河南机电高等专科学校
毕业设计（论文）
交流电量同步采集
系 部: 自动控制系
专 业: 电气自动化
班 级: xxxxx xx
姓 名: xxxx xxx xx
学 号: xxx xxx xx x
指导老师: xxx
二零一二年五月
第一章 绪论
1.1 课题的目的和意义
电力系统交流电量采集是指把电力系统的交流电压及电流等经过变换、滤波、S /H 及 A/D 转换后得到对应该交流电量的离散化数据序列，并存放到存储器中的过程。交流电量的同步采集是指在电力系统的不同采样点同时开始采样，使不同采样点的采样结果在时间上具有同步性。电力系统随着自身的发展变得越来越复杂，电力系统的各种监测与保护装置都要用到交流电量采集这个环节，并且在诸多场合都要求交流电量的同步采集，这对电力系统继电保护、故障判断和系统稳定的分析与控制等都具有重要意义。
如何才能做到异地同步采集呢？当两个地方相距不远时，可以通过网络的方式保证两台采集设备同步；但是很多都是两地相距较远的情况，如果利用网络，一是设备使用复杂、繁重，二是不能保证精确同步，因为通过网络校准采集设备的时间会存在由于网络传输延时所导致的误差。
1.2 课题背景
我国的电网调度自动化起步较早，从数据采集和监控(SCADA ) 到能量管理系统(EMS ) ，大体经历了远动化、数字化和自动化 3 个阶段。现今，EM S 正在走向信息化的能量信息系统(EIS) ，并逐步组入当代电力企业资源规划(ERP) 。为了适应不断发展的计算机技术和自动化、信息化进程，作为该系统基础部分之一的交流电量采集器，也同时需要不断升级和更新换代。
相比早期采用变送器方式的直流采集，交流电量采集设备的处理要求更高，而且对 AD 的转换精度和速度要求也更高，特别是近年来随着对谐波测量和通信能力的需求提高，也增加了对交流设备的硬件性能要求。另一方面，用户和开发机构都不断希望在有限的硬件资源和空间上增加产品的功能密度，因此电量测量产品不仅要增强功能，还要选用合适的硬件平台来满足这种需求。
（1）北斗卫星简介
北斗卫星导航定位系统是中国自主研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，是继美国的 GPS 、俄罗斯的 GLONA SS 之后第三个较成熟的卫星导航定位系统。该系统工作在 2491.75MH z 的频率上，可向用户提供全天候、高精度、区域性的即时定位服务，定时精度可
达数十纳秒(ns) ，定位精度可达数十米，其精度与GP S 相当。这为电力系统数据采集提供高精度时间基准、为同步相量测量的时钟源提供了一种新的选择。
(2) 基于北斗导航系统定位的 PMU
目前，应用于我国电网中的 PMU 大都是基于 GPS 提供的授时信号来实现同步数据采集的，电网的稳定运行对 PMU 的依赖越来越强。将北斗卫星授时系统应用于电力系统同步相量测量技术中，可弥补长久以来使用 GPS 作为唯一同步时钟源而存在的风险性和不可依赖性，解决了将同步相量测量技术应用于广域监测的时钟源可靠性问题。
山东电网广域实时动态监测系统，从 2005 年 8 月开始建设，它首次在国内使用国产“北斗一号”卫星导航系统为 PMU 提供备用授时信号。该系统采用北斗系统授时信号和 GPS 授时信号构成互备授时方案，能够保证在非常时期电网的安全性，意义至关重要。
根据行业特点和需求，系统总共分为 3 个分系统组成：变电所数据采集系统、通信传输系统、监控中心系统。电站系统采集到各种数据利用北斗卫星将信息转发到中国卫通 IIS P 平台，平台将信息送往应用数据中心，中心对数据进行处理后可提供两个数据通路：一路将信息经世广卫星转发到用户指挥机，由指挥机将信息送到用户监控中心；而另一路可通过 Inte rne t 经有线送到用户监控中心。用户监控中心对接收到的数据进行相应的存储、分析、处理、监控等，至此完成一次信息的上传工作。用户对变电所的指令则以相反的路由下达给变电所，完成远程遥控功能。
1.3 交流电量同步采集在电力系统中的应用前景
1.3.1 输电线路参数在线测量
在电力系统继电保护整定计算中，必须考虑有关线路参数的影响。随着电力系统的发展加之线路走廊受限，影响系统零序自感和零序互感的因素很多，精确计算零序参数几乎是不可能的，因此零序参数必须实测。但对大系统多线路停电进行线路零序参数的测量经常是行不通的，根据线路参数在线测量理论，采用基于北斗卫星导航定位系统的同步采集方法，就可以实现线路参数的在线测量。这不但有助于提高输电线路参数测量的精度，还可以避免参数测量给电力系统运行带来的不便和经济损失，有着重要的实用价值和经济效益。
1.3.2 电网状态监测
