基于AVR單片機的新型自動準同期裝置的設(shè)計

前言

自動準同期裝置在電力系統(tǒng)并網(wǎng)中有著十分重要的作用。本文采用ATMEGA128單片機為處理器，開發(fā)一種主要用于機組同期操作的自動準同期裝置，該裝置能自動檢測系統(tǒng)側(cè)和對象側(cè)的壓差、頻差和相差，進行同期操作。如果采用一個同期點配備一個裝置的方式，則能大大提高整個系統(tǒng)的同期可靠性。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計和硬件框圖

作為準同期裝置，首先必須要準確地測量系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)的同期參數(shù)。也就是精確測量兩側(cè)的電壓、頻率，以及相位差。在這個基礎(chǔ)上，裝置要進行準確的同期動作以及和上位機的通信。因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件流程圍繞這三個方面展開。為了減少干擾和便于操作，硬件分為CPU板、信號板和顯示按鍵板。下面的硬件框圖清楚地表示了三者之間的連接關(guān)系和信號的流動情況。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

單片機89C58主要負責(zé)識別和保存按鍵值(中斷方式)，以及直接驅(qū)動LCD。

Atmega128單片機有兩個串行口，通過串口0和89C58通訊，通過串口1和上位機進行數(shù)據(jù)交換。

2 頻率、電壓和相差的計算

ATMEGA128單片機的定時器1和定時器3具有輸入捕獲的功能。因此頻率(周期)的計算可以完全依賴硬件來實現(xiàn)。只需要設(shè)計一個轉(zhuǎn)換電路將正弦波變換成為方波即可。方波兩個上升沿(或下降沿)之間的時間間隔即是系統(tǒng)側(cè)或?qū)ο髠?cè)的周期，這樣就可以準確地測量出周期。注意，定時器1和定時器3中的計數(shù)值盡量不要采用軟件清零。筆者剛開始的思路是每隔一次輸入捕獲中斷將TCNT1或TCNT3的值清零，然后下一次的計數(shù)值乘以計數(shù)間隔時間就是系統(tǒng)側(cè)或是對象側(cè)周期長度。但是這樣的辦法很容易受到其他中斷的影響。當(dāng)外部事件發(fā)生的時候(上升沿或下降沿來到)，硬件自動將計數(shù)值捕捉到相應(yīng)的捕獲寄存器，但如果此時有更高級中斷同時到來的話，就必然會推遲一會才可以進入輸入捕獲中斷程序，則軟件必然會推遲清零，因此所測的周期會偏小、頻率會偏大。特別是當(dāng)更高優(yōu)先級的中斷程序執(zhí)行時間較長時，所測周期根本無法使用。正確的做法是：在初始化時將定時器1和定時器3按照同樣的分頻系數(shù)同時開放，然后就不要對這兩個定時器進行清零或其他操作。對于這兩個16位定時器的溢出問題，可以通過在定時器1和定時器3的溢出中斷程序中設(shè)置分別的溢出標志來解決。本裝置所設(shè)計的波形轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。VAA1為對象側(cè)或系統(tǒng)側(cè)經(jīng)過初步處理的交流信號。

圖 2