基于單片機(jī)控制的帶鎖相環(huán)三路智能同步采集卡設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，隨著電力系統(tǒng)進(jìn)一步朝著“大電網(wǎng)、大容量、大機(jī)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(zhuǎn)的趨勢(shì)。因此，其對(duì)應(yīng)的“發(fā)、輸、配”環(huán)節(jié)對(duì)相應(yīng)的自動(dòng)裝置、繼電保護(hù)裝置、故障檢測(cè)及診斷裝置等性能提出了更新更高的要求。而數(shù)據(jù)采集子(卡)系統(tǒng)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(shí)也在一定程度上影響著整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的“穩(wěn)定性、安全性”。

電力系統(tǒng)中被測(cè)參數(shù)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(duì)稱三相電壓、電流等;

4)變化快、隨機(jī)性強(qiáng)——主要是指一些干擾性及故障性信號(hào)(如：電力傳輸線上浪涌電流、尖峰電壓等)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)多而復(fù)雜。因此，對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)不僅要求結(jié)構(gòu)上應(yīng)進(jìn)一步小型化、靈活化、專用和通用的有機(jī)結(jié)合以適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集的需要，還要求其應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化”以滿足采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“高精度、高速度、高可靠性、多功能、多參數(shù)測(cè)量”等高性能采集和處理的要求。基于上述要求和目標(biāo)，結(jié)合電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置特點(diǎn)，作者在“三路同步采集卡”設(shè)計(jì)過(guò)程中，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采集技術(shù)上作了大膽的探索和嘗試：在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用了性價(jià)比較為合理的“串并行結(jié)構(gòu)”充分利用單片機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)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(shì)，使其實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“微型、靈活”及測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化的要求;而在采集技術(shù)上依據(jù)被采信號(hào)的特點(diǎn)(三路頻率相同)引入了鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤和系統(tǒng)采集速率的自動(dòng)變換等;同時(shí)采用了軟件實(shí)現(xiàn)抗干擾的方式——“數(shù)字濾波和設(shè)置陷阱技術(shù)”，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。通過(guò)測(cè)試表明：該“智能采集卡”滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，性能穩(wěn)定且可靠。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需要，本系統(tǒng)采用串并行結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，同時(shí)考慮到遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)處理的需要，本采集卡利用單片機(jī)的串行通訊口并配以相應(yīng)接口可直接掛接到系統(tǒng)總線上以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊。

1.2 系統(tǒng)基本原理

與通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)中引入了鎖相環(huán)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)的同步采集和采集速率的自動(dòng)調(diào)節(jié);另通過(guò)多路開(kāi)關(guān)的有機(jī)組合在實(shí)現(xiàn)三路分時(shí)轉(zhuǎn)換的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了雙極性A/D轉(zhuǎn)換器量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，從而提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)能力。

1.2.1 鎖相環(huán)技術(shù)

鎖相環(huán)技術(shù)也稱自動(dòng)相位控制技術(shù)，于20世紀(jì)30年代發(fā)展起來(lái)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通信、電子、測(cè)控等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2,主要由相位比較器(PD亦稱鑒相器)，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(xiàn)Vi(t)、Vo(t)兩信號(hào)的頻率相同而相位差保持恒定(同步)，即實(shí)現(xiàn)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(xiàn)于20世紀(jì)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(yīng)用(早期主要應(yīng)用于電視接收機(jī)的行掃描電路和供色度信號(hào)解調(diào)的副載波振蕩電路等)，直到20世紀(jì)70年代初期，隨著微電子技術(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(xiàn)?，F(xiàn)在，鎖相環(huán)技術(shù)得到了快速發(fā)展，如今已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通信等領(lǐng)域。作為目前國(guó)內(nèi)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、性價(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。