C8051F021型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

介紹的功角測(cè)量數(shù)據(jù)采集卡是采用Cygnal公司C8051F021型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的PCI總線接口卡。該卡通過2片雙口RAM分別實(shí)現(xiàn)與GPS接收板和上位機(jī)(PC)的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)采集、處理與傳送。本數(shù)據(jù)采集卡采用片內(nèi)12位高速ADC并配以片外采樣保持電路，通過直接交流采樣方法精確快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流的采樣，保證了電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。

　　1 引言

　　實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過程中，首要環(huán)節(jié)就是數(shù)據(jù)采集。為此我們研究開發(fā)了電力系統(tǒng)功角廣域測(cè)控系統(tǒng)，其中，用C8051F021型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡不僅可以準(zhǔn)確、高效、實(shí)時(shí)地進(jìn)行AD數(shù)據(jù)采集并通過雙口RAM和PCI接口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，還可以通過與GPS接收通信接收秒脈沖實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)異地同步。

　　2 功角及其測(cè)量

　　2.1 發(fā)電機(jī)的功角

　　發(fā)電機(jī)通過變壓器、輸出線路與無限大容量系統(tǒng)母線聯(lián)接組成的輸電系統(tǒng)如圖1所示。

　　若圖中G為隱極式發(fā)電機(jī)，則發(fā)電機(jī)輸出的有功功率為

　　上式也稱作發(fā)電機(jī)的功率特性。式中Xd∑=Xd+XTL，其中Xd為發(fā)電機(jī)d軸等值電抗，XTL為發(fā)電機(jī)與無限大系統(tǒng)間的聯(lián)系電抗，Eq為發(fā)電機(jī)的空載電勢(shì)，V、I為系統(tǒng)參考母線電壓和電流，ψ為母線電壓與電流間的相位差。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電勢(shì)Eq和受端電壓V均恒定時(shí)，傳輸功率P是角度δ的正弦函數(shù)，角度δ為Eq與V之間的相位差角。因功率P的大小與δ角度切相關(guān)，因此稱δ為“功率角”或“功角”。

　　2.2 功角的測(cè)量

　　對(duì)于隱極發(fā)電機(jī)和凸極發(fā)電機(jī)，其電壓和電流矢量圖如圖2(a)、(b)所示，由矢量圖可知功角δ的計(jì)算公式為

　　式中，Xq∑=Xq+XTL，其中Xq為發(fā)機(jī)橫軸電抗。對(duì)于確定的系統(tǒng)，Xd∑和Xq∑均為常數(shù)，因此在用計(jì)算機(jī)測(cè)量時(shí)，只需測(cè)出系統(tǒng)母線處的電壓V、電流I及功率因數(shù)角，便可由(2)式和(3)式算出功角。此外，描述電力系統(tǒng)受到大干擾后的機(jī)電暫態(tài)過程是一組非線性微分方程式，不能進(jìn)行線性化，所以一般采用數(shù)值積分法(如歐拉法、龍格-庫塔法、隱式積分法)的時(shí)域分析方法，將計(jì)算結(jié)果是繪制成運(yùn)行參數(shù)(如功角)對(duì)時(shí)間的曲線，用以判別電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。上述的計(jì)算及曲線緩制都是基于電力系統(tǒng)交流信號(hào)的精確采集才能實(shí)現(xiàn)的。

　　本數(shù)據(jù)采集卡就是通過交流采樣將3相電壓、電流分別經(jīng)6路通道采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，即對(duì)于交流信號(hào)不經(jīng)過電量變換器，直接將互感器(PT/CT)二次測(cè)的電壓電流再經(jīng)一級(jí)高精度PT、CT轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可測(cè)量的小信號(hào)(本數(shù)據(jù)采集卡為-2.5V～+2.5V)，然后經(jīng)A/D變換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算出電壓電流有效值及功率因數(shù)角等電氣參數(shù)并進(jìn)而得到功角值及其隨時(shí)間變化的情況，提供給電力調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的監(jiān)控。3 采集卡硬件設(shè)計(jì)