电网运行状态的监测是同步采集技术与计算机通信技术相结合的结果。它对电网重要节点的电压相量、发电机功角和输出功率等运行变量进行实时测量和同步处理，并将有关 P，Q ，V ，I ，f 等实时信息通过快速通信网传送到电网调度中心的动态数据库中，这些数据过图形化处理，以调度员能够理解的方式展，为调度中心的正确决策提供可靠依据，同时与相同扰动的仿真模型进行比较，用来评价模型的有效性，并及时改变其参数。当预测到系统将失去暂态稳定时，可以按照预定方案对系统采取紧急措施，以防止系统崩溃。
1.3.3 输电线路精确故障定位
对于高压输电线路故障的快速、精确、可靠定位，国内外进行了广泛深入的研究，已经形成阻抗法、人工智能、阻抗行波解析等多种定位方法。其中，阻抗法由于受到故障过渡电阻等因素的影响，其测距误差较大；行波法存在硬件造价高等问题，实际应用还有待研究；而人工智能等模糊理论和方法具备不确定性，在训练样本选择、硬件等方面也有难度，尚不能投入实际应用；双端测距算法由于充分利用了故障信息，可以取得很高的测距精度。
1.4 本论文的主要工作
本论文围绕基于单片机和 DSP 的电力系统交流电量同步采集器的设计与实现展开讨论，主要工作包括以下几个方面：
(1) 了解电力系统交流电量同步采集的重要意义及其应用前景；
(2) 研究北斗卫星导航定位系统原理及授时方法；
(3) 研究如何利用北斗卫星导航定位技术实现电力系统交流电量同步采集并对同步采集方法进行误差分析；
(4) 进行基于单片机和 D SP 的电力系统交流电量同步采集器硬件系统的设计并绘制完整的硬件连接电路图；
(5) 进行基于单片机和 D SP 的电力系统交流电量同步采集器软件系统的设计。
第二章 北斗系统的应用
2.1 北斗卫星导航定位系统简介
中国科学院院士陈芳允先生于 1983 年提出“双星定位”的方案，与此同时美国静止卫星公司和欧洲本地卫星公司也提出了类似的方案，但美国和欧洲的公司从事双星定位的研究以失败告终，中国获得了成功，并命名为北斗一号。
2.1.1 系统工作原理
中心控制站通过工作卫星向用户播发连续的时帧格式的出站信号。用户机在收到出站信号的前提下，根据协议以出站信号中的帧时标为启动时间基准，发射定位申请、通信申请、定时申请等格式的突发入站信号。入站信号经卫星转发到中心控制站，中心控制站进行定位、通信各种协定处理后，把定位数据、通信数据等打包放入出站帧信号之中，发往指定用户。用户收到中心控制站通过卫星转发的出站各种数据，从而实现定位、通信等功能。
用户的经度、纬度、高度三维定位数据是通过控制中心发射出站伪码经卫星转发实现测距，测出用户到卫星的距离和量，并利用用户自身提供的测高数据或中心控制站的高程数库三个信息解算出来的。依据用户机接收 1 颗还是 2 颗卫星的出站信号，进行伪距测量的方法，可分为双收单发和单收双发两种模式。
通过卫星的转发和中心控制站的交换处理，用户与用户、用户和中心站之间，可实现向报文通信，通信的数据主要为汉字和代码两种形式的短消息。中心控制站通过出站信号以时帧形式将“北斗”系统标准时发往用户，用户在收到标准时和利用广播信息、获得信号传输时延信息后，可获取高精度的时间信息，完成单向定时授时功能。在特定情况下用户机还可以发送双向定时申请信息给中心站，中心站处理之后可将更高精度的定时信息发往申请用户，完成双向定时功能。
北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以 2 颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成 2 个球面，用户终端将位于这 2 个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交
点即可获得用户的位置。系统原理框图如图 2-1 所示。
北斗星定位导行系统原理框图
2.1.1. 1 协调世界时(Un ive rs al Co ord in ate d Tim e-UTC )
时间是最基本的物理量之一，也是卫星导航定位、导弹、航天试验的重要参数之一，它们都对时间提出了很高的精度要求。谈到时间，就应该有时间标准，时间标准的选择应满足两个要求：
(1) 稳定性。要求运动的周期稳定，即在不同时候这种运动的周期应该是一样的，很少受外界条件变化的影响。
(2) 复现性。要求这种运动可以在任何地方和任何时候重复观测或实验。
2.1.1. 2 系统授时原理
卫星授时：利用无线电波发播标准时间信号的工作称为授时。
卫星授时按卫星在授时中所起的作用可分为主动式和中转式两类。主动式卫星带有精密时钟可发播标准时间信号，GPS 属于此类；中转式卫星仅是个媒介，它转发由地面时间基准通过卫星地面站送来的标准时间信号。北属于中转式，其时频系统示意图如图 2-2 所示。
