多通道、高精度电能质量实时监测系统的数据采集

1、多通道、高精度电能质量实时监测系统的数据采集（方案简述）1. 简述数据采集作为多通道、高精度电能质量实时监测系统研究的一个重要环节，直接决定整个监测系统的实现与否。通常来说，数据采集模块的功能是实现电网信号的转换和数字化，把电网上的高电压、大电流信号转换成0到5V的低压信号；然后把模拟信号转换为数字信号，传输给微处理器。一般包括以下几个部分：一. 信号调理模块：1.信号电平转换，2.抗混叠滤波，3.信号隔离；二. A/D转换模块：1.A/D转换，2.A/D芯片与微处理器的连接；三. 频率测量模块：工频信号频率的测量。四采集数据的存储：以适当的方式存储采集到的工频信号序列，以方便下一步的分析。本

2、系统中，如前文所述，抗混叠滤波部分由基于FPGA器件的硬件滤波器完成，并且工频信号的信号调理，有很多现成的模块，可以直接拿来使用，因此在此也不作讨论。在这里，仅仅讨论A/D转换模块、频率测量模块和采集数据的存储这三个部分，解决多通道、高精度电能质量实时监测系统的数据采集中的关键问题：1. 6个三相测点，共48路工频信号的数据采集；2. 对48路工频信号无相差、不间断采样； 3. 实时工频信号频率的测量，工频信号每个周波测量频率一次，频率测量精度小于千分之一； 4. 辨识每路工频信号的每个周波采样序列，并分别存储，以方便后续分析。下面，就A/D转换模块、频率测量模块和采集数据的存储部分分别讨论，

3、以解决上述问题。2. A/D 转换模块由于需要对6个三相测点，共48路工频信号进行无相差、不间断采样；A/D器件的选型非常重要，是实现多通道、高精度电能质量实时监测系统的根本。2.1 A/D 的选型A/D转换器拟选用美国ADI公司最新推出基于iCOMS工艺的6通道16位双极性器件AD7656。AD7656可以同时对6路模拟输入进行同时采样，可以避免由于采样产生的相位误差，而且可以可用菊花链路方式多片级联，扩展转换通道数，最多可以级联8片，可以同时转换48路模拟输入；最高可达250kSPS的数据吞吐能力，能够满足系统要求。由系统要求决定，AD7656应当工作在级联模式，而在级联模式下，采样信号的

4、输出只能串行输出，考虑到减少系统片上连线等方面，这里只将DOUTA作为唯一的输出口，又因为系统的 图2.1 级联方式硬件连接图采样频率固定，因此可以考虑将AD7656配置成硬件模式。所谓的硬件模式是通过对器件引脚的固定连接，确定AD7656芯片唯一的工作方式。AD7656的设置方式请参考文献2。级联方式硬件连接如图2.1所示。2.2 A/D 转换模块的设计决定好AD7656的工作方式，AD7656的输出与基于ARM核处理器的SPI接口连接，AD7656的转换信号CONVST可以处理器PWM输出控制。以S3C2410A处理器为例，硬件连接图如图2.2所示。S3C2410A的GPE11管脚实现片上

5、SPI接口0的MISO功能，GPE13管脚实现SPI接口0的同步时钟输出，GPF0管脚配置为中断EINT0输入，GPG0、GPG9管脚设置为输出管脚，分别作为AD7656的CONVST和的控制信号输入。通过定时器中断来 图2.2 AD7656与S3C2410接口控制信号的采样间隔，设定定时器0作为采样定时器，并设置其工作于PWM方式，定时器0的PWM输出TOUT0作为AD7656的模数转换控制信号CONVST的输入。操作时序可以参考图2.3所示。图2.3 对AD操作时序当采样定时器中断发生，GPB0/TOUT0输出高电平，发送CONVST信号给AD7656,开始模数转换，管脚GPF0（EINT

