摘 要： 介紹了一種自行設計的以87C196嵌入式單片機為控制器核心并帶有鎖相環的智能同步采集卡，并較為詳細地闡述了其設計思想和設計過程。
關鍵詞： 單片機 智能化 鎖相環 同步采集 倍頻器
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電力系統是數據采集系統的主要應用領域之一，隨著電力系統進一步朝著“大電網、大容量、大機組”的方向發展，發、輸、配電過程要求高度自動化已成為不可逆轉的趨勢。因此，其對應的“發、輸、配”環節對相應的自動裝置、繼電保護裝置、故障檢測及診斷裝置等性能提出了更新更高的要求。而數據采集子(卡)系統作為這些裝置的“排頭兵”，其性能直接影響著這些裝置的整體性能，同時也在一定程度上影響著整個電力系統運行的“穩定性、安全性”。電力系統中被測參數的特點：1)大都是周期性電量；2)實時性變量；3)同步性變量——主要指對稱三相電壓、電流等；4)變化快、隨機性強——主要是指一些干擾性及故障性信號(如：電力傳輸線上浪涌電流、尖峰電壓等)，同時現場干擾信號多而復雜。因此，對數據采集子系統不僅要求結構上應進一步小型化、靈活化、專用和通用的有機結合以適應不同現場信號采集的需要，還要求其應逐步實現“數字化、智能化、自動化”以滿足采集系統實現“高精度、高速度、高可靠性、多功能、多參數測量”等高性能采集和處理的要求。基于上述要求和目標，結合電力系統繼電保護裝置特點，作者在“三路同步采集卡”設計過程中，在系統結構和采集技術上作了大膽的探索和嘗試：在系統結構上采用了性價比較為合理的“串并行結構”,充分利用單片機體積小、結構簡單、現場適應能力強的優點以及其豐富的硬、軟件資源及卓越的性能優勢，使其實現了系統結構“微型、靈活”及測試過程自動化的要求；而在采集技術上依據被采信號的特點(三路頻率相同)引入了鎖相環技術實現了對采集信號頻率的自動跟蹤和系統采集速率的自動變換等；同時采用了軟件實現抗干擾的方式——“數字濾波和設置陷阱技術”，從而提高了系統的抗干擾性能。通過測試表明：該“智能采集卡”滿足了設計指標的要求，性能穩定且可靠。
1 系統結構及原理
1.1系統結構圖
根據系統設計指標及現場測試的需要,本系統采用串并行結構(見圖1),同時考慮到遠程傳輸和數據處理的需要,本采集卡利用單片機的串行通訊口并配以相應接口可直接掛接到系統總線上以實現與上位機的實時通訊。
1.2系統基本原理
與通常的數據采集系統相比,該系統中引入了鎖相環技術以實現三路信號的同步采集和采集速率的自動調節;另通過多路開關的有機組合在實現三路分時轉換的同時也實現了雙極性A/D轉換器量程的自動轉換,從而提高了系統的靈活性和適應能力。
1.2.1鎖相環技術
鎖相環技術也稱自動相位控制技術，于20世紀30年代發展起來，現已廣泛應用于通信、電子、測控等領域，其結構組成見圖2，主要由相位比較器(PD亦稱鑒相器)，低通濾波器(LPF)，壓控振蕩器(VCO)組成。
其基本原理如下：PD將Vi(t)與Vo(t)的相位進行比較，產生一個與二者相位差成正比的誤差電壓VΦ(t),VΦ(t)再經由LPF濾波(濾除高頻分量)，得到控制電壓Vd(t)，并加到VCO的控制端使VCO振蕩器輸出頻率f2向f1靠攏，直至Δf＝0，即f2＝f1，從而實現Vi(t)、Vo(t)兩信號的頻率相同而相位差保持恒定(同步)，即實現頻率自動跟蹤和相位鎖定。
1.2.2 集成鎖相環CD4046
鎖相環技術盡管出現于20世紀30年代，但由于組成鎖相環的是一些分離元件，因此使其成本高且性能低；同時由于其它一些技術等因素的影響，極大地限制了其大范圍的應用(早期主要應用于電視接收機的行掃描電路和供色度信號解調的副載波振蕩電路等)，直到20世紀70年代初期，隨著微電子技術及相關技術的快速發展，使得制作低成本、高性能集成鎖相環電路/芯片得以實現。現在，鎖相環技術得到了快速發展，如今已廣泛應用于工業、通信等領域。作為目前國內外最具代表性也是最常見的集成鎖相環芯片CD4046，由于其集成度高、性價比高、多功能、易組合等優點而得到了廣泛使用，其管角排列及邏輯圖見圖3。