图2-2北斗星时频系统图
机内的数字化地形图查询到的用户高程值，计算出用户所在点的坐标；或用户同时接收两颗卫星的出站信号，测量出接收到的两信号的时差值，并将此测量值随同申请服务的信息通过一颗卫星转发回中心
控制系统，由中心控制系统测算出用户至两颗星的距离(即双收单发方式) ，计算出用户位置。
根据系统的定位原理可知，申请定位的用户每响应一次询问信号，中心控制系统可以测得用户至两颗卫星的距离量，加上用户所在点的高程值，可以确定用户的位置。
2.1.1. 3 系统定位原理
北斗导航定位系统采用三球交会测量原理进行定位，即三个已知距离相交一点的测量原理。以两颗卫星(位置已知) 为两球心，两球心至用户的距离(本系统要完成的测量量) 为半径可做两球面，另一个球面是以地心为球心，以用户所在点至地心的距离(含用户高程) 的参考椭球面，三球面交会点即为用户的位置(解算时排除镜像点，因为地处北半球所以可以排除南半球的镜像点) 。对于定位申请，用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号(即单收双发方式) ，经卫星转发回中心控制系统，中心控制系统接收和解调出用户发送的信号，测量出用户所在点至两卫星的两个距离和，加上从存储在计算机内的数化地形图查询到的用户高程值，计算出用户所在点的坐标；或用户同时接收两颗卫星的出站信号，测量出接收到的两信号的时差值，并将此测量值随同申请服务的信息通过一颗卫星转发回中心控制系统，由中心控制系统测算出用户至两颗星的距离，计算出用户位置。
根据系统的定位原理可知，申请定位的用户每响应一次询问信号，中心控制系统可以测得用户至两颗卫星的距离量，加上用户所在点的高程值，可以确定用户的位置。
式中（x ，y ，z ）代表用户在空间直角坐标系位置坐标；R e 为地球半径；e 为地球的偏心率；Ru1、R u2分别为用户至卫星 1、2 的测量距离；R o1、Ro2分别为中心控制系统至卫星 1、2 的真实距离，在卫星的摄动量不大时，可认为是常值；中心控制系统、卫星 1 和 2 在空间直角坐标系中的真实坐标分别为(xi ，yi ，z i)(i=012R u1、Ru 2如式(2-2) 所示。
三个未知数由三个联立方程确定，也可将方程线性化求解。其矩阵形
式如式(2-3) 所示。
2.2定位系统在交流电量同步采集中的应用
2.2.1 北斗系统在电力系统中应用的可行性分析
北斗系统在电力系统中的应用领域主要有：稳态分析；全网动
态过程记录及事故分析；电力系统动态模型辨识及模型校正；暂态稳定预测及控制；电压、频率稳定监视及控制；低频振荡分析及抑制；全局反馈控制；故障定位及线路参数测量。要在我国电力系统中应用北斗卫星导航定位系统，首先要求其满足以下几个方面的要求
(1) 覆盖范围
北斗系统首先要保证能够覆盖我国的国土，北斗系统提供定位和授时服务范围包括中国大陆及其相邻地区，能够满足互联电网的要求。
(2) 同步授时精度
同步时间信号的精度是保证PMU 进行同步采样的关键。北斗卫星系统可向用户提供20～100 ns 时间同步精度。其中单向授时精度为100n s ，双向授时精度为20 ns 。考虑到北斗卫星系统的用户容量和PMU 应用的广泛性，可以采用单向授时，虽然授时精度相对差了一些，但是对于50Hz 的工频量来说，100 ns产生的相角误差为0．0018°，已经能够满足P MU 对同步信号的要求。
(3) 通信功能
北斗卫星系统具有转发和收发双向数字报文的通信能力，而G PS 系统本身不具备通信能力。
(4) 安全可靠性
北斗卫星系统是我国自主开发的，不受他国的控制和限制，可靠
性和安全性较有保证。
2.2.2 基于时间标签的交流电量同步采集
这种同步采集方法的主要思路为：利用北斗接收板发出的串口时间信息和同步秒脉冲，在测量系统内建立整个测量系统的实时时钟，由串口时间信息建立测量系统的年、月、日和时、分、秒，由同步秒脉冲和计数器建立测量系统的微秒级时钟，测量系统可以在任意时刻读出精度达到 1μs 的时间；在采样过程中，不但获得采样点的值，同时由单片机对该采样点打上时间标签；在对采样数据的处理过程中，一般采用过零点比较的方法，即比较被测信号与参考电压过零点的时间差，进而换算出它们的相角差来。
采用这种方法进行同步采集，它的主要优点在于可以保证整周期采样，即对于不同地点的同步采集系统，分别利用锁相环技术，每个周期固定地采集一定的点数，当系统频率发生漂移时，也能够根据锁相环自动改变采样频率，保证在每个周期都平均采集相同的点数，避免了在进行数据处理时利用傅立叶变换带来的误差。当然，采用该种方法进行同步采集时，也存在很多的不足之处。传输信息量大，不仅有每个点的采样值，还有该点的采样时间；硬件电路繁杂，还需要专门设计锁相环单元；数据处理较为复杂，需要分别对每路信号进行过零点比较，才能得出相角差来；此外，软件时钟可能产生较大的误差，当受外界信号干扰时，时钟的不准确会造成采样数据失效。
