基于光信號(hào)同步的相位測(cè)量方法

摘   要：本文介紹了一種用光信號(hào)同步的相位測(cè)量方法，著重描述了這種方法的特點(diǎn)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理和實(shí)現(xiàn)方法。運(yùn)用這種方法可以構(gòu)成一種新型的實(shí)用儀器。

關(guān)鍵詞：相位角；相位差；同步信號(hào)；光發(fā)射器；光接收器

引言

在電力繼電保護(hù)系統(tǒng)中，相位測(cè)量是一個(gè)經(jīng)常性項(xiàng)目，從傳統(tǒng)的“過(guò)零”法測(cè)量的情況看，要測(cè)量?jī)蓚€(gè)交流信號(hào)的相位角，通常的做法是將兩個(gè)交流信號(hào)進(jìn)行放大、整形，成為在過(guò)零點(diǎn)變化的方波，同時(shí)還要在一個(gè)回路中進(jìn)行比較，進(jìn)而測(cè)量出同頻信號(hào)的相位差(Δtx)這一主要參數(shù)。但是往往現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需要接入的信號(hào)比較多，這很容易引起接線的錯(cuò)誤。此外，對(duì)線路進(jìn)行相位測(cè)量時(shí)有多個(gè)回路信號(hào)接入設(shè)備，倘若在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)接線錯(cuò)誤，或者儀器內(nèi)部通道之間的隔離出現(xiàn)問(wèn)題，很容易引起回路之間的短路，導(dǎo)致事故發(fā)生。

基于以上情況，必須從原理上改變傳統(tǒng)的測(cè)量方式以適應(yīng)測(cè)試過(guò)程的需要。

圖1  測(cè)量部件的電路原理框圖

圖2  數(shù)據(jù)通信的時(shí)序關(guān)系

用光信號(hào)同步的

間接測(cè)量方法和結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用了一種間接的測(cè)量方法，不需要將2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)交流信號(hào)引入到同一個(gè)設(shè)備，即測(cè)量過(guò)程是分別在各個(gè)信號(hào)的回路獨(dú)立進(jìn)行的。這種間接的測(cè)量方法的條件是必須有一個(gè)同步信號(hào)作為測(cè)量基準(zhǔn)，這樣才能在各個(gè)獨(dú)立回路的測(cè)量回路之間建立起關(guān)聯(lián)，以便最后測(cè)量出Δtx和T0。在這里采用的是紅外光信號(hào)進(jìn)行同步相位測(cè)量的方法，利用光信號(hào)作為同步信號(hào)源，不需要在電路上的連接關(guān)系就可以進(jìn)行同步，同時(shí)還可以利用它作為數(shù)據(jù)通信的載體。

本系統(tǒng)包含一個(gè)主機(jī)和幾個(gè)測(cè)量部件。主機(jī)是系統(tǒng)的核心部分，而測(cè)量部件的數(shù)量取決于實(shí)際測(cè)量的需要(例如在測(cè)量六角圖時(shí)，就應(yīng)該是6個(gè)測(cè)量部件)，主機(jī)是由MCS-51系列的AT89C51單片機(jī)為主體的部分，外圍電路比較簡(jiǎn)單。它主要依靠一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)光接收器構(gòu)成通信接口，單片機(jī)的輸出端經(jīng)過(guò)反相器驅(qū)動(dòng)以后控制光發(fā)射器向測(cè)量部件發(fā)出調(diào)制光信號(hào)。而單片機(jī)的輸入直接與光接收器相連，光接收器把測(cè)量部件發(fā)來(lái)的調(diào)制光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，單片機(jī)則可以通過(guò)程序識(shí)別編碼信號(hào)。光發(fā)射器主要用來(lái)啟動(dòng)測(cè)量過(guò)程，而光接收器則實(shí)現(xiàn)主機(jī)與測(cè)量部件之間的數(shù)據(jù)通信。

