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電力調度控制系統(tǒng)包括遙測､遙信､遙調､遙控四部分,數(shù)據(jù)采集屬于遙測部分｡電力調度控制系統(tǒng)一般在現(xiàn)場采集四路電信號進行轉換處理｡整個系統(tǒng)啟動后需要進行一系列的加､減､乘､除､平方､開方運算,這不僅要求CPU的處理速度要快,而且對A/D轉換的速度也提出了一定的要求｡因此,有必要尋找一種轉換速度快､精度高､容易控制的轉換器來完成系統(tǒng)的模/數(shù)轉換｡MAX115是面向16位和32位微處理器設計的8通道逐次逼近型A/D轉換器相對于其它多通道A/D轉換器來說MAX115的優(yōu)點在于可以實現(xiàn)真正的多通道同步采樣,因此可以很好地應用在分布式RTU系統(tǒng)中｡ MAX115內部含有四個同步采樣/保持放大器和四個二選一電路?具有8個單獨的輸入 ?每個通道的轉換速度為2μs,采樣速率為390ksps(單通道)､218ksps(雙通道)､152ksps(3通道)､152ksps(4通道)輸入模擬電壓為:%26;#177;5V,各通道均有過壓保護功能(17V),同時片內含有2.5V參考電壓和可編程時序發(fā)生器,此外, MAX115還帶有高速并行DSP接口,器件內部可提供10MHz時鐘｡ 1 MAX115的工作原理 MAX115內部含有一個逐次逼近型A/D轉換器和四個采樣/保持放大器?每個采樣/保持放大器均與一個二選一開關相連｡因此,MAX115共有8個輸入通道,通過對內部時序發(fā)生器的編程可以使用A､ B兩組采樣/保持放大器中的一組對一路到四路輸入進行同步監(jiān)視,其結果存儲在片內RAM里｡ 2 MAX115的基本操作 2.1 通道選擇 MAX115的輸入數(shù)據(jù)線A0~A3的高兩位與輸出數(shù)據(jù)線D0~D11的低兩位通過三態(tài)門復用,向A0~A3寫入數(shù)據(jù)可控制8個通道的選通｡MAX115共有8種轉換模式及一個節(jié)電模式｡系統(tǒng)上電后,默認CH1A為轉換通道,也可以通過向A0~A3寫控制字來選通轉換通道｡芯片的通道選擇如表1所列｡ 表1 MAX115的通道選擇方式 A3 A2 A1 A0 轉換時間(s) 工作方式 0 0 0 0 2 CH1A通道工作 0 0 0 1 4 CH1A CH2A雙通道工作 0 0 1 0 6 CH1A CH2A CH3A 三通道工作 0 0 1 1 8 CH1A CH2A CH3A CH4A 四通道工作 0 1 0 0 2 CH1B通道工作 0 1 0 1 4 CH1B CH2B雙通道工作 0 1 1 0 6 CH1B CH2B CH3B三通道工作 0 1 1 1 8 CH1B CH2B CH3B CH4B四通道工作 1 任意 任意 任意 - 掉電狀態(tài) 向MAX115輸入轉換指令時,應將CS拉低并對A0~A3數(shù)據(jù)線編程｡然后再給WR一個低脈沖,編程指令在WR或CS的上升沿被鎖存｡這時模數(shù)轉換器做好了轉換的準備｡一旦轉換程序開始執(zhí)行,模數(shù)轉換器將在指定方式下連續(xù)執(zhí)行轉換,直到重新編程或斷電為止｡ 2.2 模數(shù)轉換的啟動 選擇了轉換通道后,再給CONVST一個低電壓,芯片將啟動A/D轉換過程｡此后,模擬輸入將在CONVST上升沿被采樣,此時由于采樣/保持放大器被置成保持模式,附加的CONVST脈沖被忽略,因此在最后的轉換完成以前,電路不能進行新的轉換｡若是單通道轉換,那么A/D轉換結束后,中斷信號INT將變低以指示轉換已完成｡若是多通道轉換,則最后一個通道A/D轉換結束后, INT才變低｡這種模式下,測試系統(tǒng)可以通過監(jiān)視INT信號來檢測轉換是否結束｡ 2.3 讀數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)是以順序方式來讀取的｡單通道工作只需執(zhí)行一次讀操作,而在多通道時,在RD腳上連續(xù)加脈沖就能順序取得CH1-CH4的轉換結果｡連續(xù)讀時,CS要保持低電平｡無論芯片工作在何種方式,在進行了四次讀操作后,其內部地址指針都會重新指向CH1｡CONVST被置低時,內部地址指針也會重新指向CH1｡ 2.4 時鐘 MAX115內部含有頻率為10MHz的時鐘電路,把CLK管腳接到DVdd上可激活內部時鐘(內部時鐘建立時間一般為165μs)｡