一種實(shí)時(shí)性較強的采樣頻率同步實(shí)現方法

摘 要： 分析了工頻頻率變化對計算電量有效值的數字化測量精度的影響及產(chǎn)生采樣頻率誤差的原因，給出用單片機Intel80C196的高速輸入接口及軟件定時(shí)器實(shí)現采樣頻率跟蹤的方法，并給出硬件電路結構及軟件框圖。

關(guān)鍵詞： 采樣頻率 同步 單片機

隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，電力計量表計繼電保護等電力自動(dòng)裝置也越來(lái)越智能化。而這些裝置中，大多都用的是交流采樣。交流采樣的過(guò)程多數是：由系統二次回路來(lái)的電壓（或電流），經(jīng)過(guò)二次PT（或CT）等變送到A／D適合的電壓后，由CPU控制A／D以一定的采樣頻率進(jìn)行模數轉換，獲得離散的采樣數據，經(jīng)過(guò)離散傅立葉變換（DFT)，計算出基波有效值及各次諧波值，進(jìn)而實(shí)現其它功能。進(jìn)行DFT計算過(guò)程如下：

若每周期采樣Ｎ的離散采樣系統，則其基波電壓（或電流）的有效值、實(shí)部有效值、虛部有效值分別為：

其中 N——每周波的采樣點(diǎn)數；

Xn——第n個(gè)采樣數值。

上述計算能準確表達有效值的條件是：每周波的Ｎ個(gè)采樣點(diǎn)是均勻分布在每個(gè)工頻周期內。但在電力自動(dòng)裝置中，采樣頻率多是由通過(guò)設置CPU定時(shí)器分頻系數來(lái)完成，該定時(shí)器的時(shí)鐘源是cpu系統的晶振決定，采樣頻率是固定的。但是，即使已經(jīng)按照準確的工頻頻率（50Hz）計算出符合上述計算要求的采樣頻率，由于電力系統的頻率是有變化的，而且在故障錄波裝置，繼電保護裝置產(chǎn)品的檢測中，也要考核在頻率變化情況下裝置的反應情況，如：有關(guān)國家檢測標準中，要檢查錄波裝置在低頻條件下的反映情況。因此，按照固定的采樣頻率采集的數據，計算結果也就難免出現誤差，因此就有可能引起測量精度的下降，或自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。

１ 頻率變化對計算值的影響

此處的頻率既是指采樣頻率，又指電力系統的工頻，因為二者之一發(fā)生變化，都會(huì )影響采樣后有效值的計算。假定采樣頻率固定為1kHz（即對應于50Hz信號為每周波20點(diǎn)采樣），信號的有效值為60V，對應于有46～54Hz頻率的等幅值輸入量，引用公式（１）、（２）、（３）進(jìn)行全周波付氏濾波進(jìn)行計算，產(chǎn)生結果的相對誤差如表1所示。

顯然，頻率的變化對計算有效值的影響較大。產(chǎn)生這一問(wèn)題的原因就在于每周波的Ｎ個(gè)采樣點(diǎn)不是均勻分布在每個(gè)工頻周期內。要解決這一問(wèn)題，文獻[1]中給出了“參數自尋優(yōu)等間隔同步采樣法”。應該說(shuō)，對于慢速的儀表檢測裝置來(lái)說(shuō)該方法是很合適的。但由于其計算過(guò)程比較復雜，且每周波的采樣點(diǎn)數及頻率都在變化，對于適時(shí)性要求高，離散采樣數據在后臺處理裝置（如：電力系統動(dòng)態(tài)記錄裝置），就不能滿(mǎn)足要求。因此，在精度滿(mǎn)足要求的情況下，可只采用其中的一種方法：固定采樣點(diǎn)數，根據單片機測量適時(shí)的工頻周期，適時(shí)調整采樣間隔。目前，有相當部分電力自動(dòng)裝置中采用Intel80C196單片機作為CPU，本文就以Intel80C196為例介紹實(shí)現采樣頻率跟蹤的方法。

２ 硬件電路構成及實(shí)現原理

考慮到系統的頻率不是變化很快，要實(shí)現采樣頻率隨系統工頻的變化而適時(shí)調整，可先測得系統的頻率前一周期對應的計數值Tc（以單片機系統的定時(shí)器時(shí)鐘周期為單位，以下同），然后根據每周波采樣點(diǎn)數（N），適時(shí)計算出每一采樣間隔計數值Tsj：

