基于80C196的頻率測(cè)量及在電壓采樣中的應(yīng)用

頻率和電壓是電力系統(tǒng)中的兩個(gè)重要電氣量。提出了一種基于80C196單片機(jī)HSI的頻率測(cè)量方法，并依據(jù)測(cè)量的頻率來(lái)改變電壓的采樣時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤功能。該方法頻率測(cè)量精度高，實(shí)行頻率跟蹤采樣，提高了電壓計(jì)算精度。
    關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)，80C196，頻率測(cè)量，頻率跟蹤，電壓計(jì)算

1　引　言
　　在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是反應(yīng)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的兩個(gè)重要參數(shù)。同時(shí)，在繼電保護(hù)行業(yè)，電壓和頻率也是繼電保護(hù)、測(cè)控、同期合閘等裝置進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作的重要判據(jù)。
　　電力系統(tǒng)中，一般為了節(jié)省測(cè)頻回路，頻率的測(cè)量傳統(tǒng)上都是利用電壓的采樣瞬時(shí)值來(lái)計(jì)算頻率〔2〕〔3〕，這種方法由于采樣精度和諧波的原因，雖然采用了各種補(bǔ)償措施，實(shí)際測(cè)量精度仍然不能滿足像自動(dòng)準(zhǔn)同期等以頻率或頻差作為動(dòng)作判據(jù)的裝置的要求。電壓的計(jì)算，傳統(tǒng)上一般采用傅立葉算法。傅立葉算法有著把基波及各次諧波分量分離的優(yōu)點(diǎn)，可以得到各分量的大小，從而得到了廣泛的應(yīng)用。但是這種算法中相關(guān)系數(shù)固定，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率變化時(shí)，會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差。對(duì)于這種情況，有采用鎖相倍頻采樣觸發(fā)電路〔4〕〔5〕的方法，來(lái)保證每一信號(hào)周期內(nèi)獲取相同的采樣點(diǎn)數(shù)，提高計(jì)算精度，但同時(shí)，這種專門的鎖相倍頻采樣觸發(fā)電路增加了設(shè)計(jì)成本和調(diào)試難度。
　　本文提出了一種利用80C196的HIS（High SpeedInput，高速輸入）對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量的方法，測(cè)量精度高，通過(guò)測(cè)得的頻率相應(yīng)地改變電壓采樣頻率，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，很好地提高電壓計(jì)算精度。這種方法既簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，又在得到高精度頻率測(cè)量的同時(shí)提高了電壓計(jì)算精度。
2　硬件設(shè)計(jì)
2．1　硬件構(gòu)成
   電力系統(tǒng)中，三相電壓頻率是一樣的，任選其中一相作為頻率測(cè)量的信號(hào)。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　測(cè)頻信號(hào)需要實(shí)行濾波和整形電路。濾波是為了濾除諧波和紋波，為整形提供較好的檢測(cè)信號(hào)。整形電路將濾波后的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。電壓測(cè)量不需要濾波，以便保留更多的波形信息。
2．2　濾波整形電路
　　因?yàn)闇y(cè)量頻率只需要周期信號(hào)，而無(wú)需相位信息，所以，整形電路無(wú)須過(guò)零檢測(cè)，考慮到這一點(diǎn)，整形電路實(shí)現(xiàn)就比較方便。實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化電路，濾波電路與整形電路功能采用一片集成芯片MC1489來(lái)完成。MC1489是單片集成四路電平轉(zhuǎn)換器，其中每一路都可實(shí)現(xiàn)整形功能，外加電容起到濾波的作用。電路如圖2所示。
3　軟件實(shí)現(xiàn)
3．1　測(cè)頻原理及誤差分析