從圖3可知：VCO的輸出可以經由一除法器進行N分頻后，再送至相位比較器Ⅰ，并進而與VI進行相位比較，最后使f2′＝f1，二者的相位差恒定，從而實現鎖相。由于f2′＝f2/N＝f1，可推得：f2＝Nf1，由此表明：盡管從局部看使用除法器完成的是分頻，但就鎖相環整體而言卻是實現N倍頻。本文作者正是利用CD4046的這一特性并配以三片可編程計數器芯片(MC14522)構成120倍頻器(見圖4)，從而實現三路信號在一個周波內完成120點同步采集。
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2 系統設計
2.1 硬件設計
結合上述圖1所示的系統硬件結構組成框圖及測試性能要求，本系統選用當前較為流行的集成度較高的嵌入式8位單片機87C196NT作為主控器(并擴展了一片EPROM－2764),A/D轉換器采用性價比較高且內含由三態緩沖器和鎖存器的12位AD1674集成芯片,通過三片采樣/保持器新片LF398以及多路轉換開關CD4051和CD4052的有機組合實現三路信號的同步采集以及AD1674分時轉換和量程的自動改變;120倍頻器由CD4046集成鎖相環芯片和整型放大器4069及三片可編程計數器MC14522組成;另外在通訊接口的設計上,選用了當前較為流行的CAN串行通信接口。其硬件接線結構圖見圖4。
2.2 120分頻器設計
根據系統要求(在一個周期內完成三路共120點采集),本系統選用了鎖相環芯片CD4046和三片可編程計數器芯片(MC14522),其中三片MC14522按圖5所示接線圖連接。圖中個位所示計數器芯片的輸入端(CP端)接從第三路取樣后經4069放大器放大、濾波、整形后的輸出信號,而其輸出接4046的PHI1端。總的分頻系數N＝100N1+10N2+N3,因此,只需給三片計數器置以相應的計數值便可實現相應的分頻系數。本系統要求N＝120,根據接線圖可以分別向百位/十位/個位置計數值1、2、0(即通過單片機向其數據輸入端送二進制0001、0010、0000)便可實現120倍的分頻,而對于整個鎖相環來說則實現了120倍頻。
2.3 軟件設計
系統軟件部分主要是系統主程序、采集子程序、通訊子程序和數字濾波子程序等設計,其中采集子程序作為中斷子程序存在；數字濾波采用遞推中值算法；所有程序采用C語言編寫。
數據采集技術作為一門基礎性和綜合性相結合的技術，在當今迅速發展的信息時代里起著“基礎性和導向”作用，而隨著信息技術、計算機技術、微電子技術、控制技術的快速發展在大力推動數據采集技術發展和大范圍應用的同時，也對實現數據采集技術的載體——數據采集子系統提出新的和更高的要求：使其進一步朝著微型化、智能化、柔性化方向發展。為此，結合電力系統參數測試的特點和要求，本文作者在設計“三路快速、高精度同步采集卡”過程中，圍繞以提高系統性能的目標從系統結構和采集技術兩方面都進行了大膽的探索和嘗試。經過測試表明：該“智能采集卡”性能穩定可靠，并具有較好的柔性和智能性，較好地滿足了設計指標和測試的要求。
參考文獻
1 Hideaki Fujita,and Hirofumi Akagi.Control and perfor mance of a pulse－Density－Modulated Series－Resonant Inverter for Corona Discharge Process in IEEE transac tincns on industry applications.1999；35[J]：621～627
2 劉文彥,周學平等.現代測試系統，長沙：國防科大出版社，1994
3 雷 霖.微機自動檢測.成都：電子科大出版社，1998
4 黃華榮等.鎖相技術.武漢：華中理工大學出版社，1998
5 何立民.單片機測控系統設計大全.北京：北京航空航天大學出版社，1998
6 仲崇權等.一種智能光隔離溫度、電流和電壓微機采集接口卡設計.工業控制計算機，1998;(4):46～47