GPS在PCI同步數據采集卡中的應用

　　摘要：介紹的功角測量數據采集卡是采用Cygnal公司C8051F021型單片機實(shí)現的PCI總線(xiàn)接口卡。該卡通過(guò)2片雙口RAM分別實(shí)現與GPS接收板和上位機（PC）的數據交換，從而實(shí)現高速、可靠的數據采集、處理與傳送。本數據采集卡采用片內12位高速ADC并配以片外采樣保持電路，通過(guò)直接交流采樣方法精確快速地實(shí)現對電壓和電流的采樣，保證了電力系統實(shí)時(shí)測量的要求。

    關(guān)鍵詞：C8051F021 PCI GPS 功角 雙口RAM 交流采樣

1 引言

　　國家電力公司陸延昌副總經(jīng)理在第26屆中國電網(wǎng)調度運行全閉幕式上的講話(huà)中指出了今后一段時(shí)期內的電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展上應重點(diǎn)研究和解決的問(wèn)題，其中，在電網(wǎng)安全、穩定、經(jīng)濟運動(dòng)領(lǐng)域，互聯(lián)電力系統實(shí)時(shí)功角測量受到越來(lái)越的關(guān)注。特別是在以監控中目的的電力調度自動(dòng)化系統中，如何快速、準確地采集處理各種電氣參數顯得尤為重要。而在實(shí)現自動(dòng)化的過(guò)程中，首要環(huán)節就是數據采集。為此我們研究開(kāi)發(fā)了電力系統功角廣域測控系統，其中，用C8051F021型單片機實(shí)現的數據采集卡不僅可以準確、高效、實(shí)時(shí)地進(jìn)行AD數據采集并通過(guò)雙口RAM和PCI接口與上位機交換數據，還可以通過(guò)與GPS接收通信接收秒脈沖實(shí)現采集數據異地同步。

2 功角及其測量

2．1 發(fā)電機的功角

　　發(fā)電機通過(guò)變壓器、輸出線(xiàn)路與無(wú)限大容量系統母線(xiàn)聯(lián)接組成的輸電系統如圖1所示。

　　若圖中G為隱極式發(fā)電機，則發(fā)電機輸出的有功功率為

　　上式也稱(chēng)作發(fā)電機的功率特性。式中Xd∑=Xd+XTL，其中Xd為發(fā)電機d軸等值電抗，XTL為發(fā)電機與無(wú)限大系統間的聯(lián)系電抗，Eq為發(fā)電機的空載電勢，V、I為系統參考母線(xiàn)電壓和電流，ψ為母線(xiàn)電壓與電流間的相位差。當發(fā)電機的電勢Eq和受端電壓V均恒定時(shí)，傳輸功率P是角度δ的正弦函數，角度δ為Eq與V之間的相位差角。因功率P的大小與δ角度切相關(guān)，因此稱(chēng)δ為“功率角”或“功角”。

2．2 功角的測量

　　對于隱極發(fā)電機和凸極發(fā)電機，其電壓和電流矢量圖如圖2（a）、（b）所示，由矢量圖可知功角δ的計算公式為

　　式中，Xq∑=Xq+XTL，其中Xq為發(fā)機橫軸電抗。對于確定的系統，Xd∑和Xq∑均為常數，因此在用計算機測量時(shí)，只需測出系統母線(xiàn)處的電壓V、電流I及功率因數角，便可由（2）式和（3）式算出功角。此外，描述電力系統受到大干擾后的機電暫態(tài)過(guò)程是一組非線(xiàn)性微分方程式，不能進(jìn)行線(xiàn)性化，所以一般采用數值積分法（如歐拉法、龍格-庫塔法、隱式積分法）的時(shí)域分析方法，將計算結果是繪制成運行參數（如功角）對時(shí)間的曲線(xiàn)，用以判別電力系統暫態(tài)穩定性。上述的計算及曲線(xiàn)緩制都是基于電力系統交流信號的精確采集才能實(shí)現的。

　　本數據采集卡就是通過(guò)交流采樣將3相電壓、電流分別經(jīng)6路通道采集到計算機進(jìn)行處理，即對于交流信號不經(jīng)過(guò)電量變換器，直接將互感器（PT/CT）二次測的電壓電流再經(jīng)一級高精度PT、CT轉換為計算機可測量的小信號（本數據采集卡為-2.5V～+2.5V），然后經(jīng)A/D變換后送入計算機進(jìn)行處理，計算出電壓電流有效值及功率因數角等電氣參數并進(jìn)而得到功角值及其隨時(shí)間變化的情況，提供給電力調度監控中心進(jìn)行電力系統穩定性的監控。

3 采集卡硬件設計

　　本采集卡主要由C8051F021、A/D濾波采樣保持電路、雙口RAM、GPS接口、PCI接口等部分組成。從現場(chǎng)PT、CT過(guò)來(lái)的電壓及電流經(jīng)隔離互感器隔離變換后輸入數據采集卡，然后經(jīng)過(guò)二階濾波器至A/D轉換器前置通道。單片機通過(guò)GPS接口和雙口RAM取得精確的秒脈沖和相應時(shí)間（年、月、日、時(shí)、分、秒）并實(shí)現對信號的同步采集，轉換后得到的數字量再由另外一個(gè)雙口RAM和PCI接口送往上位機進(jìn)行處理。系統的結構框圖如圖3所示。

