一種實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的采樣頻率同步實(shí)現(xiàn)方法

摘 要： 分析了工頻頻率變化對(duì)計(jì)算電量有效值的數(shù)字化測(cè)量精度的影響及產(chǎn)生采樣頻率誤差的原因，給出用單片機(jī)Intel80C196的高速輸入接口及軟件定時(shí)器實(shí)現(xiàn)采樣頻率跟蹤的方法，并給出硬件電路結(jié)構(gòu)及軟件框圖。

關(guān)鍵詞： 采樣頻率 同步 單片機(jī)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力計(jì)量表計(jì)繼電保護(hù)等電力自動(dòng)裝置也越來(lái)越智能化。而這些裝置中，大多都用的是交流采樣。交流采樣的過(guò)程多數(shù)是：由系統(tǒng)二次回路來(lái)的電壓（或電流），經(jīng)過(guò)二次PT（或CT）等變送到A／D適合的電壓后，由CPU控制A／D以一定的采樣頻率進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得離散的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)離散傅立葉變換（DFT)，計(jì)算出基波有效值及各次諧波值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其它功能。進(jìn)行DFT計(jì)算過(guò)程如下：

若每周期采樣Ｎ的離散采樣系統(tǒng)，則其基波電壓（或電流）的有效值、實(shí)部有效值、虛部有效值分別為：

其中 N——每周波的采樣點(diǎn)數(shù)；

Xn——第n個(gè)采樣數(shù)值。

上述計(jì)算能準(zhǔn)確表達(dá)有效值的條件是：每周波的Ｎ個(gè)采樣點(diǎn)是均勻分布在每個(gè)工頻周期內(nèi)。但在電力自動(dòng)裝置中，采樣頻率多是由通過(guò)設(shè)置CPU定時(shí)器分頻系數(shù)來(lái)完成，該定時(shí)器的時(shí)鐘源是cpu系統(tǒng)的晶振決定，采樣頻率是固定的。但是，即使已經(jīng)按照準(zhǔn)確的工頻頻率（50Hz）計(jì)算出符合上述計(jì)算要求的采樣頻率，由于電力系統(tǒng)的頻率是有變化的，而且在故障錄波裝置，繼電保護(hù)裝置產(chǎn)品的檢測(cè)中，也要考核在頻率變化情況下裝置的反應(yīng)情況，如：有關(guān)國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，要檢查錄波裝置在低頻條件下的反映情況。因此，按照固定的采樣頻率采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果也就難免出現(xiàn)誤差，因此就有可能引起測(cè)量精度的下降，或自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。

１ 頻率變化對(duì)計(jì)算值的影響

此處的頻率既是指采樣頻率，又指電力系統(tǒng)的工頻，因?yàn)槎咧话l(fā)生變化，都會(huì)影響采樣后有效值的計(jì)算。假定采樣頻率固定為1kHz（即對(duì)應(yīng)于50Hz信號(hào)為每周波20點(diǎn)采樣），信號(hào)的有效值為60V，對(duì)應(yīng)于有46～54Hz頻率的等幅值輸入量，引用公式（１）、（２）、（３）進(jìn)行全周波付氏濾波進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生結(jié)果的相對(duì)誤差如表1所示。

顯然，頻率的變化對(duì)計(jì)算有效值的影響較大。產(chǎn)生這一問(wèn)題的原因就在于每周波的Ｎ個(gè)采樣點(diǎn)不是均勻分布在每個(gè)工頻周期內(nèi)。要解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]中給出了“參數(shù)自尋優(yōu)等間隔同步采樣法”。應(yīng)該說(shuō)，對(duì)于慢速的儀表檢測(cè)裝置來(lái)說(shuō)該方法是很合適的。但由于其計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，且每周波的采樣點(diǎn)數(shù)及頻率都在變化，對(duì)于適時(shí)性要求高，離散采樣數(shù)據(jù)在后臺(tái)處理裝置（如：電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)記錄裝置），就不能滿(mǎn)足要求。因此，在精度滿(mǎn)足要求的情況下，可只采用其中的一種方法：固定采樣點(diǎn)數(shù)，根據(jù)單片機(jī)測(cè)量適時(shí)的工頻周期，適時(shí)調(diào)整采樣間隔。目前，有相當(dāng)部分電力自動(dòng)裝置中采用Intel80C196單片機(jī)作為CPU，本文就以Intel80C196為例介紹實(shí)現(xiàn)采樣頻率跟蹤的方法。

２ 硬件電路構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)原理

考慮到系統(tǒng)的頻率不是變化很快，要實(shí)現(xiàn)采樣頻率隨系統(tǒng)工頻的變化而適時(shí)調(diào)整，可先測(cè)得系統(tǒng)的頻率前一周期對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值Tc（以單片機(jī)系統(tǒng)的定時(shí)器時(shí)鐘周期為單位，以下同），然后根據(jù)每周波采樣點(diǎn)數(shù)（N），適時(shí)計(jì)算出每一采樣間隔計(jì)數(shù)值Tsj：