　　用HSI事件實(shí)現(xiàn)測(cè)頻，實(shí)際上是測(cè)量周期的方法，對(duì)于80C196單片機(jī)來(lái)說(shuō)，即，在觸發(fā)的時(shí)間內(nèi)，每8個(gè)晶振周期對(duì)信號(hào)周期的計(jì)數(shù)。當(dāng)晶體振蕩頻率為20 MHz時(shí)，內(nèi)部晶振周期為0．1μs（因?yàn)閮?nèi)部經(jīng)過(guò)了2分頻），每0．8μs計(jì)數(shù)一次。從這可以看出，測(cè)量絕對(duì)最大誤差為信號(hào)前后邊界共1．6μs，對(duì)于周期為20 ms的50 Hz的信號(hào)，最大誤差折算到頻率約為0．004 Hz，所以，頻率測(cè)量精度可達(dá)到0．01 Hz。當(dāng)晶體振蕩頻率越高或被測(cè)信號(hào)周期越長(zhǎng)時(shí)，相對(duì)誤差就越小。
3．2　頻率測(cè)量的實(shí)現(xiàn)思路
　　HSI事件可以采用中斷方式和查詢方式讀取，因?yàn)闇y(cè)頻的同時(shí)要改變采樣中斷間隔，在采樣中斷中以查詢方式實(shí)現(xiàn)更為方便簡(jiǎn)潔。
　　查詢方式下，HSI事件主要依靠配置或讀取寄存器IOC0、HSI　MODE、IOS1、HSI　STATUS以及HSI　TIME的內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)。IOC0用于事件引腳選擇。由HSI引腳輸入的外部事件有四種觸發(fā)方式，分別為負(fù)跳變觸發(fā)、正跳變觸發(fā)、正負(fù)跳變觸發(fā)、每8個(gè)正跳變觸發(fā)，各觸發(fā)方式通過(guò)HSI　MODE來(lái)設(shè)置。IOS1記錄了有HSI部件保存寄存器數(shù)據(jù)是否有效的信息。HSI　STATUS存放每個(gè)輸入引腳的兩種信息，一是說(shuō)明該引腳是否有事件發(fā)生，二是記錄當(dāng)前該引腳電平狀態(tài)。HSI　TIME存放的是保持寄存器所存事件的時(shí)間值〔1〕。
　　假定HSI只用到HSI．0。初始化時(shí)，設(shè)置IOC0為01H，選擇HSI．0為事件輸入引腳。設(shè)定HSI　MODE寄存器為01H，即，每個(gè)正跳變?yōu)橐粋€(gè)事件的觸發(fā)方式。在采樣中斷中讀取時(shí)間值，先查詢IOS1．7，若該位為1，則表明保持寄存器已加載，可對(duì)HSI的事件予以讀取。讀取HSI　STATUS和HSI　TIME兩個(gè)寄存器，進(jìn)行處理。
3．3　頻率的計(jì)算及采樣跟蹤
　　此處為了闡述明了起見(jiàn)，給出頻率測(cè)量及頻率跟蹤程序源代碼，該程序增加了防止測(cè)頻回路出錯(cuò)而導(dǎo)致采樣錯(cuò)誤的功能。



    其中，t—freq、tcy、tcy+2、ltcy、iosl—map、freq—err、freq為定義的80C196的通用寄存器，SH—Point,Tcy—Normal為規(guī)定的常數(shù)，分別為一周內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)和50Hz時(shí)HSI正常計(jì)數(shù)值。t—freq為頻率測(cè)量計(jì)數(shù)，代表著在觸發(fā)時(shí)間內(nèi)HIS的實(shí)際計(jì)數(shù)值。應(yīng)用中可以依據(jù)不同的測(cè)量精度要求，以不同的數(shù)值除以該計(jì)數(shù)，以獲得頻率的數(shù)值。對(duì)于50 Hz的信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)計(jì)數(shù)理論上為25 000，以125 000000（Constant　freqhl）除以該值，即可得到測(cè)量精度為0．01Hz的頻率測(cè)量的定點(diǎn)運(yùn)算值freq（如上面的程序所示）。
4　跟蹤能力分析
　　從上面的頻率跟蹤實(shí)現(xiàn)過(guò)程來(lái)看，當(dāng)信號(hào)頻率穩(wěn)定在某一頻率時(shí)，只要經(jīng)過(guò)信號(hào)的一個(gè)周期時(shí)間，HSI就產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效事件，采樣頻率就能跟蹤上信號(hào)頻率，從而提高電壓計(jì)算精度。
　　對(duì)于以一定的滑差變化頻率的信號(hào)，這里存在采樣跟蹤的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。從試驗(yàn)可以知道，在不實(shí)行頻率跟蹤的情況下，當(dāng)信號(hào)頻率與50 Hz基準(zhǔn)頻率的偏差小于0．5 Hz時(shí)，電壓計(jì)算精度依然較高，能夠滿足各裝置的行為需要。為增加計(jì)算冗余，可以以0．3 Hz為限。因?yàn)楸舅惴l率跟蹤為信號(hào)一周就跟蹤一次，對(duì)于電力系統(tǒng)，即，約20 ms跟蹤一次，所以，只要滑差小于0．3Hz／20ms＝15Hz／s時(shí)，電壓采樣就能跟蹤信號(hào)頻率而不影響計(jì)算精度。而實(shí)際上，在電力系統(tǒng)中15Hz／s的頻率滑差根本是不存在的。所以，本算法是切實(shí)可行的。
5　實(shí)施頻率跟蹤對(duì)電壓計(jì)算的影響及結(jié)論
　　作者采用80C196、12位A／D的單片機(jī)系統(tǒng)，編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)50 Hz、100 V的電壓信號(hào)進(jìn)行每周12點(diǎn)采樣計(jì)算的模擬試驗(yàn)，當(dāng)信號(hào)頻率與50 Hz偏差較大時(shí)，采用采樣頻率跟蹤信號(hào)頻率比不采用該方法時(shí)的電壓計(jì)算具有更高的精度。通過(guò)觀察實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，頻率在55 Hz時(shí)兩者計(jì)算比較示意圖如圖3所示。

　　另外，對(duì)于頻率以一定的滑差連續(xù)變化的信號(hào)，因?yàn)椴蓸宇l率有實(shí)時(shí)跟蹤功能，電壓計(jì)算依然有著較高的精度。
　　本文提出的這種頻率測(cè)量方法，軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高。采樣頻率跟蹤信號(hào)頻率，使得采樣值更好地適合傅立葉算法，從而提高了電壓計(jì)算精度。適合于電力系統(tǒng)中各繼電保護(hù)裝置中高精度的頻率和電壓測(cè)量。