基于单片机控制的带锁相环三路智能同步采集卡设计

    摘要：介绍了一种自行设计的以87C196嵌入式单片机为控制器核心并带有锁相环的智能同步采集卡，并较为详细地阐述了其设计思想和设计过程。

    关键词：单片机  智能化  锁相环  同步采集  倍频器

    电力系统是数据采集系统的主要应用领域之一，随着电力系统进一步朝着“大电网、大容量、大机组”的方向发展，发、输、配电过程要求高度自动化已成为不可逆转的趋势。因此，其对应的“发、输、配”环节对相应的自动装置、继电保护装置、故障检测及诊断装置等性能提出了更新更高的要求。而数据采集子（卡）系统作为这些装置的“排头兵”，其性能直接影响着这些装置的整体性能，同时也在一定程度上影响着整个电力系统运行的“稳定性、安全性”。电力系统中被测参数的特点：１）大都是周期性电量；２）实时性变量；３）同步性变量——主要指对称三相电压、电流等；４）变化快、随机性强——主要是指一些干扰性及故障性信号（如：电力传输线上浪涌电流、尖峰电压等），同时现场干扰信号多而复杂。因此，对数据采集子系统不仅要求结构上应进一步小型化、灵活化、专用和通用的有机结合以适应不同现场信号采集的需要，还要求其应逐步实现“数字化、智能化、自动化”以满足采集系统实现“高精度、高速度、高可靠性、多功能、多参数测量”等高性能采集和处理的要求。基于上述要求和目标，结合电力系统继电保护装置特点，作者在“三路同步采集卡”设计过程中，在系统结构和采集技术上作了大胆的探索和尝试：在系统结构上采用了性价比较为合理的“串并行结构”充分利用单片机体积小、结构简单、现场适应能力强的优点以及其丰富的硬、软件资源及卓越的性能优势，使其实现了系统结构“微型、灵活”及测试过程自动化的要求；而在采集技术上依据被采信号的特点（三路频率相同）引入了锁相环技术实现了对采集信号频率的自动跟踪和系统采集速率的自动变换等；同时采用了软件实现抗干扰的方式——“数字滤波和设置陷阱技术”，从而提高了系统的抗干扰性能。通过测试表明：该“智能采集卡”满足了设计指标的要求，性能稳定且可靠。

１ 系统结构及原理

１.1 系统结构图

    根据系统设计指标及现场测试的需要，本系统采用串并行结构（见图１），同时考虑到远程传输和数据处理的需要，本采集卡利用单片机的串行通讯口并配以相应接口可直接挂接到系统总线上以实现与上位机的实时通讯。

１.2 系统基本原理

    与通常的数据采集系统相比，该系统中引入了锁相环技术以实现三路信号的同步采集和采集速率的自动调节；另通过多路开关的有机组合在实现三路分时转换的同时也实现了双极性Ａ／Ｄ转换器量程的自动转换，从而提高了系统的灵活性和适应能力。

１.２.1 锁相环技术

    锁相环技术也称自动相位控制技术，于２０世纪３０年代发展起来，现已广泛应用于通信、电子、测控等领域，其结构组成见图２，主要由相位比较器（ＰＤ亦称鉴相器），低通滤波器（ＬＰＦ），压控振荡器（ＶＣＯ）组成。

    其基本原理如下：ＰＤ将Ｖｉ（ｔ）与Ｖｏ（ｔ）的相位进行比较，产生一个与二者相位差成正比的误差电压ＶΦ（ｔ），ＶΦ（ｔ）再经由ＬＰＦ滤波（滤除高频分量），得到控制电压Ｖｄ（ｔ），并加到ＶＣＯ的控制端使ＶＣＯ振荡器输出频率ｆ２向ｆ１靠拢，直至Δｆ＝０，即ｆ２＝ｆ１，从而实现Ｖｉ（ｔ）、Ｖｏ（ｔ）两信号的频率相同而相位差保持恒定（同步），即实现频率自动跟踪和相位锁定。

