多通道、高精度電能質量實時監(jiān)測系統(tǒng)的數據采集

1、 多通道、高精度電能質量實時監(jiān)測系統(tǒng)的數據采集（方案簡述）1. 簡述數據采集作為多通道、高精度電能質量實時監(jiān)測系統(tǒng)研究的一個重要環(huán)節(jié)，直接決定整個監(jiān)測系統(tǒng)的實現與否。通常來說，數據采集模塊的功能是實現電網信號的轉換和數字化，把電網上的高電壓、大電流信號轉換成0到5V的低壓信號；然后把模擬信號轉換為數字信號，傳輸給微處理器。一般包括以下幾個部分：一. 信號調理模塊：1.信號電平轉換，2.抗混疊濾波，3.信號隔離；二. A/D轉換模塊：1.A/D轉換，2.A/D芯片與微處理器的連接；三. 頻率測量模塊：工頻信號頻率的測量。四采集數據的存儲：以適當的方式存儲采集到的工頻信號序列，以方便下一步的分析。

2、本系統(tǒng)中，如前文所述，抗混疊濾波部分由基于FPGA器件的硬件濾波器完成，并且工頻信號的信號調理，有很多現成的模塊，可以直接拿來使用，因此在此也不作討論。在這里，僅僅討論A/D轉換模塊、頻率測量模塊和采集數據的存儲這三個部分，解決多通道、高精度電能質量實時監(jiān)測系統(tǒng)的數據采集中的關鍵問題：1. 6個三相測點，共48路工頻信號的數據采集；2. 對48路工頻信號無相差、不間斷采樣； 3. 實時工頻信號頻率的測量，工頻信號每個周波測量頻率一次，頻率測量精度小于千分之一； 4. 辨識每路工頻信號的每個周波采樣序列，并分別存儲，以方便后續(xù)分析。下面，就A/D轉換模塊、頻率測量模塊和采集數據的存儲部分分別討論

3、，以解決上述問題。2. A/D 轉換模塊由于需要對6個三相測點，共48路工頻信號進行無相差、不間斷采樣；A/D器件的選型非常重要，是實現多通道、高精度電能質量實時監(jiān)測系統(tǒng)的根本。2.1 A/D 的選型A/D轉換器擬選用美國ADI公司最新推出基于iCOMS工藝的6通道16位雙極性器件AD7656。AD7656可以同時對6路模擬輸入進行同時采樣，可以避免由于采樣產生的相位誤差，而且可以可用菊花鏈路方式多片級聯(lián)，擴展轉換通道數，最多可以級聯(lián)8片，可以同時轉換48路模擬輸入；最高可達250kSPS的數據吞吐能力，能夠滿足系統(tǒng)要求。由系統(tǒng)要求決定，AD7656應當工作在級聯(lián)模式，而在級聯(lián)模式下，采樣信號

4、的輸出只能串行輸出，考慮到減少系統(tǒng)片上連線等方面，這里只將DOUTA作為唯一的輸出口，又因為系統(tǒng)的 圖2.1 級聯(lián)方式硬件連接圖采樣頻率固定，因此可以考慮將AD7656配置成硬件模式。所謂的硬件模式是通過對器件引腳的固定連接，確定AD7656芯片唯一的工作方式。AD7656的設置方式請參考文獻2。級聯(lián)方式硬件連接如圖2.1所示。2.2 A/D 轉換模塊的設計決定好AD7656的工作方式，AD7656的輸出與基于ARM核處理器的SPI接口連接，AD7656的轉換信號CONVST可以處理器PWM輸出控制。以S3C2410A處理器為例，硬件連接圖如圖2.2所示。S3C2410A的GPE11管腳實現片

5、上SPI接口0的MISO功能，GPE13管腳實現SPI接口0的同步時鐘輸出，GPF0管腳配置為中斷EINT0輸入，GPG0、GPG9管腳設置為輸出管腳，分別作為AD7656的CONVST和的控制信號輸入。通過定時器中斷來 圖2.2 AD7656與S3C2410接口控制信號的采樣間隔，設定定時器0作為采樣定時器，并設置其工作于PWM方式，定時器0的PWM輸出TOUT0作為AD7656的模數轉換控制信號CONVST的輸入。操作時序可以參考圖2.3所示。圖2.3 對AD操作時序當采樣定時器中斷發(fā)生，GPB0/TOUT0輸出高電平，發(fā)送CONVST信號給AD7656,開始模數轉換，管腳GPF0（EIN

