基于單片機控制的帶鎖相環(huán)三路智能 同步采集卡設計
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電力系統是數據采集系統的主要應用領(lǐng)域之一，隨著(zhù)電力系統進(jìn)一步朝著(zhù)“大電網(wǎng)、大容量、大機組”的方向發(fā)展，發(fā)、輸、配電過(guò)程要求高度自動(dòng)化已成為不可逆轉的趨勢。因此，其對應的“發(fā)、輸、配”環(huán)節對相應的自動(dòng)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。而數據采集子（卡）系統作為這些裝置的“排頭兵”，其性能直接影響著(zhù)這些裝置的整體性能，同時(shí)也在一定程度上影響著(zhù)整個(gè)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(diǎn)：１）大都是周期性電量；２）實(shí)時(shí)性變量；３）同步性變量——主要指對稱(chēng)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(xiàn)上浪涌電流、尖峰電壓等），同時(shí)現場(chǎng)干擾信號多而復雜。因此，對數據采集子系統不僅要求結構上應進(jìn)一步小型化、靈活化、專(zhuān)用和通用的有機結合以適應不同現場(chǎng)信號采集的需要，還要求其應逐步實(shí)現“數字化、智能化、自動(dòng)化”以滿(mǎn)足采集系統實(shí)現“高精度、高速度、高可靠性、多功能、多參數測量”等高性能采集和處理的要求?；谏鲜鲆蠛湍繕?，結合電力系統繼電保護裝置特點(diǎn)，作者在“三路同步采集卡”設計過(guò)程中，在系統結構和采集技術(shù)上作了大膽的探索和嘗試：在系統結構上采用了性?xún)r(jià)比較為合理的“串并行結構”充分利用單片機體積小、結構簡(jiǎn)單、現場(chǎng)適應能力強的優(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(shí)現了系統結構“微型、靈活”及測試過(guò)程自動(dòng)化的要求；而在采集技術(shù)上依據被采信號的特點(diǎn)（三路頻率相同）引入了鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現了對采集信號頻率的自動(dòng)跟蹤和系統采集速率的自動(dòng)變換等；同時(shí)采用了軟件實(shí)現抗干擾的方式——“數字濾波和設置陷阱技術(shù)”，從而提高了系統的抗干擾性能。通過(guò)測試表明：該“智能采集卡”滿(mǎn)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://dyxdggzs.com/article/21054.htm根據系統設計指標及現場(chǎng)測試的需要，本系統采用串并行結構（見(jiàn)圖１），同時(shí)考慮到遠程傳輸和數據處理的需要，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總線(xiàn)上以實(shí)現與上位機的實(shí)時(shí)通訊。
1.2 系統基本原理
與通常的數據采集系統相比，該系統中引入了鎖相環(huán)技術(shù)以實(shí)現三路信號的同步采集和采集速率的自動(dòng)調節；另通過(guò)多路開(kāi)關(guān)的有機組合在實(shí)現三路分時(shí)轉換的同時(shí)也實(shí)現了雙極性ａ／ｄ轉換器量程的自動(dòng)轉換，從而提高了系統的靈活性和適應能力。
1.2.1 鎖相環(huán)技術(shù)
鎖相環(huán)技術(shù)也稱(chēng)自動(dòng)相位控制技術(shù)，于２０世紀３０年代發(fā)展起來(lái)，現已廣泛應用于通信、電子、測控等領(lǐng)域，其結構組成見(jiàn)圖２,主要由相位比較器（ｐｄ亦稱(chēng)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(gè)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(shí)現ｖｉ（ｔ）、ｖｏ（ｔ）兩信號的頻率相同而相位差保持恒定（同步），即實(shí)現頻率自動(dòng)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(shí)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(zhù)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(shí)現?，F在，鎖相環(huán)技術(shù)得到了快速發(fā)展，如今已廣泛應用于工業(yè)、通信等領(lǐng)域。作為目前國內外最具代表性也是最常見(jiàn)的集成鎖相環(huán)芯片ｃｄ４０４６，由于其集成度高、性?xún)r(jià)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(jiàn)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(shí)現鎖相。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(shí)現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器芯片ｍｃ１４５２２ 構成１２０倍頻器（見(jiàn)圖４），從而實(shí)現三路信號在一個(gè)周波內完成１２０點(diǎn)同步采集。
2 系統設計
2.1 硬件設計
結合上述圖１所示的系統硬件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（并擴展了一片ｅｐｒｏｍ－２７６４），ａ／ｄ轉換器采用性?xún)r(jià)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(guò)三片采樣／保持器新片ｌｆ３９８以及多路轉換開(kāi)關(guān)ｃｄ４０５１和ｃｄ４０５２的有機組合實(shí)現三路信號的同步采集以及ａｄ１６７４分時(shí)轉換和量程的自動(dòng)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(xiàn)結構圖見(jiàn)圖４。
2.2 120分頻器設計
根據系統要求（在一個(gè)周期內完成三路共１２０點(diǎn)采集），本系統選用了鎖相環(huán)芯片ｃｄ４０４６和三片可編程計數器芯片（ｍｃ１４５２２），其中三片ｍｃ１４５２２按圖５所示接線(xiàn)圖連接。圖中個(gè)位所示計數器芯片的輸入端（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(shí)現相應的分頻系數。本系統要求ｎ＝１２０，根據接線(xiàn)圖可以分別向百位／十位／個(gè)位置計數值１、２、０（即通過(guò)單片機向其數據輸入端送二進(jìn)制０００１、００１０、００００）便可實(shí)現１２０倍的分頻，而對于整個(gè)鎖相環(huán)來(lái)說(shuō)則實(shí)現了１２０倍頻。
2.3 軟件設計
系統軟件部分主要是系統主程序、采集子程序、通訊子程序和數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；數字濾波采用遞推中值算法；所有程序采用ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)。
數據采集技術(shù)作為一門(mén)基礎性和綜合性相結合的技術(shù)，在當今迅速發(fā)展的信息時(shí)代里起著(zhù)“基礎性和導向”作用，而隨著(zhù)信息技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)的快速發(fā)展在大力推動(dòng)數據采集技術(shù)發(fā)展和大范圍應用的同時(shí)，也對實(shí)現數據采集技術(shù)的載體——數據采集子系統提出新的和更高的要求：使其進(jìn)一步朝著(zhù)微型化、智能化、柔性化方向發(fā)展。為此，結合電力系統參數測試的特點(diǎn)和要求，本文作者在設計“三路快速、高精度同步采集卡”過(guò)程中，圍繞以提高系統性能的目標從系統結構和采集技術(shù)兩方面都進(jìn)行了大膽的探索和嘗試。經(jīng)過(guò)測試表明：該“智能采集卡”性能穩定可靠，并具有較好的柔性和智能性，較好地滿(mǎn)足了設計指標和測試的要求。
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