6、0）设置为下降沿触发，当BUSY信号从高电平向低电平转换时，触发中断，开始数据传送，GPG9给出信号，同时SPI通道0口开始读数据，读完48个通道的转换结果，GPG9恢复高电平输出，TOUT0输出低电平，完成一次采样。等待下一个采样定时器中断发生，进行下一个采样。TOUT0输出高电平的宽度TPH由定时器0的内部寄存器TCMPB0内的设定值决定。2.3 数据采集软件流程模数转换模块的软件，是由两个中断子程序，采样定时器中断（定时器中断0）和BUSY下降沿中断（外部中断0）构成。采样定时器中断子程序只实现给外部中断0 图2.4 数据采集程序流程图置位，允许响应外部中断0。程序流程如图2.4（a）所

7、示。外部中断0程序流程如图2.4(b)所示。3 频率的测量实际电网中同一个网段的各个测点的频率基本上一致，因此在本系统中，仅仅取6个三相测点的48路工频信号中的一路作为代表，测量频率。认为所有三相测点的频率保持一致。频率的测量其实包括两部分功能，一种功能是测定工频信号的频率，另一种功能是切换每周期的采样点的存储区域。3.1 频率测量模块硬件组成 频率测量模块的的电路如图2.5所示。频率测量模块是由滤波电路(b)和过零触发电路(c)和处理器S3C2410A的中断EINT1响应组成，滤波电路是把输入的工频信号中基波以外的成分滤掉，获得比较纯净的基波信号，送入过零触发电路；过零触发电路把工频信号调制

8、成同样频率的方波，作为外部中断EINT1的输入，中断EINT1设置为上升沿触发。电压跟随电路(a)起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。它的正端输入来自互感器电路的输出。图2.5 频率测量电路工频信号频率与后续的三次样条插值以及FFT处理有着直接的联系，频率测量的精度直接影响工频信号分析结果的准确性。因此，设置外部中断EINT1为 FIQ（Fast Interrupt）中断。FIQ中断具有最高的优先级。3.2 频率测量软件流程频率测量软件其实就是外部中断EINT1的中断程序。当中断EINT1发生，停止频率测量计数器计数，处理器读定时器4的当前计数值，并将其复位重新从零开始重新计数；并且给信号变量S

9、elect_Spram求反。读出的计数值与定时器输入时钟周期的积即是上一周期工频信号实测周期，借此确定实时频率。中断程序框图如图2.6所示。信号变量Select_Spram是整个采样数据存储的判断信号。具体用途将在下一章节“采样数据的存储”介绍。4 采样数据的存储SPI口接收的数据，存储在系统采样数据暂存空间，采样数据暂存空间内的数据为48路工频信号的电压电流值交替排列。我们需要对每一路工频信号分别进行分析，所以需要将每一路工频信号分配一块存储空间，存储一个周波的采样序列。因此，在进行进一步的数字信号处理程序之前，需要将一次采样获得的 图2.6 EINT1中断程序流程图48路采样点，分别存入相

10、对应的存储空间。存储空间的分配如图2.7所示。 为了实现对工频信号的不间断采样，设置两段完全相同的采 样数据存储空间Spram0和Spram1，由信号变量Select_Spram的真假，判断当前的采样数据存储到那个数据存储空间（Spram0或Spram1）。当信号变量Select_Spram为真时，工频信号的采样数据存储在Spram0空间，测得的实时频率存入Spram1空间，系统对Spram1空间的采样数据进行处理；当信号变量Select_Spram为假时，工频信号的采样数据存储在Spram1空间，测得的实时频率存入Spram0空间，系统对Spram0空间的采样数据进行处理。图2.7 采样数据存储示意图小结以上简要介绍了多通道、高精度电能质量实时监测系统的数据采集模块的构成、功能以及实现方式等内容。介绍的数据采集模块可以同时对68个三相测点的48路工频信号进行不间断、无相差的采样，每个周波至少能够采样256点，满足电能质量监测仪的多通道、高实时性采样要求。为电能质量监测仪的对工频信号的暂态时间监测奠定硬件基础。参考文献1 SAMSUNG ELECTRONICS.S3C2410A 200MHz &266MH