因此，采用这种方法的同步采集系统比较适用于系统监测、故障录波等方面的自动装置。比如系统监测方面的装置，它需要长时间的运行，因此，必须保证整周期采样，减少累积误差；再如故障录波装置，运行于电力系统故障状态下，系统频率可能波动比较大，对采样频率需要不断进行调整。通过卫星向中心控制站发送定位申请，然后中心控制站将含有定位信息的导航电文。
通过卫星发回用户才能实现定位，而正因此特点用户，无需另配通信设施就可将用户位置报知已方，且通过双向通信每次可传送多达 105 个汉字的短信，这对于某些用户来说是极其需要和至关重要的。
2.2.3 基于绝对时间的交流电量同步采集
2.2.3. 1 总体思路
这种同步采集方法的主要思路就是固定频率采样，即所有采样装置都按照一个固定的频率对信号采样，并利用北斗设备来保证所有的
采样装置都在同一个时刻开始按照同一个频率进行采样。其具体做法可以采用高稳定晶振构成震荡电路产生一个稳定的采样频率，并通单片机以及北斗发出的同步秒脉冲来控制这个采样频率，使其在某个预先设定的时间开始发出启动采样，以此来保证各个采样装置在同一时间开始采样。而且，在下一个秒脉冲到来的时候，再将秒脉冲与采样频率同步一次，以消除晶振电路给采样频率带来的累积误差，确保各个采样装置的每个相应采样点的时刻都相同。采样波形与北斗秒脉冲的时序如图 2-4 所示。
秒脉冲
如图2—3 采样波形与北斗秒脉冲的时序图
2.2.3. 2 同步采集误差分析
Matl ab 仿真结果如表 2-1 所示。
一般来说，电力系统频率偏差不允许超过±1，即 49≤f≤51；根据电力系统有关规程，系统在正常运行情况下，要求频率偏差不超过±0.2，即 49.8
为 800H z ，并对采集的数据进行傅立叶变换求出幅值和相位。
由表 2-1 的结果可以看出，在电力系统实际运行情况下，对短时采样计算来说，系统的频率漂移对计算结果不会产生较大的误差。 2.2.3. 3 对采样理论的测试实验验证
交流电量同步采集器的关键之处在于能否做到数据采集的同步性。为此，我们在实验室做了同步采集实验。
(1) 实验设备：两台交流电量同步采集器，一台220V /5V变压器，一台220V 工频交流电源，电位器一个，万用表一台。
(2) 实验步骤：
1) 接线：将变压器原边接220V 交流电源，副边接电位器，电位器的输出同时接入两台同步采集器；同时将两台同步采集器的GP S 天线接好，并放置到开阔地方以更好地接收卫星信息。
2) 数据采集：接线完毕打开同步采集器的电源开关，观察GP S 的定位信息，看是否定位。等两台同步采集器同时定位后，对两台同步采集器输入一个相同的预定采样开始时刻；打开220V 交流电源开关，调整电位器，使电位器输出一个峰值在5V 以内的工频交流电压信号，待采样时刻到来时进行数据采集。
3) 数据处理：数据采集结束后将所采集的数据进行处理，包括变比转换、采样值还原及FFT 变换。
表 2-2 两台同步采集器所测电压信号相位比较
第三章 交流电量同步采集器硬件设计
3.1 交流电量同步采集器整体结构
交流电量同步采集器整体结构如图 3-1 所示。同步采集器主要由前端信号调理电路，A/D 转换器，单片机，双口 RAM ，北斗接收板，CPLD 逻辑控制模块，数字信号处理器(DSP ) 及其外围电路组成。其中，前端信号调理电路包括：变换器、低通滤波、程控放大、有源滤波等 4 个子模块。D SP 外围电路包括：电源电路、复位电路、时钟电路、J TAG 接口电路、键盘、液晶显示器、串口通信等 7 个子模块。同步采集器共采集处理 6 路模拟信号：UA 、U B 、U C 、I A 、I B 、I C 。路模拟信号经过前端信号调理电路和 A/D 转换器后变成数字信号被传送到单片机中，经过双口 RAM 交换数据并经过 DSP 处理后通过串口被传送至 PC 机。
如图3-1 交流变量同步采集器结构框图
同步采集器共采集处理 6 路模拟信号：U A 、U B 、U C 、I A 、I B 、I C6 路模拟信号经过前端信号调理电路和 A/D 转换器后变成数字信号被传送到 DSP 中对数据进行采集，再通过外围硬件电路双口 RAM 对数据进行缓存，然后由工控机读取这些数据，并进行数据的处理。
本文将 G PS 接收板接收到的同步秒脉冲 1PPS 作为整个系统的同步时钟。C PLD 逻辑控制模块通过接收同步秒脉冲 1PPS 和 DS P 的控制信号，并经过一定的逻辑运算产生同步采样信号，控制不同地点同
