一種實時性較強的采樣頻率同步實現(xiàn)方法

摘 要： 分析了工頻頻率變化對計算電量有效值的數(shù)字化測量精度的影響及產(chǎn)生采樣頻率誤差的原因，給出用單片機Intel80C196的高速輸入接口及軟件定時器實現(xiàn)采樣頻率跟蹤的方法，并給出硬件電路結(jié)構(gòu)及軟件框圖。

關(guān)鍵詞： 采樣頻率 同步 單片機

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，電力計量表計繼電保護等電力自動裝置也越來越智能化。而這些裝置中，大多都用的是交流采樣。交流采樣的過程多數(shù)是：由系統(tǒng)二次回路來的電壓（或電流），經(jīng)過二次PT（或CT）等變送到A／D適合的電壓后，由CPU控制A／D以一定的采樣頻率進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得離散的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過離散傅立葉變換（DFT)，計算出基波有效值及各次諧波值，進而實現(xiàn)其它功能。進行DFT計算過程如下：

若每周期采樣Ｎ的離散采樣系統(tǒng)，則其基波電壓（或電流）的有效值、實部有效值、虛部有效值分別為：

其中 N——每周波的采樣點數(shù)；

Xn——第n個采樣數(shù)值。

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(nèi)。但在電力自動裝置中，采樣頻率多是由通過設(shè)置CPU定時器分頻系數(shù)來完成，該定時器的時鐘源是cpu系統(tǒng)的晶振決定，采樣頻率是固定的。但是，即使已經(jīng)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(tǒng)的頻率是有變化的，而且在故障錄波裝置，繼電保護裝置產(chǎn)品的檢測中，也要考核在頻率變化情況下裝置的反應(yīng)情況，如：有關(guān)國家檢測標準中，要檢查錄波裝置在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(shù)據(jù)，計算結(jié)果也就難免出現(xiàn)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(tǒng)的工頻，因為二者之一發(fā)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(yīng)于50Hz信號為每周波20點采樣），信號的有效值為60V，對應(yīng)于有46～54Hz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(chǎn)生結(jié)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(chǎn)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(nèi)。要解決這一問題，文獻[1]中給出了“參數(shù)自尋優(yōu)等間隔同步采樣法”。應(yīng)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(fù)雜，且每周波的采樣點數(shù)及頻率都在變化，對于適時性要求高，離散采樣數(shù)據(jù)在后臺處理裝置（如：電力系統(tǒng)動態(tài)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(shù)，根據(jù)單片機測量適時的工頻周期，適時調(diào)整采樣間隔。目前，有相當(dāng)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(xiàn)采樣頻率跟蹤的方法。

２ 硬件電路構(gòu)成及實現(xiàn)原理

考慮到系統(tǒng)的頻率不是變化很快，要實現(xiàn)采樣頻率隨系統(tǒng)工頻的變化而適時調(diào)整，可先測得系統(tǒng)的頻率前一周期對應(yīng)的計數(shù)值Tc（以單片機系統(tǒng)的定時器時鐘周期為單位，以下同），然后根據(jù)每周波采樣點數(shù)（N），適時計算出每一采樣間隔計數(shù)值Tsj：

間隔計數(shù)值：

則以Tsj為周期進行采樣，即可實現(xiàn)采樣頻率的適時跟蹤。為實現(xiàn)這一過程，擬采用如圖1所示的電路結(jié)構(gòu)：來自母線電壓互感器的Ａ相電壓經(jīng)過小PT降壓隔離、低通濾波，經(jīng)過零比較器整形成方波，經(jīng)光耦送到Intel80C196的高速輸入接口HSI.0，利用方波的上升沿觸發(fā)高速輸入中斷，測得每個工頻周期計數(shù)值Tc。經(jīng)過單片機的分析計算，經(jīng)式（4）得到采樣間隔時間Tsj。以Tsj為時間間隔，設(shè)置軟件定時器中斷。在軟件定時器中斷中進行數(shù)據(jù)采集控制等，完成采樣頻率的適時跟蹤。

３ 軟件流程

在進行軟件設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)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(tǒng)周期的測量。后者用于產(chǎn)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(yīng)用功能。在初始化時，應(yīng)當(dāng)設(shè)置采樣時間間隔的缺省計數(shù)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(tǒng)的頻率時，使用該缺省值作為采樣間隔計數(shù)Tsc，即Tsj＝Td 。該缺省值的計算方法可以參考下例：

假定系統(tǒng)頻率為50Hz（即周期為20000μｓ)；

每周波的采樣點數(shù)為20點；

80C196的系統(tǒng)晶振為16MHz，以定時器1作為時間基準，則計數(shù)周期為1μｓ，參見文獻[2]。

則采樣點間隔的時間為：

20000μｓ／20＝1000μｓ

采樣時間間隔的缺省計數(shù)值為：

Td＝1000μｓ／1μｓ＝1000

高速輸入中斷程序首先讀出當(dāng)前的高速輸入計數(shù)值Tnew，計算與上次計數(shù)值Told之差，獲得適時工頻周期Tc，再對Tc的數(shù)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(tǒng)的頻率波動范圍，如45～55Hz對應(yīng)Tc范圍及兩次測量值之差來確定（因為正常系統(tǒng)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(tài)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(yù)置下次進入中斷的時間Tsj。然后進行A／D轉(zhuǎn)換的控制及其它需要每個采樣間隔所做的處理。應(yīng)當(dāng)指出的是，由于軟件定時器中斷優(yōu)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(nèi)部的片內(nèi)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(fā)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(jié)果見表2。雖然比文獻[1]中的方法計算結(jié)果誤差大些，但全在一般裝置誤差允許范圍內(nèi)（＜0.5％），能有效地抵消電力系統(tǒng)頻率變化對裝置測量精度的影響，因此，能夠滿足一般儀器裝置的要求。其具有跟蹤調(diào)整簡單，適時性強的特點，是一種比較實用的方法。采用其它CPU的自動裝置可采用類似原理來實現(xiàn)采樣頻率同步跟蹤。