一种实时性较强的采样频率同步实现方法

1、一种实时性较强的采样频率同步实现方法李欣唐 朱 诚 杜 涛徐 时间:2008年12月24日 字 体: 大 中 小关键词:摘要：关键词： 采样频率 同步 单片机上述计算能准确表达有效值的条件是：每周波的N个采样点是均匀分布在每个工频周期内。但在电力自动装置中，采样频率多是由通过设置CPU定时器分频系数来完成，该定时器的时钟源是CPU系统的晶振决定，采样频率是固定的。但是，即使已经按照准确的工频频率(50Hz)计算出符合上述计算要求的采样频率，由于电力系统的频率是有变化的，而且在故障录波装置，继电保护装置产品的检测中，也要考核在频率变化情况下装置的反应情况，如：有关国家检测标准中，要检查录波装置在

2、低频条件下的反映情况。因此，按照固定的采样频率采集的数据，计算结果也就难免出现误差，因此就有可能引起测量精度的下降，或自动装置的误动作。1 频率变化对计算值的影响此处的频率既是指采样频率，又指电力系统的工频，因为二者之一发生变化，都会影响采样后有效值的计算。假定采样频率固定为1kHz(即对应于50Hz信号为每周波20点采样)，信号的有效值为60V，对应于有4654Hz频率的等幅值输入量，引用公式(1)、(2)、(3)进行全周波付氏滤波进行计算，产生结果的相对误差如表1所示。显然，频率的变化对计算有效值的影响较大。产生这一问题的原因就在于每周波的N个采样点不是均匀分布在每个工频周期内。要解决这一

3、问题，文献1中给出了“参数自寻优等间隔同步采样法”。应该说，对于慢速的仪表检测装置来说该方法是很合适的。但由于其计算过程比较复杂，且每周波的采样点数及频率都在变化，对于适时性要求高，离散采样数据在后台处理装置(如：电力系统动态记录装置)，就不能满足要求。因此，在精度满足要求的情况下，可只采用其中的一种方法：固定采样点数，根据单片机测量适时的工频周期，适时调整采样间隔。目前，有相当部分电力自动装置中采用Intel80C196单片机作为CPU，本文就以Intel80C196为例介绍实现采样频率跟踪的方法。2 硬件电路构成及实现原理考虑到系统的频率不是变化很快，要实现采样频率随系统工频的变化而适时调

4、整，可先测得系统的频率前一周期对应的计数值Tc(以单片机系统的定时器时钟周期为单位，以下同)，然后根据每周波采样点数(N)，适时计算出每一采样间隔计数值Tsj：则以Tsj为周期进行采样，即可实现采样频率的适时跟踪。为实现这一过程，拟采用如图1所示的电路结构：来自母线电压互感器的A相电压经过小PT降压隔离、低通滤波，经过零比较器整形成方波，经光耦送到Intel80C196的高速输入接口HSI.0，利用方波的上升沿触发高速输入中断，测得每个工频周期计数值Tc。经过单片机的分析计算，经式(4)得到采样间隔时间Tsj。以Tsj为时间间隔，设置软件定时器中断。在软件定时器中断中进行数据采集控制等，完成采

5、样频率的适时跟踪。3 软件流程在进行软件设计时，应当充分利用80C196单片机的特点：高速输入(HSI)接口及软件定时器。前者用于整形后的方波上升沿检测，用高速输入中断进行系统周期的测量。后者用于产生以计算出的适时采样间隔Ts为周期的软件定时器中断，以进行A/D采集控制。软件由两部分组成：主程序、高速输入(HSI)中断程序及HS0软件定时器中断，流程图见图2图4。主程序主要完成初始化及其它应用功能。在初始化时，应当设置采样时间间隔的缺省计数值Td 。主要用于因测频用的电量不正常，不能正确测量电力系统的频率时，使用该缺省值作为采样间隔计数Tsc，即TsjTd 。该缺省值的计算方法可以参考下例：假

6、定系统频率为50Hz(即周期为20000s)；每周波的采样点数为20点；80C196的系统晶振为16MHz，以定时器1作为时间基准，则计数周期为1s，参见文献2。则采样点间隔的时间为：20000s/201000s采样时间间隔的缺省计数值为：Td1000s/1s1000高速输入中断程序首先读出当前的高速输入计数值Tnew，计算与上次计数值Told之差，获得适时工频周期Tc，再对Tc的数值范围进行判断，以确认该值的有效性。在判断Tc的有效性，可参考如下方法：考虑一般系统的频率波动范围，如4555Hz对应Tc范围及两次测量值之差来确定(因为正常系统频率不可能突变)。最后用(4)式并考虑进入中断程序所需要的20个状态周期，计算出适时采样间隔时间Tsj。进入HS0软件定时器中断后，首先要做的是预置下次进入中断的时间Tsj。然后进行A/D转换的控制及其它需要每个采样间隔所做的处理。应当指出的是，由于软件定时器中断优先级高于高速输入中断，因此，采样控制不会受到高速输入中断的影响。另外，此处A/D控制可以是80C196内部的片内A/D，也可以控制扩展A/D。视实际的需要而定。本文所提出的采样频率同步方法，已成功用于我们所开发的微机电力故障录波器及RTU自动装置中。录波器中使用采样频率跟踪的使用实测结果见表2。虽然比文献1中的方法计算结果误差大些，但全在一般装置误差允许范围内