間隔計數值：

則以Tsj為周期進(jìn)行采樣，即可實(shí)現采樣頻率的適時(shí)跟蹤。為實(shí)現這一過(guò)程，擬采用如圖1所示的電路結構：來(lái)自母線(xiàn)電壓互感器的Ａ相電壓經(jīng)過(guò)小PT降壓隔離、低通濾波，經(jīng)過(guò)零比較器整形成方波，經(jīng)光耦送到Intel80C196的高速輸入接口HSI.0，利用方波的上升沿觸發(fā)高速輸入中斷，測得每個(gè)工頻周期計數值Tc。經(jīng)過(guò)單片機的分析計算，經(jīng)式（4）得到采樣間隔時(shí)間Tsj。以Tsj為時(shí)間間隔，設置軟件定時(shí)器中斷。在軟件定時(shí)器中斷中進(jìn)行數據采集控制等，完成采樣頻率的適時(shí)跟蹤。

３ 軟件流程

在進(jìn)行軟件設計時(shí)，應當充分利用80C196單片機的特點(diǎn)：高速輸入（HSI）接口及軟件定時(shí)器。前者用于整形后的方波上升沿檢測，用高速輸入中斷進(jìn)行系統周期的測量。后者用于產(chǎn)生以計算出的適時(shí)采樣間隔Ts為周期的軟件定時(shí)器中斷，以進(jìn)行A／D采集控制。

軟件由兩部分組成：主程序、高速輸入（HSI）中斷程序及HS0軟件定時(shí)器中斷，流程圖見(jiàn)圖2～圖4。

主程序主要完成初始化及其它應用功能。在初始化時(shí)，應當設置采樣時(shí)間間隔的缺省計數值Td。主要用于因測頻用的電量不正常，不能正確測量電力系統的頻率時(shí)，使用該缺省值作為采樣間隔計數Tsc，即Tsj＝Td 。該缺省值的計算方法可以參考下例：

假定系統頻率為50Hz（即周期為20000μｓ)；

每周波的采樣點(diǎn)數為20點(diǎn)；

80C196的系統晶振為16MHz，以定時(shí)器1作為時(shí)間基準，則計數周期為1μｓ，參見(jiàn)文獻[2]。

則采樣點(diǎn)間隔的時(shí)間為：

20000μｓ／20＝1000μｓ

采樣時(shí)間間隔的缺省計數值為：

Td＝1000μｓ／1μｓ＝1000

高速輸入中斷程序首先讀出當前的高速輸入計數值Tnew，計算與上次計數值Told之差，獲得適時(shí)工頻周期Tc，再對Tc的數值范圍進(jìn)行判斷，以確認該值的有效性。在判斷Tc的有效性，可參考如下方法：考慮一般系統的頻率波動(dòng)范圍，如45～55Hz對應Tc范圍及兩次測量值之差來(lái)確定（因為正常系統頻率不可能突變）。最后用（4）式并考慮進(jìn)入中斷程序所需要的20個(gè)狀態(tài)周期，計算出適時(shí)采樣間隔時(shí)間Tsj。

進(jìn)入HS0軟件定時(shí)器中斷后，首先要做的是預置下次進(jìn)入中斷的時(shí)間Tsj。然后進(jìn)行A／D轉換的控制及其它需要每個(gè)采樣間隔所做的處理。應當指出的是，由于軟件定時(shí)器中斷優(yōu)先級高于高速輸入中斷，因此，采樣控制不會(huì )受到高速輸入中斷的影響。另外，此處A／D控制可以是80C196內部的片內A／D，也可以控制擴展A／D。視實(shí)際的需要而定。

本文所提出的采樣頻率同步方法，已成功用于我們所開(kāi)發(fā)的微機電力故障錄波器及RTU自動(dòng)裝置中。錄波器中使用采樣頻率跟蹤的使用實(shí)測結果見(jiàn)表2。雖然比文獻[1]中的方法計算結果誤差大些，但全在一般裝置誤差允許范圍內（＜0.5％），能有效地抵消電力系統頻率變化對裝置測量精度的影響，因此，能夠滿(mǎn)足一般儀器裝置的要求。其具有跟蹤調整簡(jiǎn)單，適時(shí)性強的特點(diǎn)，是一種比較實(shí)用的方法。采用其它CPU的自動(dòng)裝置可采用類(lèi)似原理來(lái)實(shí)現采樣頻率同步跟蹤。