間隔計(jì)數(shù)值：

則以Tsj為周期進(jìn)行采樣，即可實(shí)現(xiàn)采樣頻率的適時(shí)跟蹤。為實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，擬采用如圖1所示的電路結(jié)構(gòu)：來(lái)自母線(xiàn)電壓互感器的Ａ相電壓經(jīng)過(guò)小PT降壓隔離、低通濾波，經(jīng)過(guò)零比較器整形成方波，經(jīng)光耦送到Intel80C196的高速輸入接口HSI.0，利用方波的上升沿觸發(fā)高速輸入中斷，測(cè)得每個(gè)工頻周期計(jì)數(shù)值Tc。經(jīng)過(guò)單片機(jī)的分析計(jì)算，經(jīng)式（4）得到采樣間隔時(shí)間Tsj。以Tsj為時(shí)間間隔，設(shè)置軟件定時(shí)器中斷。在軟件定時(shí)器中斷中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制等，完成采樣頻率的適時(shí)跟蹤。

３ 軟件流程

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用80C196單片機(jī)的特點(diǎn)：高速輸入（HSI）接口及軟件定時(shí)器。前者用于整形后的方波上升沿檢測(cè)，用高速輸入中斷進(jìn)行系統(tǒng)周期的測(cè)量。后者用于產(chǎn)生以計(jì)算出的適時(shí)采樣間隔Ts為周期的軟件定時(shí)器中斷，以進(jìn)行A／D采集控制。

軟件由兩部分組成：主程序、高速輸入（HSI）中斷程序及HS0軟件定時(shí)器中斷，流程圖見(jiàn)圖2～圖4。

主程序主要完成初始化及其它應(yīng)用功能。在初始化時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置采樣時(shí)間間隔的缺省計(jì)數(shù)值Td。主要用于因測(cè)頻用的電量不正常，不能正確測(cè)量電力系統(tǒng)的頻率時(shí)，使用該缺省值作為采樣間隔計(jì)數(shù)Tsc，即Tsj＝Td 。該缺省值的計(jì)算方法可以參考下例：

假定系統(tǒng)頻率為50Hz（即周期為20000μｓ)；

每周波的采樣點(diǎn)數(shù)為20點(diǎn)；

80C196的系統(tǒng)晶振為16MHz，以定時(shí)器1作為時(shí)間基準(zhǔn)，則計(jì)數(shù)周期為1μｓ，參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

則采樣點(diǎn)間隔的時(shí)間為：

20000μｓ／20＝1000μｓ

采樣時(shí)間間隔的缺省計(jì)數(shù)值為：

Td＝1000μｓ／1μｓ＝1000

高速輸入中斷程序首先讀出當(dāng)前的高速輸入計(jì)數(shù)值Tnew，計(jì)算與上次計(jì)數(shù)值Told之差，獲得適時(shí)工頻周期Tc，再對(duì)Tc的數(shù)值范圍進(jìn)行判斷，以確認(rèn)該值的有效性。在判斷Tc的有效性，可參考如下方法：考慮一般系統(tǒng)的頻率波動(dòng)范圍，如45～55Hz對(duì)應(yīng)Tc范圍及兩次測(cè)量值之差來(lái)確定（因?yàn)檎Ｏ到y(tǒng)頻率不可能突變）。最后用（4）式并考慮進(jìn)入中斷程序所需要的20個(gè)狀態(tài)周期，計(jì)算出適時(shí)采樣間隔時(shí)間Tsj。

進(jìn)入HS0軟件定時(shí)器中斷后，首先要做的是預(yù)置下次進(jìn)入中斷的時(shí)間Tsj。然后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的控制及其它需要每個(gè)采樣間隔所做的處理。應(yīng)當(dāng)指出的是，由于軟件定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)高于高速輸入中斷，因此，采樣控制不會(huì)受到高速輸入中斷的影響。另外，此處A／D控制可以是80C196內(nèi)部的片內(nèi)A／D，也可以控制擴(kuò)展A／D。視實(shí)際的需要而定。

本文所提出的采樣頻率同步方法，已成功用于我們所開(kāi)發(fā)的微機(jī)電力故障錄波器及RTU自動(dòng)裝置中。錄波器中使用采樣頻率跟蹤的使用實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。雖然比文獻(xiàn)[1]中的方法計(jì)算結(jié)果誤差大些，但全在一般裝置誤差允許范圍內(nèi)（＜0.5％），能有效地抵消電力系統(tǒng)頻率變化對(duì)裝置測(cè)量精度的影響，因此，能夠滿(mǎn)足一般儀器裝置的要求。其具有跟蹤調(diào)整簡(jiǎn)單，適時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是一種比較實(shí)用的方法。采用其它CPU的自動(dòng)裝置可采用類(lèi)似原理來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣頻率同步跟蹤。