6、T0）設置為下降沿觸發(fā)，當BUSY信號從高電平向低電平轉換時，觸發(fā)中斷，開始數據傳送，GPG9給出信號，同時SPI通道0口開始讀數據，讀完48個通道的轉換結果，GPG9恢復高電平輸出，TOUT0輸出低電平，完成一次采樣。等待下一個采樣定時器中斷發(fā)生，進行下一個采樣。TOUT0輸出高電平的寬度TPH由定時器0的內部寄存器TCMPB0內的設定值決定。2.3 數據采集軟件流程模數轉換模塊的軟件，是由兩個中斷子程序，采樣定時器中斷（定時器中斷0）和BUSY下降沿中斷（外部中斷0）構成。采樣定時器中斷子程序只實現給外部中斷0 圖2.4 數據采集程序流程圖置位，允許響應外部中斷0。程序流程如圖2.4（a）

7、所示。外部中斷0程序流程如圖2.4(b)所示。3 頻率的測量實際電網中同一個網段的各個測點的頻率基本上一致，因此在本系統(tǒng)中，僅僅取6個三相測點的48路工頻信號中的一路作為代表，測量頻率。認為所有三相測點的頻率保持一致。頻率的測量其實包括兩部分功能，一種功能是測定工頻信號的頻率，另一種功能是切換每周期的采樣點的存儲區(qū)域。3.1 頻率測量模塊硬件組成 頻率測量模塊的的電路如圖2.5所示。頻率測量模塊是由濾波電路(b)和過零觸發(fā)電路(c)和處理器S3C2410A的中斷EINT1響應組成，濾波電路是把輸入的工頻信號中基波以外的成分濾掉，獲得比較純凈的基波信號，送入過零觸發(fā)電路；過零觸發(fā)電路把工頻信號調

8、制成同樣頻率的方波，作為外部中斷EINT1的輸入，中斷EINT1設置為上升沿觸發(fā)。電壓跟隨電路(a)起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。它的正端輸入來自互感器電路的輸出。圖2.5 頻率測量電路工頻信號頻率與后續(xù)的三次樣條插值以及FFT處理有著直接的聯(lián)系，頻率測量的精度直接影響工頻信號分析結果的準確性。因此，設置外部中斷EINT1為 FIQ（Fast Interrupt）中斷。FIQ中斷具有最高的優(yōu)先級。3.2 頻率測量軟件流程頻率測量軟件其實就是外部中斷EINT1的中斷程序。當中斷EINT1發(fā)生，停止頻率測量計數器計數，處理器讀定時器4的當前計數值，并將其復位重新從零開始重新計數；并且給信號變量

9、Select_Spram求反。讀出的計數值與定時器輸入時鐘周期的積即是上一周期工頻信號實測周期，借此確定實時頻率。中斷程序框圖如圖2.6所示。信號變量Select_Spram是整個采樣數據存儲的判斷信號。具體用途將在下一章節(jié)“采樣數據的存儲”介紹。4 采樣數據的存儲SPI口接收的數據，存儲在系統(tǒng)采樣數據暫存空間，采樣數據暫存空間內的數據為48路工頻信號的電壓電流值交替排列。我們需要對每一路工頻信號分別進行分析，所以需要將每一路工頻信號分配一塊存儲空間，存儲一個周波的采樣序列。因此，在進行進一步的數字信號處理程序之前，需要將一次采樣獲得的 圖2.6 EINT1中斷程序流程圖48路采樣點，分別存入

10、相對應的存儲空間。存儲空間的分配如圖2.7所示。 為了實現對工頻信號的不間斷采樣，設置兩段完全相同的采 樣數據存儲空間Spram0和Spram1，由信號變量Select_Spram的真假，判斷當前的采樣數據存儲到那個數據存儲空間（Spram0或Spram1）。當信號變量Select_Spram為真時，工頻信號的采樣數據存儲在Spram0空間，測得的實時頻率存入Spram1空間，系統(tǒng)對Spram1空間的采樣數據進行處理；當信號變量Select_Spram為假時，工頻信號的采樣數據存儲在Spram1空間，測得的實時頻率存入Spram0空間，系統(tǒng)對Spram0空間的采樣數據進行處理。圖2.7 采樣數據存儲示意圖小結以上簡要介紹了多通道、高精度電能質量實時監(jiān)測系統(tǒng)的數據采集模塊的構成、功能以及實現方式等內容。介紹的數據采集模塊可以同時對68個三相測點的48路工頻信號進行不間斷、無相差的采樣，每個周波至少能夠采樣256點，滿足電能質量監(jiān)測儀的多通道、高實時性采樣要求。為電能質量監(jiān)測儀的對工頻信號的暫態(tài)時間監(jiān)測奠定硬件基礎。參考文獻1 SAMSUNG ELECTRONICS.S3C2410A 200MHz &266MHz 32