步采集器的 A/D 转换器同时始采样保持和模数转换，从而实现了交流电量的异地同步采集。
3.2 数据采集单元
数据采集单元主要由变换器、低通滤波、程控放大、有源滤波、A/D转换器及单片机构成。数据采集单元是同步采集器的一个重要组成部分，它的组成与被检测对象的特性及所处环境等有着密切关系。
3.2.1 变换器的选择
需要采样的信号包括3路电压信号和3路电流信号共6路信号。本设计中电压变换器选用武汉市华意电子有限公司生产的LXYM -100/5V微型测量电压变换器，其输出电压与所选A /D转换的量程完全相配。它具有很多优点，如线性好、精度高、工作范围宽；原边不串电阻，电压直接输入，副边直接输出电压；电路简单可靠、不用运算放大器、不外接直流电源，无温漂等。其主要技术指标如表3-1所示。
表3-1 LXY M-100/5V 微型测量电压变换器主要指标
电流变换器采用武汉市华意电子有限公司生产的LX LN-5A/5V 型微型测量电流变换器，它的特点主要有：电流电压一次变换到位，直接将被测电流隔离转换成电压；电路简单可靠，不用运算放大器，不需要外接直流电源，避免了运放的温度漂移和不稳定因素；体积小，重量轻，安装方便。其主要技术指标如表3-2所
表3-2 LXL N-5A/5V 微型测量电流变换器主要指标
3.2.2 低通滤波
为了滤除高次谐波，在电压变换器和电流变换器的二次侧进行了一阶RC 低通滤波。为了能够有效地抑制7次以上谐波干扰，其截止频率取为800Hz ，它对于基波的放大倍数为0.998，电路如图3-2所示
C1
图 3-2 低通滤波电路
3.2.3 程控放大
图 3-3 程控放大电路
如图 3-3 所示，程控放大电路由仪表放大器 AD620 和多路转
换开关 CD4051 组成。A D620 是一种用四个外部电阻就能设置放大倍数为 1～1000 的低功耗、高精度仪表放大器，只要改变接在 AD 620 引脚 1 和 8 之间外部电阻值就可以改变放大倍数。本设计通过多路转换开关 CD4051 来实现这一功能。CD 4051 是单边 8 通道多路调制器/多路解调器。IN H 为通道接通使能端，低电平有效；C 、B 、A 为二进制控制输入端，改变 C、B 、A 的数值，可以译出 8 种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。本设计通过 F2812 的通用 I/O 来控制 B 、A ，从而实现了程控放大，包括 4 种放大倍数：2、10、50、100。
3.2.4 有源滤波
我们选用的 MAX262 是美国 Maxim 公司生产的双二阶通用开关电容有源滤波器，其引脚功能及内部框图如图 3-4 所示。
MAX262 内部集成有 2 个结构相同的二阶通用开关电容有源滤波器及 1 个独立的运算放大器 OP 。这两个有源滤波器既可独立使用，也可串联使用。对滤波器的工作方式，中心频率 f0，品质可通过D0D1,A0~A3 端口线在 WR 上升沿写入所选中的内部单元来设置滤波器的工作方式、中心频率 f0 以及品质因数 Q 等参数。详见 3-3 所示。
其中，中心频率 f0 的范围为 1 Hz ～140 kHz 。f CLK A 和 FCLK B 为内部开关电容网络所需的外部时钟，一般为中心频率 f0 的几十至上百倍。
表 3-3 中 MO M1 为工作方式，仅在地址为 A3A 2A1A0=0000(或 1000) 时才能写入。F0~F5 为 f0 控制字，Q 0~Q6 为品质因数 Q 的控制字。D0D 1=00 时为工作方式1，实现 LP(低通) 、BP(带通) 、N (陷波) 功能：D OD1=01 时为工作方式 2，实现区别于工作方式 1 的 L P(低通) 、BP (带通) 、N (陷波) 功能；D0D1=10 时为工作方式 3，实现 LP 、BP 、H P(高通) 功能；D0D1=10 时, 若使用独立运放 OP 为工作方式 3A ，实现有别于工作方式 3 的 LP 、BP 、HP 功能。D0D 1=11 时为工作方式 4，实现 LP 、B P 、A P(全通) 功能。M AX 262 有 INA 、IN B 两个信号输入端，允许最大输入电压振幅为±4.7 V。
3.2.5 采样/保持、多路选择
采样电路的核心是 A/D 转换器。单通道的转换比较简单，多通道
图3-4 有源滤波电路
的测量系统根据物理过程不同或需要可采用三种结构形式：共享采/保电路和 A/D 转换器方式；多路采/保电路共享 A/D 转换器方式；多路A/D 转换器并行工作方式。我们选用共享采/保电路和 A/D 转换器方式如图 3-5 所示，各被测参数通过多通道模拟开关共用同一个 S/H采保电路和同一个 A/D 转换器。硬件电路简单，每个通道的采样时间取决于多通道模拟开关的开关时间，采保电路的建立时间和A/D 转换器的转换时间。