１.２.２ 集成锁相环ＣＤ４０４６

    锁相环技术尽管出现于２０世纪３０年代，但由于组成锁相环的是一些分离元件，因此使其成本高且性能低；同时由于其它一些技术等因素的影响，极大地限制了其大范围的应用（早期主要应用于电视接收机的行扫描电路和供色度信号解调的副载波振荡电路等），直到２０世纪７０年代初期，随着微电子技术及相关技术的快速发展，使得制作低成本、高性能集成锁相环电路／芯片得以实现。现在，锁相环技术得到了快速发展，如今已广泛应用于工业、通信等领域。作为目前国内外最具代表性也是最常见的集成锁相环芯片ＣＤ４０４６，由于其集成度高、性价比高、多功能、易组合等优点而得到了广泛使用，其管角排列及逻辑图见图３。

    从图３可知：ＶＣＯ的输出可以经由一除法器进行Ｎ分频后，再送至相位比较器Ⅰ，并进而与ＶＩ进行相位比较，最后使ｆ２′＝ｆ１，二者的相位差恒定，从而实现锁相。由于ｆ２′＝ｆ２／Ｎ＝ｆ１，可推得：ｆ２＝Ｎｆ１，由此表明：尽管从局部看使用除法器完成的是分频，但就锁相环整体而言却是实现Ｎ倍频。本文作者正是利用ＣＤ４０４６的这一特性并配以三片可编程计数器芯片ＭＣ１４５２２构成１２０倍频器（见图４），从而实现三路信号在一个周波内完成１２０点同步采集。

２ 系统设计

２.1 硬件设计

    结合上述图１所示的系统硬件结构组成框图及测试性能要求，本系统选用当前较为流行的集成度较高的嵌入式８位单片机８７Ｃ１９６ＮＴ作为主控器（并扩展了一片ＥＰＲＯＭ－２７６４），Ａ／Ｄ转换器采用性价比较高且内含由三态缓冲器和锁存器的１２位ＡＤ１６７４集成芯片通过三片采样／保持器新片ＬＦ３９８以及多路转换开关ＣＤ４０５１和ＣＤ４０５２的有机组合实现三路信号的同步采集以及ＡＤ１６７４分时转换和量程的自动改变１２０倍频器由ＣＤ４０４６集成锁相环芯片和整型放大器４０６９及三片可编程计数器ＭＣ１４５２２组成；另外在通讯接口的设计上选用了当前较为流行的ＣＡＮ串行通信接口。其硬件接线结构图见图４。

２.2 １２０分频器设计

    根据系统要求（在一个周期内完成三路共１２０点采集），本系统选用了锁相环芯片ＣＤ４０４６和三片可编程计数器芯片（ＭＣ１４５２２），其中三片ＭＣ１４５２２按图５所示接线图连接。图中个位所示计数器芯片的输入端（ＣＰ端）接从第三路取样后经４０６９放大器放大、滤波、整形后的输出信号而其输出接４０４６的ＰＨＩ１端。总的分频系数Ｎ＝１００Ｎ１＋１０Ｎ２＋Ｎ３，因此，只需给三片计数器置以相应的计数值便可实现相应的分频系数。本系统要求Ｎ＝１２０，根据接线图可以分别向百位／十位／个位置计数值１、２、０（即通过单片机向其数据输入端送二进制０００１、００１０、００００）便可实现１２０倍的分频，而对于整个锁相环来说则实现了１２０倍频。

２.3 软件设计

    系统软件部分主要是系统主程序、采集子程序、通讯子程序和数字滤波子程序等设计，其中采集子程序作为中断子程序存在；数字滤波采用递推中值算法；所有程序采用Ｃ语言编写。

    数据采集技术作为一门基础性和综合性相结合的技术，在当今迅速发展的信息时代里起着“基础性和导向”作用，而随着信息技术、计算机技术、微电子技术、控制技术的快速发展在大力推动数据采集技术发展和大范围应用的同时，也对实现数据采集技术的载体——数据采集子系统提出新的和更高的要求：使其进一步朝着微型化、智能化、柔性化方向发展。为此，结合电力系统参数测试的特点和要求，本文作者在设计“三路快速、高精度同步采集卡”过程中，围绕以提高系统性能的目标从系统结构和采集技术两方面都进行了大胆的探索和尝试。经过测试表明：该“智能采集卡”性能稳定可靠，并具有较好的柔性和智能性，较好地满足了设计指标和测试的要求。