基于AVR單片機(jī)的新型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)

前言

自動(dòng)準(zhǔn)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(jī)為處理器，開發(fā)一種主要用于機(jī)組同期操作的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，該裝置能自動(dòng)檢測系統(tǒng)側(cè)和對(duì)象側(cè)的壓差、頻差和相差，進(jìn)行同期操作。如果采用一個(gè)同期點(diǎn)配備一個(gè)裝置的方式，則能大大提高整個(gè)系統(tǒng)的同期可靠性。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和硬件框圖

作為準(zhǔn)同期裝置，首先必須要準(zhǔn)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(gè)基礎(chǔ)上，裝置要進(jìn)行準(zhǔn)確的同期動(dòng)作以及和上位機(jī)的通信。因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程圍繞這三個(gè)方面展開。為了減少干擾和便于操作，硬件分為CPU板、信號(hào)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(hào)的流動(dòng)情況。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

單片機(jī)89C58主要負(fù)責(zé)識(shí)別和保存按鍵值(中斷方式)，以及直接驅(qū)動(dòng)LCD。

Atmega128單片機(jī)有兩個(gè)串行口，通過串口0和89C58通訊，通過串口1和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 頻率、電壓和相差的計(jì)算

ATMEGA128單片機(jī)的定時(shí)器1和定時(shí)器3具有輸入捕獲的功能。因此頻率(周期)的計(jì)算可以完全依賴硬件來實(shí)現(xiàn)。只需要設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路將正弦波變換成為方波即可。方波兩個(gè)上升沿(或下降沿)之間的時(shí)間間隔即是系統(tǒng)側(cè)或?qū)ο髠?cè)的周期，這樣就可以準(zhǔn)確地測量出周期。注意，定時(shí)器1和定時(shí)器3中的計(jì)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(jì)數(shù)值乘以計(jì)數(shù)間隔時(shí)間就是系統(tǒng)側(cè)或是對(duì)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(shí)候(上升沿或下降沿來到)，硬件自動(dòng)將計(jì)數(shù)值捕捉到相應(yīng)的捕獲寄存器，但如果此時(shí)有更高級(jí)中斷同時(shí)到來的話，就必然會(huì)推遲一會(huì)才可以進(jìn)入輸入捕獲中斷程序，則軟件必然會(huì)推遲清零，因此所測的周期會(huì)偏小、頻率會(huì)偏大。特別是當(dāng)更高優(yōu)先級(jí)的中斷程序執(zhí)行時(shí)間較長時(shí)，所測周期根本無法使用。正確的做法是：在初始化時(shí)將定時(shí)器1和定時(shí)器3按照同樣的分頻系數(shù)同時(shí)開放，然后就不要對(duì)這兩個(gè)定時(shí)器進(jìn)行清零或其他操作。對(duì)于這兩個(gè)16位定時(shí)器的溢出問題，可以通過在定時(shí)器1和定時(shí)器3的溢出中斷程序中設(shè)置分別的溢出標(biāo)志來解決。本裝置所設(shè)計(jì)的波形轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。VAA1為對(duì)象側(cè)或系統(tǒng)側(cè)經(jīng)過初步處理的交流信號(hào)。

圖 2