基于光信號同步的相位測量方法

摘   要：本文介紹了一種用光信號同步的相位測量方法，著重描述了這種方法的特點、系統(tǒng)結構、工作原理和實現(xiàn)方法。運用這種方法可以構成一種新型的實用儀器。

關鍵詞：相位角；相位差；同步信號；光發(fā)射器；光接收器

引言

在電力繼電保護系統(tǒng)中，相位測量是一個經(jīng)常性項目，從傳統(tǒng)的“過零”法測量的情況看，要測量兩個交流信號的相位角，通常的做法是將兩個交流信號進行放大、整形，成為在過零點變化的方波，同時還要在一個回路中進行比較，進而測量出同頻信號的相位差(Δtx)這一主要參數(shù)。但是往往現(xiàn)場測量需要接入的信號比較多，這很容易引起接線的錯誤。此外，對線路進行相位測量時有多個回路信號接入設備，倘若在現(xiàn)場出現(xiàn)接線錯誤，或者儀器內部通道之間的隔離出現(xiàn)問題，很容易引起回路之間的短路，導致事故發(fā)生。

基于以上情況，必須從原理上改變傳統(tǒng)的測量方式以適應測試過程的需要。

圖1  測量部件的電路原理框圖

圖2  數(shù)據(jù)通信的時序關系

用光信號同步的

間接測量方法和結構

本設計采用了一種間接的測量方法，不需要將2個現(xiàn)場交流信號引入到同一個設備，即測量過程是分別在各個信號的回路獨立進行的。這種間接的測量方法的條件是必須有一個同步信號作為測量基準，這樣才能在各個獨立回路的測量回路之間建立起關聯(lián)，以便最后測量出Δtx和T0。在這里采用的是紅外光信號進行同步相位測量的方法，利用光信號作為同步信號源，不需要在電路上的連接關系就可以進行同步，同時還可以利用它作為數(shù)據(jù)通信的載體。

本系統(tǒng)包含一個主機和幾個測量部件。主機是系統(tǒng)的核心部分，而測量部件的數(shù)量取決于實際測量的需要(例如在測量六角圖時，就應該是6個測量部件)，主機是由MCS-51系列的AT89C51單片機為主體的部分，外圍電路比較簡單。它主要依靠一個光發(fā)射器和一個光接收器構成通信接口，單片機的輸出端經(jīng)過反相器驅動以后控制光發(fā)射器向測量部件發(fā)出調制光信號。而單片機的輸入直接與光接收器相連，光接收器把測量部件發(fā)來的調制光信號進行解調，單片機則可以通過程序識別編碼信號。光發(fā)射器主要用來啟動測量過程，而光接收器則實現(xiàn)主機與測量部件之間的數(shù)據(jù)通信。

每個測量部件也是一個由AT89C51單片機為核心的智能化的測量電路，其外圍部分主要包括光發(fā)射器、光接收器和測量電路(如圖1所示)。測量電路是由OP07組成的放大電路和LM311組成的整形電路組成，主要功能是將交流信號轉換為相應的方波信號。方波的輸出與單片機的I/O線相連接，利用單片機內部的定時/計數(shù)器，可以測量到相關的時間值，進而計算出相位角。光發(fā)射器和光接收器的作用主要是實現(xiàn)測量,同時完成與主機的雙向通信。

間接測量法的原理

主機一方面控制測量過程，向各個測量部件發(fā)出紅外光同步信號啟動測量，另一方面各個部件完成測量以后，通過紅外光通信將各個部件的測量數(shù)據(jù)匯總到主機，然后進行計算以確定被測參數(shù)，即引入三維變量的間接測量方式取代直接測量法。這種間接測量方式不再需要直接測量時差，只需建立每個參數(shù)和光同步信號之間的時間關系，再通過計算求出時差?；芈凡辉傩枰陔娐飞系倪B接，僅僅依靠一個光同步信號就能夠間接地測量到多個測量回路參數(shù)之間的相位關系。

這種方式的優(yōu)點在于：各個測量回路不再需要參考點的連接，回路相對獨立，分別測量各自的交流信號過零時刻與光同步信號之間的時間差，以作為相位測量的基本參數(shù)。它們之間的關聯(lián)不是靠電路形式的連接，而是依靠光信號，這樣就可以杜絕回路之間的短路發(fā)生，另外，還可以減少儀器的連線。光信號除了作為同步信號外，還作為數(shù)據(jù)傳輸通道，各個測量回路將測量數(shù)據(jù)通過光的傳輸，集中在主機部分最終完成參數(shù)的數(shù)值顯示。