表3-3 有源滤波的工作方式
图3-5共享S/H 和A/D 连接
3.2.5. 1 采样保持器
由于模拟量转换成数字量有一个过程，对于一个动态模拟信号在模拟转换过程中，输入的模拟信号是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度。尤其是在同步测量系统中，几个通道的模拟量均需取同一瞬时值。如果直接送入 A/D 转换器进行转换（共享一个 A/D ），所得的值就不是同一瞬时值，无法进行比较、判断与计算。因此要求输入模拟量在整个模数转换过程中被“冻结”起
来，保持不变。但在转换之后，求 A/D 转换器的输入端能跟踪输入模拟量的变化，能完成上述任务的器件叫采样/保持电路。
图 3-6 采样/保持器电路图
本装置选用 LF398 采样/保持电路，主要技术指标如下： (1) 供电电压：±15V ～±18V 。 (2) 采样时间：≤4μs 。满足要求。
LF398 采样/保持器接线原理图如图 3-6 所示，共八路输入信号，这里只给出了一路的电路图，其他七路与此相同。S X 为采样控制信号，SX 为高电平时，处于跟随状态，S X 为低电平时，处于保持状态。第 3 引脚为输入，第 5 引脚为输出，引脚 1、4 为﹢15V 和 ﹣15V 电源输入 3.2.5. 2 多路选择开关
多通道模拟开关的主要用途是把多路模拟信号逐个、分时地送入 A/D 转换器，实现一个 A/D 转换器对多路模拟量的转换在多路开关的选择上，常要考虑下列参数：
(1) 通道数量：通道数量对切换开关传输、被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。
(2) 切换速度：对于需传输速度化信号的场合，就要求多路开关的切换速度高，当然也考虑后一段采样保持和 A/D 的速度，只需略大于它们的速度即可，不必一味追求高速，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的选择速度。
(3) 开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法达到这个要求，因此需要考虑开关电阻。在本装置中要使用一片A/D转换器A DS7864。实现对八路输入信号的模数转换，因此要选用模拟多路开关。本装置选用的是八选一
多路开关 AD7501。
Ud0
地
S1S8
图3-7 AD7501芯片结构级引脚
AD7501 的主要参数：
(1) 导通电阻：Ro n 为 170Ω（-10V
在上图中 S1～S8 引脚接八路输入信号，O UT 引脚为输出，A0～A2 接 8031 的P 1.0～P1. 2，通过改变 P1.0～P 1.2 的高低电平来选通八路信号中的一路。
3.2.6 A/D 转换器
为了利用计算机进行信号处理，首先要将模拟信号转化为数
字信号，这就需要一个与之相适应的模数转换器ADC ，所以选择合适的A/D转换器是数据采集单元中重要的一个环节。本设计采用的是T I 公司Bur r-B rown 产品部推出的A/D转换器AD S7864。
如图3-8 ADS7864硬件电路
ADS7864是高速、低功率、双12位的模数转换器，以+5V 单电源供电。输入通道全差分，典型共模抑制比为80dB 。该器件含有两个2μs 的逐次求近模数转换器，6个差分采样与保持放大器、一个带RE FIN 与R EFO UT 脚的+2.5V 内部电压基准以及一个高速并行接口。6个模拟输入通道分成3对(A、B 、C ) 。每个A/D转换器都有三对输入端(A0/A1、B0/B1、C0/C1) ，可以同时采样、转换，因此可以保持两个模拟输入信号的相对相位信息。每对通道都有一个保持信号( HOLD A 、 HOLD B 、 HOLD C )，这3个保持信号同时有效就可以同时保持6路输入信号，转换的数据分别存放在6个寄存器中。在A/D 转换器开始一次新的转换时， BUS Y 脚变为低电平，并且在转换进行期间一直保持低电平，在数据被锁存到输出寄存器之后，再升高。完成一次A /D转换至少需要16个时钟周期。转换完成之后，若 RD 、 CS端都被拉低，则可以将数据从并行输出总线读出。A DS7864的每个读操作都输出16位信息(12位数据、3位通道地址和1位有效数据) 。地址/模式信号(A0、A1、A2) 选择数据从A DS7864读出的方式。这些地址/模式信号决定是选择单通道模式、循环模式(在所有通道之间循环) 还是先入先出(FIFO ) 模式。ADS7864硬件电路如图3-8所示.