也可在CLK上建立一個占空比為30%~70%的外部時鐘信號｡本系統(tǒng)采用了MAX115的內部時鐘｡ 由于MAX115同時具有采樣/保持和A/D轉換功能,所以只需將被測信號標準化后引入MAX115的四個通道引腳,然后通過軟件設置就可實現(xiàn)采樣/保持功能｡在采樣/保持信號后,通過軟件對MAX115的轉換管腳進行控制即可實現(xiàn)轉換功能｡ 3 電網(wǎng)數(shù)據(jù)的計算處理 電力調度控制系統(tǒng)中電壓有效值､電流有效值的計算公式如下: 上兩式中,n為一個周期內的采樣次數(shù),u0~un-1和I0~In-1分別為一個周期內各點電壓和電流的采樣值｡由于實際變電站中的供電網(wǎng)絡是三相交流電,因此需要計算的有效值為三相電的線電壓有效值Uab､Ucb和線電流有效值有Ia､Ic｡利用Uab､Ucb和Ia､Ic可計算出系統(tǒng)的有功功率P和無功功率Q｡公式如下: 要處理這么龐大的計算,使用普通的八位單片機一般難以滿足系統(tǒng)的實時性要求｡本系統(tǒng)使用的是十六位單片機80C196KB｡與八位單片機相比,十六位單片機克服了累加器瓶頸問題,它在內存中開辟出232個字節(jié)的空間作為通用寄存器使用,增加了數(shù)據(jù)存取的自由度,大大提高了工作效率｡而且這些通用寄存器可以按字節(jié)､字､雙字存取,這也給計算帶來了很大方便｡另外,80C196KB的指令周期可達125ns,比八位單片機的1μs快得多｡ 4 硬件電路 4.1 MAX115與80C196KB的接口設計 MAX115和80C196KB的接口電路如圖1所示,圖中的MAX115需要正､負電源供電｡此外,MAX115的A/D輸出是12位的,而此時80C196KB的總線工作方式應是16位的,故當MAX115片選有效時?CS為低 ,其總線寬度控制信號BUSWIDTH=1?總線寬度是16位 ,否則讀取的數(shù)據(jù)將不正確;MAX115的通道選擇是由A0~A3決定的,并可在采樣初始化時確定｡在本模塊中,讀數(shù)時序可由HSI.0控制｡啟動轉換則可通過向一地址內寫入數(shù)據(jù)來實現(xiàn)｡ 4.2 復位電路設計 本系統(tǒng)設計有軟件看門狗功能｡但在程序實際運行時,光靠軟件看門狗防止程序運行死鎖或“跑飛”是不安全的,還需要有硬件看門狗電路來保證系統(tǒng)的安全復位和正常運行｡硬件看門狗復位電路如圖2所示｡ 圖中,當系統(tǒng)上電時,三極管T1飽和導通,其集電極輸出低電平復位信號｡而當系統(tǒng)穩(wěn)定后,電容C1充電完畢,T1基極電流逐漸減小,直至T1截止,其集電極變?yōu)楦唠娖?復位信號消失,系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài),此后,轉換器每次啟動轉換都要對計數(shù)器4024復位;而當系統(tǒng)出現(xiàn)故障,MAX115不再轉換時,復位信號將無法對計數(shù)器4024復位,于是計數(shù)器開始計數(shù),計滿后右邊的與非門U12B將輸出高電平以使T2飽和導通,進而使集電極變?yōu)榈碗娖?從而產生復位信號使系統(tǒng)復位｡這樣,在程序運行出錯時就可很快地得到糾正｡ 5 軟件設計 圖3所示是本系統(tǒng)的軟件流程圖｡程序運行時,可先用以下兩條語句啟動看門狗: LDB WATCHDOG,#1EH LDB WATCHDOG,#0E1H 然后判斷信號是否同步,不同步時等待,同步則啟動轉換,只要選中系統(tǒng)給MAX115分配的地址即可｡轉換結束后,由CPU讀出結果并存放在外存儲器中,再進行下一次采樣轉換｡這樣轉換三相電的一個周期信號后,便可計算出其電壓有效值､電流有效值､有功功率和無功功率,最后由單片機的串行口輸出計算結果｡之后再進行下一個周期的處理,如此循環(huán)下去｡ 6 結束語 對電網(wǎng)參數(shù)進行監(jiān)測是電力調度自動化管理系統(tǒng)不可缺少的組成部分｡隨著電子元器件制造工藝水平的提高,各種新器件不斷涌現(xiàn),芯片的功能也不斷增強,這使得提高系統(tǒng)工作的實時性成為可能｡本文所述的基于MAX115的電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和模/數(shù)轉換是對已使用多年的系統(tǒng)的改進｡實驗結果表明,改進后系統(tǒng)的實時效果明顯增強,維護起來也更加方便｡ |