每個(gè)測(cè)量部件也是一個(gè)由AT89C51單片機(jī)為核心的智能化的測(cè)量電路，其外圍部分主要包括光發(fā)射器、光接收器和測(cè)量電路(如圖1所示)。測(cè)量電路是由OP07組成的放大電路和LM311組成的整形電路組成，主要功能是將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的方波信號(hào)。方波的輸出與單片機(jī)的I/O線相連接，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以測(cè)量到相關(guān)的時(shí)間值，進(jìn)而計(jì)算出相位角。光發(fā)射器和光接收器的作用主要是實(shí)現(xiàn)測(cè)量,同時(shí)完成與主機(jī)的雙向通信。

間接測(cè)量法的原理

主機(jī)一方面控制測(cè)量過(guò)程，向各個(gè)測(cè)量部件發(fā)出紅外光同步信號(hào)啟動(dòng)測(cè)量，另一方面各個(gè)部件完成測(cè)量以后，通過(guò)紅外光通信將各個(gè)部件的測(cè)量數(shù)據(jù)匯總到主機(jī)，然后進(jìn)行計(jì)算以確定被測(cè)參數(shù)，即引入三維變量的間接測(cè)量方式取代直接測(cè)量法。這種間接測(cè)量方式不再需要直接測(cè)量時(shí)差，只需建立每個(gè)參數(shù)和光同步信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系，再通過(guò)計(jì)算求出時(shí)差?；芈凡辉傩枰陔娐飞系倪B接，僅僅依靠一個(gè)光同步信號(hào)就能夠間接地測(cè)量到多個(gè)測(cè)量回路參數(shù)之間的相位關(guān)系。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于：各個(gè)測(cè)量回路不再需要參考點(diǎn)的連接，回路相對(duì)獨(dú)立，分別測(cè)量各自的交流信號(hào)過(guò)零時(shí)刻與光同步信號(hào)之間的時(shí)間差，以作為相位測(cè)量的基本參數(shù)。它們之間的關(guān)聯(lián)不是靠電路形式的連接，而是依靠光信號(hào)，這樣就可以杜絕回路之間的短路發(fā)生，另外，還可以減少儀器的連線。光信號(hào)除了作為同步信號(hào)外，還作為數(shù)據(jù)傳輸通道，各個(gè)測(cè)量回路將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)光的傳輸，集中在主機(jī)部分最終完成參數(shù)的數(shù)值顯示。

工作過(guò)程

在一個(gè)測(cè)量周期開(kāi)始，由主機(jī)控制光發(fā)射器發(fā)出一個(gè)同步紅外光信號(hào)，測(cè)量部件的光接收器都能在同一時(shí)刻接收到這一信號(hào)，各個(gè)測(cè)量部件的單片機(jī)會(huì)同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)行各自的測(cè)量過(guò)程，完成測(cè)量過(guò)程后，再由各個(gè)部件的單片機(jī)依次將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送回主機(jī)，主機(jī)單片機(jī)通過(guò)光接收頭，依次接收到各個(gè)測(cè)量部件的數(shù)據(jù)并匯總這些基本數(shù)據(jù)，最后通過(guò)計(jì)算后主機(jī)就顯示相應(yīng)的數(shù)字值，至此完成一個(gè)測(cè)量周期。

主機(jī)部分

第一階段，主機(jī)光發(fā)射器發(fā)出同步光信號(hào)，啟動(dòng)各個(gè)測(cè)量部件同時(shí)進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，此時(shí)，單片機(jī)的P3.4/T0引腳設(shè)置為輸出狀態(tài)，當(dāng)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)反相器74LS04驅(qū)動(dòng)光電發(fā)送器，按照程序的約定這個(gè)信號(hào)是表示“啟動(dòng)”的光信號(hào)，即通過(guò)該光信號(hào)向每個(gè)測(cè)量部件傳送開(kāi)始測(cè)量的同步信號(hào)。

第二階段，每個(gè)測(cè)量部件同時(shí)進(jìn)入測(cè)量，測(cè)量完成后再由各個(gè)部件依次將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送回主機(jī)。主機(jī)對(duì)P3.3/INT1引腳的脈沖進(jìn)行測(cè)量和程序識(shí)別，經(jīng)過(guò)解碼確定測(cè)量部件所發(fā)出的信號(hào)，完成“取回?cái)?shù)據(jù)”的工作。