3.3双口 RAM
随着工业控制对计算机技术的要求日益提高，双 CPU 系统的应用日益广泛。如何实现 CPU 之间的数据共享，成为系统实现的难点之一。
+5
常规的随机数据存储器 RAM 只有一个数据端口，只能由一个 CPU 进行控制，如果 2 个 CPU 要共享一个存储器中的数据，在数据存取上会造成很大的不便，而双口 RAM 的出现为这个问题的解决提供了一个途径。双口 RAM 有 2 个完全独立的外部数据端口，两个 CPU 可以通过各自相连接的端口对存储器内的任意单元进行访问。因此，双口 RAM 很适合在多 CPU 的数据通信和资源共享中应用。
3.3.1 双口 RAM 的选型
我们选用的 IDT 7009 是美国 IDT 公司开发研制的高速 128K ×8bit s 的双口静态R AM 。它具有如下特点：
(1) 两个(左、右) 端口可同时读写数据，每个端口具有自己独立的控制信号线、地址线和数据线。
(2) 可高速存取数据，最快存取时间为 15 ns ，可与大多数高速处理器配合使而无需插入等待状态。
(3) 具有 Mas ter /slave 控制脚，可方便地扩展存储容量和数据位宽。
(4) 具有完全独立的忙仲裁逻辑，可保证两个系统对同一单元进行读写操作的正确性。
(5) 中断逻辑允许 CPU 通过端口直接进行通信，标识器逻辑允许两个控制器共享资源。
(6) 各端口完全异步操作。
3.3.2 硬件设计
双口 RAM 是一个高性能的逻辑器件，两侧端口处具有独立的控制总线、地址总线和数据总线，两侧单片机和 DSP 可以同时对双口 RAM 芯片内所有存储单元进行读写操作，与单片机和 DSP 接口设计简单，且与各种单片机和 DSP 性能具有高度的兼容性，因此易于在单片机和 DSP 之间实现并行通信。系统采用单片机和 DSP 并行处理的工作方式，单片机和 DSP 通过双口 RAM(IDT7009) 作为数据共享接口。双口 RAM 的左、右端口的 BUSY \管脚分别接单片机和 DSP 的 I/O 管脚，并采用查询方式，在发生冲突时，被延时的单片机自动暂停访问双口 RAM ，待该侧 BUSY 信号无效后，继续访问所选单元。
3.4 DSP 简介
DSP(Dig ita l Signa l Proc ess ing ) 一种独特的微处理器，是以数
字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为 0 或 1 的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。数字信号处理器是数字信号处理技术与数字信号处理应用之间的桥梁和纽带。数字信号处理技术能够得到广泛的普及和应用，在很大程度上得益于数字信号处理器性能的提高和价格的降低。本文中，DSP 指数字信号处理器即D SP 芯片。
3.4.1 TMS320F2812 的特点
我们选择了 TMS320F2812。所选用的 TMS320F2812 芯片封装形式为176 脚 LQFP(Low Prof ile Quad Fla t Pack age ) 封装。
TMS320F 2812(以下简称 F2812) 是在 F24X 的基础上开发的高性能定点芯片，是性价比较高的一款 DSP 芯片，具有运行速度快、外设集成度高、存储空间大、A/D 转换速度快、转换精度高等特点。 具体特点如下：
(1) 高性能 CPU ：16 位×16 位和 32 位×32 位的乘和累加操作；双 16 位×16 位的乘加单元(MAC) ；哈佛总线结构；强大的操作能力；迅速的中断响应和处理；统一的存储器编程模式；可达 4M 字的线性程序/数据地址；代码效率高(兼容 C/C++或者汇编语言) ；与 TMS320F 24x /LF240x 处理器的源代码兼容。
(2) 片上存储器：多达 128K ×16 位 Flas h 存储器(4 个 8K ×16 位和 6 个 16K ×16位的扇区) ；1K ×16 位的 OPT 型只读存储器；两个 4K ×16 位的单口随机存储器(SARAM ) ：L0 和 L1；一块 8K ×16 位 SARA M ：H0；两块 8K ×16 位 SARAM ：M 0 和 M1；一块 4K ×16 位的引导 ROM(带有软件的引导模式和标准的数学表) 。
(3) 外部接口：多达 1.5M ×16 位的存储器；可编程等待状态；可编程读/写选通计数器；四个独立的片选端。
(4) 时钟和系统控制：支持动态的锁相环倍率调整；片上振荡器；看门狗定时器模块；三个 32 位 CPU 定时器。
(5) 三个外部中断，可扩展的外设中断模块支持 45 个外设中断源。
(6) 128 位密钥：保护 Fla sh/OPT 和 L0/L1 S ARA M ；防止 ROM 中的程序被解密。
(7) 串行接口外设：串行外设接口(SPI) ；两个串行通信接口(SCI) ，标准的 UAR T ；增强型局域网络控制器(eCAN ) ；多通道缓冲串
口(McBS P) 。