    本采集卡采用Cygnal公司的C8051F021型單片機，該系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片（System On Chip），具有與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內核；峰值速度可達25MI/S；在一個(gè)芯片內集成了構成一個(gè)單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件（包括可編程增益放大器PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、UART、定時(shí)器、可編程計數器/定時(shí)器陣列PCA等）。其指令周期為83ns(3.3V,12MHz)；具有大容量的可在系統（ISP）和在應用（IAP）編程的FLASH存儲器；支持符合IEEE 1194.1標準的JTAG調試和邊界掃描，可進(jìn)行非侵入式、全速的在系統調試。由于C8051F型單片機與其他8位單片機和比具有更為優(yōu)異的性能，所以一面世就成為很多測控系統設計的首選機型。

　　ADC轉換器采用片內12位、100ks/s的ADC，每次轉換僅需10μs，完全滿(mǎn)足系統對實(shí)時(shí)性和快速性的要求。F021型單片機ADC有8個(gè)外部輸入，基準電壓可由內部或外部提供（2.5V），可編程為單端輸入或差分輸入且帶可編程放大器增益，本采集卡使用6路單端輸入以完成對3相電壓、電流的同步采集。因為ADC采用單端輸入時(shí)只能對0～2.5V的信號進(jìn)行AD轉換，所以對由PT、CT送來(lái)的-2.5V～+2.5V正弦交流信號需在A(yíng)/D轉換的前置通道加一直流偏置電壓2.5V，使得輸入信號幅值為0V～5V，該信號現經(jīng)片內可編程增益入大器衰減為0V～2.5V，進(jìn)而完成A/D轉換。采集時(shí)通過(guò)采集程序發(fā)出采樣保持命令使采樣/保持器保持采集瞬間的值，采集的瞬時(shí)信號經(jīng)過(guò)模擬通道開(kāi)關(guān)選擇進(jìn)入衰減電路，再經(jīng)過(guò)A/D轉換器轉換成12位并行數據輸出到雙口RAM供上位機讀入處理。

　　雙口RAM采用的是32k、8位高速I(mǎi)DT7007S，單片機和上位機可分別從雙口RAM兩邊同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作（但不可同時(shí)對同一地址單元寫(xiě)數據），且該雙口RAM的存取操作時(shí)間最長(cháng)僅需55ns，因此，通過(guò)雙口RAM極大地提高了單片機與上位機交換數據的速度，從而為該數據采集卡在電力系統測控領(lǐng)域中的應用提供了保證。

    PCI接口主要由PCI接口CH365完成。CH365是一個(gè)連接PCI總線(xiàn)的通用接口電路，支持I/O端口映射、存儲器映射、擴展ROM及中斷。本采集卡主要使用CH365的存儲器映射功能，將32位高速PCI總線(xiàn)轉換為8位數據、16位地址主動(dòng)并行接口。CH365可以通過(guò)雙端口存儲器與外部的單片機或者DSP交換數據，然后將數據傳送到上位機做進(jìn)一步處理。如果將CH365的讀寫(xiě)選通脈沖的寬度設定為30ns，并且使用雙字為單位進(jìn)行數據交換，則數據傳輸的實(shí)測速度可以達到每秒7M字節。PCI總線(xiàn)與其他主流總線(xiàn)相比，速度更快、實(shí)時(shí)性更好、可控性更佳，所以CH365特別適用于高速實(shí)時(shí)I/O控制卡、通訊接口卡和數據采集卡等。

　　除了上述有關(guān)數據采集處理的速度、精度、實(shí)時(shí)傳送等方面的考慮外，本采集卡還考慮了各路依賴(lài)的異地同步采集，在設計中采用了GARMIN公司的GPS接收板（GPS Receiver Board）GPS15L,通過(guò)衛星精密授時(shí)功能，由衛星提供的精確秒脈沖實(shí)現異地同步采集。該接收板最少接收11顆衛星的信號，專(zhuān)用集成電路和處理軟件能從接收到的信息中提取并輸出二種時(shí)間信號：一是秒脈沖1PPS，其與協(xié)調世界時(shí)UTC（國際標準時(shí)間）的同步誤差不超過(guò)1μs；二是經(jīng)串行口輸出的與1PPS脈沖前沿對應的標準時(shí)間碼（年、月、日、時(shí)、分、秒），即1PPS的“時(shí)間標記”。電力系統內部的各個(gè)送端和受端的分布廣泛分散，基順各端安裝一臺GPS接收機，則GPS的全球性和高精度就能保證各地時(shí)間信號與UTC的相對誤差都不超過(guò)1μs。這種全球范圍內的高精度時(shí)間同步在電力系統檢測和測量中有極高的利用價(jià)值。本數據采集卡就是通過(guò)GPS接收板提供的秒脈沖和其時(shí)間標記來(lái)進(jìn)行異地同步數據采集的，實(shí)踐證明其效果是理想的。

4 采集卡軟件設計

　　本采集卡的軟件程序主要包括與GPS接收板的串口通信程序、與上位機通信的PCI接口程序及數據采集和處理程序。軟件流程圖如圖4所示。

　　采集卡可通過(guò)雙口RAM與上位機通信以改變采樣點(diǎn)數、采樣頻率，將一個(gè)工頻周期等分成40～256個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，然后對采樣點(diǎn)進(jìn)行數值轉換處理并發(fā)送上位機進(jìn)一步處理，如電壓、電流及功角的幅值、曲線(xiàn)顯示監視及進(jìn)而在系統發(fā)生故障時(shí)及時(shí)作出相應的控制措施。

    本采集卡的特點(diǎn)如下：