　　本采集卡主要由C8051F021、A/D濾波采樣保持電路、雙口RAM、GPS接口、PCI接口等部分組成。從現(xiàn)場(chǎng)PT、CT過來的電壓及電流經(jīng)隔離互感器隔離變換后輸入數(shù)據(jù)采集卡，然后經(jīng)過二階濾波器至A/D轉(zhuǎn)換器前置通道。單片機(jī)通過GPS接口和雙口RAM取得精確的秒脈沖和相應(yīng)時(shí)間(年、月、日、時(shí)、分、秒)并實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的同步采集，轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量再由另外一個(gè)雙口RAM和PCI接口送往上位機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　本采集卡采用Cygnal公司的C8051F021型單片機(jī)，該系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(System On Chip)，具有與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內(nèi)核;峰值速度可達(dá)25MI/S;在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件(包括可編程增益放大器PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、UART、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列PCA等)。其指令周期為83ns(3.3V,12MHz);具有大容量的可在系統(tǒng)(ISP)和在應(yīng)用(IAP)編程的FLASH存儲(chǔ)器;支持符合IEEE 1194.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG調(diào)試和邊界掃描，可進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。由于C8051F型單片機(jī)與其他8位單片機(jī)和比具有更為優(yōu)異的性能，所以一面世就成為很多測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選機(jī)型。

　　ADC轉(zhuǎn)換器采用片內(nèi)12位、100ks/s的ADC，每次轉(zhuǎn)換僅需10μs，完全滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和快速性的要求。F021型單片機(jī)ADC有8個(gè)外部輸入，基準(zhǔn)電壓可由內(nèi)部或外部提供(2.5V)，可編程為單端輸入或差分輸入且?guī)Э删幊谭糯笃髟鲆妫静杉ㄊ褂?路單端輸入以完成對(duì)3相電壓、電流的同步采集。因?yàn)锳DC采用單端輸入時(shí)只能對(duì)0～2.5V的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所以對(duì)由PT、CT送來的-2.5V～+2.5V正弦交流信號(hào)需在A/D轉(zhuǎn)換的前置通道加一直流偏置電壓2.5V，使得輸入信號(hào)幅值為0V～5V，該信號(hào)現(xiàn)經(jīng)片內(nèi)可編程增益入大器衰減為0V～2.5V，進(jìn)而完成A/D轉(zhuǎn)換。采集時(shí)通過采集程序發(fā)出采樣保持命令使采樣/保持器保持采集瞬間的值，采集的瞬時(shí)信號(hào)經(jīng)過模擬通道開關(guān)選擇進(jìn)入衰減電路，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成12位并行數(shù)據(jù)輸出到雙口RAM供上位機(jī)讀入處理。

　　雙口RAM采用的是32k、8位高速IDT7007S，單片機(jī)和上位機(jī)可分別從雙口RAM兩邊同時(shí)進(jìn)行讀寫操作(但不可同時(shí)對(duì)同一地址單元寫數(shù)據(jù))，且該雙口RAM的存取操作時(shí)間最長(zhǎng)僅需55ns，因此，通過雙口RAM極大地提高了單片機(jī)與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)的速度，從而為該數(shù)據(jù)采集卡在電力系統(tǒng)測(cè)控領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了保證。

　　PCI接口主要由PCI接口CH365完成。CH365是一個(gè)連接PCI總線的通用接口電路，支持I/O端口映射、存儲(chǔ)器映射、擴(kuò)展ROM及中斷。本采集卡主要使用CH365的存儲(chǔ)器映射功能，將32位高速PCI總線轉(zhuǎn)換為8位數(shù)據(jù)、16位地址主動(dòng)并行接口。CH365可以通過雙端口存儲(chǔ)器與外部的單片機(jī)或者DSP交換數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)做進(jìn)一步處理。如果將CH365的讀寫選通脈沖的寬度設(shè)定為30ns，并且使用雙字為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)測(cè)速度可以達(dá)到每秒7M字節(jié)。PCI總線與其他主流總線相比，速度更快、實(shí)時(shí)性更好、可控性更佳，所以CH365特別適用于高速實(shí)時(shí)I/O控制卡、通訊接口卡和數(shù)據(jù)采集卡等。

