ｍｃ１４５２２　構成１２０倍頻器（見圖４），從而實現三路信號在一個周波內完成１２０點同步採集。

2 系統設計

2.1 硬體設計

結合上述圖１所示的系統硬體結構組成框圖及測試性能要求，本系統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（並擴展了一片ｅｐｒｏｍ－２７６４），ａ／ｄ轉換器採用性價比較高且內含由三態緩衝器和鎖存器的１２位ａｄ１６７４集成晶片通過三片採樣／保持器新片ｌｆ３９８以及多路轉換開關ｃｄ４０５１和ｃｄ４０５２的有機組合實現三路信號的同步採集以及ａｄ１６７４分時轉換和量程的自動改變１２０倍頻器由ｃｄ４０４６集成鎖相環晶片和整型放大器４０６９及三片可編程計數器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。其硬體接線結構圖見圖４。

2.2 120分頻器設計

根據系統要求（在一個周期內完成三路共１２０點採集），本系統選用了鎖相環晶片ｃｄ４０４６和三片可編程計數器晶片（ｍｃ１４５２２），其中三片ｍｃ１４５２２按圖５所示接線圖連接。圖中個位所示計數器晶片的輸入端（ｃｐ端）接從第三路取樣後經４０６９放大器放大、濾波、整形後的輸出信號而其輸出接４０４６的ｐｈｉ１端。總的分頻係數ｎ＝１００ｎ１＋１０ｎ２＋ｎ３，因此，只需給三片計數器置以相應的計數值便可實現相應的分頻係數。本系統要求ｎ＝１２０，根據接線圖可以分別向百位／十位／個位置計數值１、２、０（即通過單片機向其數據輸入端送二進位０００１、００１０、００００）便可實現１２０倍的分頻，而對於整個鎖相環來說則實現了１２０倍頻。

2.3 軟體設計

系統軟體部分主要是系統主程序、採集子程序、通訊子程序和數字濾波子程序等設計，其中採集子程序作為中斷子程序存在；數字濾波採用遞推中值算法；所有程序採用ｃ語言編寫。

數據採集技術作為一門基礎性和綜合性相結合的技術，在當今迅速發展的資訊時代裡起著「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、控制技術的快速發展在大力推動數據採集技術發展和大範圍應用的同時，也對實現數據採集技術的載體——數據採集子系統提出新的和更高的要求：使其進一步朝著微型化、智能化、柔性化方向發展。為此，結合電力系統參數測試的特點和要求，本文作者在設計「三路快速、高精度同步採集卡」過程中，圍繞以提高系統性能的目標從系統結構和採集技術兩方面都進行了大膽的探索和嘗試。經過測試表明：該「智能採集卡」性能穩定可靠，並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。