工作過程

在一個測量周期開始，由主機控制光發(fā)射器發(fā)出一個同步紅外光信號，測量部件的光接收器都能在同一時刻接收到這一信號，各個測量部件的單片機會同時啟動進行各自的測量過程，完成測量過程后，再由各個部件的單片機依次將測量數(shù)據(jù)傳送回主機，主機單片機通過光接收頭，依次接收到各個測量部件的數(shù)據(jù)并匯總這些基本數(shù)據(jù)，最后通過計算后主機就顯示相應的數(shù)字值，至此完成一個測量周期。

主機部分

第一階段，主機光發(fā)射器發(fā)出同步光信號，啟動各個測量部件同時進入測量狀態(tài)，此時，單片機的P3.4/T0引腳設置為輸出狀態(tài)，當工作時會產(chǎn)生調制信號，經(jīng)過反相器74LS04驅動光電發(fā)送器，按照程序的約定這個信號是表示“啟動”的光信號，即通過該光信號向每個測量部件傳送開始測量的同步信號。

第二階段，每個測量部件同時進入測量，測量完成后再由各個部件依次將測量數(shù)據(jù)傳送回主機。主機對P3.3/INT1引腳的脈沖進行測量和程序識別，經(jīng)過解碼確定測量部件所發(fā)出的信號，完成“取回數(shù)據(jù)”的工作。

測量部分

每個測量部件電路結構如圖1所示，其中以UA1(OP07)為主的部分是信號放大器，例如在以鉗形電流作為對電流信號的測量時，輸入的電信號一般比較小，必須經(jīng)過放大處理。而以UA2(LM331)為主的部分則是過零比較電路，主要用于將信號轉換為過零變化的方波，這個方波的上升沿表示交流信號的過零點。在圖1中還包含光電耦合器SA1(TIL117)，它一方面進行電路隔離，同時還將方波信號轉換為TTL電平以便在單片機的P3.2(INT0)上進行測量，這個引腳設置為輸入狀態(tài)，利用軟件很容易對方波信號的上升(或下降)沿進行測量。與現(xiàn)有電路比較，其測量部分簡化了很多，傳統(tǒng)電路是對兩個回路的交流信號進行處理—即將兩個信號的過零點在一個設備中進行直接比較以確定出相位差(Δtx)。而該電路不再基于對兩個信號之間直接進行比較，且測量方法也發(fā)生了很大的改變，它是采用一個公共的光脈沖作為測量同步信號。

測量完成后由測量部件單片機的P3.4/T0引腳輸出開關量信號，經(jīng)過反相器74LS04驅動光電發(fā)送器，然后通過光信號向主機傳送每個測量部件的測量數(shù)據(jù)。由于對每個測量部件都進行了編號，各個測量部件的工作程序會依據(jù)本身序號依次向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。

工作時序

圖2描述了進行數(shù)據(jù)通信的時序關系，當光接收器輸出信號出現(xiàn)下降沿(即Ps=0)時，表示接收到主機的信號，上升沿到來時開始計時，而且以后的數(shù)據(jù)傳送也是以這個上升沿為參照標準。測量時間Txi +T0i 和Txj+T0j不大于40ms。對于第一個測量部件在同步信號啟動測量以后再延時TM1≥Txi +T0i就可以傳送數(shù)據(jù)了。為了可靠，本設計取TM1=50ms作為測量過程的延遲時間。設每次傳送數(shù)據(jù)的時間為TN，那么第二個測量部件傳送數(shù)據(jù)的延時就是第一個延遲時間加上TN，即：TM2= TM1+TN，后面的延時TM的計算依次類推。

主機會根據(jù)這個過程在其內部存儲區(qū)依次保存各個部分的測量數(shù)據(jù)，以便后來的計算和顯示。

結語

這種間接測量的方法是在傳統(tǒng)的測量方法基礎上的一種改進，光信號作為一個參照量被引入到測量過程，依靠計算機的控制、存儲、運算和處理等功能，得到最終的參數(shù)數(shù)據(jù)。由于這種方法依靠光信號作為同步和數(shù)據(jù)傳輸，多個測量回路不再需要在電路上的直接連接，而是獨立進行，這對于解決實際問題來說非常有用。