1、一種實時性較強的采樣頻率同步實現方法李欣唐 朱 誠 杜 濤徐 時間:2008年12月24日 字 體: 大 中 小關鍵詞:摘要：關鍵詞： 采樣頻率 同步 單片機上述計算能準確表達有效值的條件是：每周波的N個采樣點是均勻分布在每個工頻周期內。但在電力自動裝置中，采樣頻率多是由通過設置CPU定時器分頻系數來完成，該定時器的時鐘源是CPU系統的晶振決定，采樣頻率是固定的。但是，即使已經按照準確的工頻頻率(50Hz)計算出符合上述計算要求的采樣頻率，由于電力系統的頻率是有變化的，而且在故障錄波裝置，繼電保護裝置產品的檢測中，也要考核在頻率變化情況下裝置的反應情況，如：有關國家檢測標準中，要檢查錄波裝置在

2、低頻條件下的反映情況。因此，按照固定的采樣頻率采集的數據，計算結果也就難免出現誤差，因此就有可能引起測量精度的下降，或自動裝置的誤動作。1 頻率變化對計算值的影響此處的頻率既是指采樣頻率，又指電力系統的工頻，因為二者之一發生變化，都會影響采樣后有效值的計算。假定采樣頻率固定為1kHz(即對應于50Hz信號為每周波20點采樣)，信號的有效值為60V，對應于有4654Hz頻率的等幅值輸入量，引用公式(1)、(2)、(3)進行全周波付氏濾波進行計算，產生結果的相對誤差如表1所示。顯然，頻率的變化對計算有效值的影響較大。產生這一問題的原因就在于每周波的N個采樣點不是均勻分布在每個工頻周期內。要解決這一

3、問題，文獻1中給出了“參數自尋優等間隔同步采樣法”。應該說，對于慢速的儀表檢測裝置來說該方法是很合適的。但由于其計算過程比較復雜，且每周波的采樣點數及頻率都在變化，對于適時性要求高，離散采樣數據在后臺處理裝置(如：電力系統動態記錄裝置)，就不能滿足要求。因此，在精度滿足要求的情況下，可只采用其中的一種方法：固定采樣點數，根據單片機測量適時的工頻周期，適時調整采樣間隔。目前，有相當部分電力自動裝置中采用Intel80C196單片機作為CPU，本文就以Intel80C196為例介紹實現采樣頻率跟蹤的方法。2 硬件電路構成及實現原理考慮到系統的頻率不是變化很快，要實現采樣頻率隨系統工頻的變化而適時調

4、整，可先測得系統的頻率前一周期對應的計數值Tc(以單片機系統的定時器時鐘周期為單位，以下同)，然后根據每周波采樣點數(N)，適時計算出每一采樣間隔計數值Tsj：則以Tsj為周期進行采樣，即可實現采樣頻率的適時跟蹤。為實現這一過程，擬采用如圖1所示的電路結構：來自母線電壓互感器的A相電壓經過小PT降壓隔離、低通濾波，經過零比較器整形成方波，經光耦送到Intel80C196的高速輸入接口HSI.0，利用方波的上升沿觸發高速輸入中斷，測得每個工頻周期計數值Tc。經過單片機的分析計算，經式(4)得到采樣間隔時間Tsj。以Tsj為時間間隔，設置軟件定時器中斷。在軟件定時器中斷中進行數據采集控制等，完成采

5、樣頻率的適時跟蹤。3 軟件流程在進行軟件設計時，應當充分利用80C196單片機的特點：高速輸入(HSI)接口及軟件定時器。前者用于整形后的方波上升沿檢測，用高速輸入中斷進行系統周期的測量。后者用于產生以計算出的適時采樣間隔Ts為周期的軟件定時器中斷，以進行A/D采集控制。軟件由兩部分組成：主程序、高速輸入(HSI)中斷程序及HS0軟件定時器中斷，流程圖見圖2圖4。主程序主要完成初始化及其它應用功能。在初始化時，應當設置采樣時間間隔的缺省計數值Td 。主要用于因測頻用的電量不正常，不能正確測量電力系統的頻率時，使用該缺省值作為采樣間隔計數Tsc，即TsjTd 。該缺省值的計算方法可以參考下例：假

6、定系統頻率為50Hz(即周期為20000s)；每周波的采樣點數為20點；80C196的系統晶振為16MHz，以定時器1作為時間基準，則計數周期為1s，參見文獻2。則采樣點間隔的時間為：20000s/201000s采樣時間間隔的缺省計數值為：Td1000s/1s1000高速輸入中斷程序首先讀出當前的高速輸入計數值Tnew，計算與上次計數值Told之差，獲得適時工頻周期Tc，再對Tc的數值范圍進行判斷，以確認該值的有效性。在判斷Tc的有效性，可參考如下方法：考慮一般系統的頻率波動范圍，如4555Hz對應Tc范圍及兩次測量值之差來確定(因為正常系統頻率不可能突變)。最后用(4)式并考慮進入中斷程序所需要的20個狀態周期，計算出適時采樣間隔時間Tsj。進入HS0軟件定時器中斷后，首先要做的是預置下次進入中斷的時間Tsj。然后進行A/D轉換的控制及其它需要每個采樣間隔所做的處理。應當指出的是，由于軟件定時器中斷優先級高于高速輸入中斷，因此，采樣控制不會受到高速輸入中斷的影響。另外，此處A/D控制可以是80C196內部的片內A/D，也可以控制擴展A/D。視實際的需要而定。本文所提出的采樣頻率同步方法，已成功用于我們所開發的微機電力故障錄波器及RTU自動裝置中。錄波器中使用采樣頻率跟蹤的使用實測結果見表2。雖然比文獻1中的方法計算結果誤差大些，但全在一般裝置誤差允許范圍內