　　除了上述有關(guān)數(shù)據(jù)采集處理的速度、精度、實(shí)時(shí)傳送等方面的考慮外，本采集卡還考慮了各路依賴的異地同步采集，在設(shè)計(jì)中采用了GARMIN公司的GPS接收板(GPS Receiver Board)GPS15L,通過衛(wèi)星精密授時(shí)功能，由衛(wèi)星提供的精確秒脈沖實(shí)現(xiàn)異地同步采集。該接收板最少接收11顆衛(wèi)星的信號(hào)，專用集成電路和處理軟件能從接收到的信息中提取并輸出二種時(shí)間信號(hào)：一是秒脈沖1PPS，其與協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC(國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)的同步誤差不超過1μs;二是經(jīng)串行口輸出的與1PPS脈沖前沿對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間碼(年、月、日、時(shí)、分、秒)，即1PPS的“時(shí)間標(biāo)記”。電力系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)送端和受端的分布廣泛分散，基順各端安裝一臺(tái)GPS接收機(jī)，則GPS的全球性和高精度就能保證各地時(shí)間信號(hào)與UTC的相對(duì)誤差都不超過1μs。這種全球范圍內(nèi)的高精度時(shí)間同步在電力系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)量中有極高的利用價(jià)值。本數(shù)據(jù)采集卡就是通過GPS接收板提供的秒脈沖和其時(shí)間標(biāo)記來進(jìn)行異地同步數(shù)據(jù)采集的，實(shí)踐證明其效果是理想的。

　　4 采集卡軟件設(shè)計(jì)

　　本采集卡的軟件程序主要包括與GPS接收板的串口通信程序、與上位機(jī)通信的PCI接口程序及數(shù)據(jù)采集和處理程序。軟件流程圖如圖4所示。

　　采集卡可通過雙口RAM與上位機(jī)通信以改變采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻率，將一個(gè)工頻周期等分成40～256個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換處理并發(fā)送上位機(jī)進(jìn)一步處理，如電壓、電流及功角的幅值、曲線顯示監(jiān)視及進(jìn)而在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)及時(shí)作出相應(yīng)的控制措施。本采集卡的特點(diǎn)如下：

　　·由于采用二階濾波電路，因此采集卡可以較好的屏蔽高次諧波對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的影響。C8051F021屬于高速混合信號(hào)機(jī)型，在12MHz的外部晶振下，其時(shí)鐘周期為83ns，因此采樣頻率大范圍可調(diào)。可廣泛應(yīng)用于各種采樣速率要求較高的交流采樣測(cè)控裝置。

　　·可同時(shí)輸入8路單輸入或4路差分輸入PT/CT信號(hào)，進(jìn)行高精度、高速度采樣。

　　·采用片內(nèi)12位分辨率、100ks/s轉(zhuǎn)換速度的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和外圍濾波采樣保持電路，能進(jìn)行快速模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

　　·通過接收GPS的秒脈沖和時(shí)標(biāo)，可以保證異地信號(hào)的同步采集。

　　·雙口RAM和專用PCI接口使得上下位機(jī)的通信和交換數(shù)據(jù)更加快捷。

　　5 結(jié)束語

　　實(shí)踐證明，采用C8051F021型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的采集系統(tǒng)不僅能夠滿足電力系統(tǒng)測(cè)控裝置的需求，還具有較好的性價(jià)比，非常適用于各種電壓等級(jí)的輸電系統(tǒng)測(cè)控裝置和儀器儀表的測(cè)量部分。