測(cè)量部分

每個(gè)測(cè)量部件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中以UA1(OP07)為主的部分是信號(hào)放大器，例如在以鉗形電流作為對(duì)電流信號(hào)的測(cè)量時(shí)，輸入的電信號(hào)一般比較小，必須經(jīng)過(guò)放大處理。而以UA2(LM331)為主的部分則是過(guò)零比較電路，主要用于將信號(hào)轉(zhuǎn)換為過(guò)零變化的方波，這個(gè)方波的上升沿表示交流信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)。在圖1中還包含光電耦合器SA1(TIL117)，它一方面進(jìn)行電路隔離，同時(shí)還將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平以便在單片機(jī)的P3.2(INT0)上進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)引腳設(shè)置為輸入狀態(tài)，利用軟件很容易對(duì)方波信號(hào)的上升(或下降)沿進(jìn)行測(cè)量。與現(xiàn)有電路比較，其測(cè)量部分簡(jiǎn)化了很多，傳統(tǒng)電路是對(duì)兩個(gè)回路的交流信號(hào)進(jìn)行處理—即將兩個(gè)信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)在一個(gè)設(shè)備中進(jìn)行直接比較以確定出相位差(Δtx)。而該電路不再基于對(duì)兩個(gè)信號(hào)之間直接進(jìn)行比較，且測(cè)量方法也發(fā)生了很大的改變，它是采用一個(gè)公共的光脈沖作為測(cè)量同步信號(hào)。

測(cè)量完成后由測(cè)量部件單片機(jī)的P3.4/T0引腳輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)反相器74LS04驅(qū)動(dòng)光電發(fā)送器，然后通過(guò)光信號(hào)向主機(jī)傳送每個(gè)測(cè)量部件的測(cè)量數(shù)據(jù)。由于對(duì)每個(gè)測(cè)量部件都進(jìn)行了編號(hào)，各個(gè)測(cè)量部件的工作程序會(huì)依據(jù)本身序號(hào)依次向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

工作時(shí)序

圖2描述了進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的時(shí)序關(guān)系，當(dāng)光接收器輸出信號(hào)出現(xiàn)下降沿(即Ps=0)時(shí)，表示接收到主機(jī)的信號(hào)，上升沿到來(lái)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，而且以后的數(shù)據(jù)傳送也是以這個(gè)上升沿為參照標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量時(shí)間Txi +T0i 和Txj+T0j不大于40ms。對(duì)于第一個(gè)測(cè)量部件在同步信號(hào)啟動(dòng)測(cè)量以后再延時(shí)TM1≥Txi +T0i就可以傳送數(shù)據(jù)了。為了可靠，本設(shè)計(jì)取TM1=50ms作為測(cè)量過(guò)程的延遲時(shí)間。設(shè)每次傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間為T(mén)N，那么第二個(gè)測(cè)量部件傳送數(shù)據(jù)的延時(shí)就是第一個(gè)延遲時(shí)間加上TN，即：TM2= TM1+TN，后面的延時(shí)TM的計(jì)算依次類推。

主機(jī)會(huì)根據(jù)這個(gè)過(guò)程在其內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)依次保存各個(gè)部分的測(cè)量數(shù)據(jù)，以便后來(lái)的計(jì)算和顯示。

結(jié)語(yǔ)

這種間接測(cè)量的方法是在傳統(tǒng)的測(cè)量方法基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)，光信號(hào)作為一個(gè)參照量被引入到測(cè)量過(guò)程，依靠計(jì)算機(jī)的控制、存儲(chǔ)、運(yùn)算和處理等功能，得到最終的參數(shù)數(shù)據(jù)。由于這種方法依靠光信號(hào)作為同步和數(shù)據(jù)傳輸，多個(gè)測(cè)量回路不再需要在電路上的直接連接，而是獨(dú)立進(jìn)行，這對(duì)于解決實(shí)際問(wèn)題來(lái)說(shuō)非常有用。