(8) 高速 12 位的 ADC ：2 个 8 通道的输入多路转换器；两个采样保持器；单个/双路同步采样；高速通道转换速率：80n s/12. 5MS PS 。
(9) 最多可有 56 个可独立编程的复用 I/O 口(GPI O) 。 （10）工作温度范围：A ：-40～+85℃；S /Q：-40～+125℃。
3.4.2 DSP 外围电路的选取
DSP 外围电路为 DSP 正常工作提供了保证，主要有：电源电路、时钟电路、复位电路和 JTA G 接口电路等。目前，新一代的 DS P 芯片均向着低电源电压、低功耗的方向发展。为了降低功耗，又便于实现 DSP 芯片和外设间的接口，F 2812 采用双电源供电机制，以大大降低 DSP 芯片的功耗。电源与复位5电路。
F2812 有以下三种电源需要电源电路提供。
(1) DS P 芯片内核电源 VDD 。内核电源电压为 1.8V （135MHz ）或 1.9V （150MHz ），主要为器件的内部逻辑电路提供电源，包括 CP U 、时钟电路、和片内外设。
(2) I/O 供电电源 VDDI O 。D SP 芯片与外部接口间采用 3.3V 电源电压，所有数字输入引脚与 3.3V 的 TTL 电平兼容，所有输出引脚与 3.3V 的 CMOS 电平兼容。这样便于 DSP 引脚直接和外部低压器件的接口，而无需额外的电平转换电路。
(3) 模拟电路电源 VDDA 。电源电压为 3.3V ，专门为 ADC 模块中的模拟电路供电。在电源设计时，采用电源芯片输出的复位信号作为 DSP 的复位控制信号，以满足对上电和掉电时序的要求。首先给所有的 3.3V 供电电源加电，在 3. 3V 电源的输出电压到达 2.5V 之前 VDD 要小于 0.3V。这样的上电次序可保证上电复位信号经过
I/O 缓冲后，可靠地复位 DSP 芯片内部的各个功能模块。当电源上电后，复位要继持有效（最小值为 1ms ），以使得电源电压和振荡电路输出稳定。在掉电过程中，当 VDD 的幅值降至 1.5V 之前，DSP 的复位信号必须变为有效低电平，且持续时间不小于 8μs ，这样可以使得掉电过程片内 Flas h 模块处于复位状态。我们采用双路低压差输出的电源芯片 TPS73HD318，两路输出电压均为固定值，分别为 3.3V 和 1.8V 。每路输出电流可达 750m A ，并提供独立的输出使能控制。此外，每路输出还分别提供一个宽度为 200m s 的低电平有效复位脉冲，可作为 DSP 芯片的上电复位信号。图 3-9 为 F2812 的电源电路：
图 3-9 TMS 320F2812 的电源电路
3.4.3 时钟电路
F2812 内部提供一个基于锁相环电路 PLL (Phase -Lo cke d Loops ) 的时钟模块。该模块为芯片及各种片内外设提供了所有必要的时钟信号(CPU 时钟、系统时钟、高速外设时钟、低速外设时钟和看门狗时钟等) 。基于 PLL 的时钟模块提供了两种工作模式：一种是晶体(Crys tal ) 模式，在这种模式下，利用 F2812 芯片内部所提供的晶振电路，在芯片的 XTAL1/CLKIN 和 XTAL2之间连接一晶体可启动内部振荡器，如图 3-11(a)所示；另一种是外部晶体振荡器
(Oscill ato r) 模 式 即 允 许 将 内 部 振 荡 电 路 旁 路 ， 将 外 部 时 钟 源 直 接 输 入XT AL1/CLKIN 引脚，XT AL2 悬空，如图 3-10(b)所示。
注意到 F2812 芯
片要求的时钟信号平为 1.9V ，所以建议采用晶体模式
External Clock
Signai
(A)(B)
图 3-10 TMS320F2812 时钟模式
PLL 可以配置为三种模式：一种为 PLL禁止模式，此时系统时钟频率(SYSCL KOUT 等于输入时钟频率(XCL KIN ) ；一种为 PLL 旁路模式，此时系统时钟为输入时钟频的一半；一种为 PLL 允许模式，此时系统时钟为输入时钟频率的 N/2 倍，其中 N 倍频值。PLL 的禁止模式由 XPLL DIS 引脚来确定，在复位期间该引脚如果被检测为电平则选择此模
式。P LLC R 寄存器中的 DIV 域(位 3～0) 可以设置倍频值，最高可提供 5 倍频。我们将 XPLL DIS 引脚通过 4.7K 电阻接到 3.3V ，设为 PLL 允许模式，用 30MHz 的晶体供系统使用，这样最高可以给系统提供 150M Hz 的时钟频率。这于整个电路板的电磁兼容性是很有好处的，因为外部只需要使用较低频率的晶体既避免了外部电路干扰时钟，同时也避免了高频时钟干扰电路板上的其他电路。
3.4.4JTAG 仿真接口
通过 JTAG 测试口可完成访问和调试 DSP 芯片。借助于仿真接口用户可以通过 PC 调试和下载应用程序到指定的应用板。F2812 采用符合 1149. 1 标准的 JTAG 仿真接口，仿真电缆和 DSP 芯片的 JTAG 仿真接口是通过一个 14 脚的双排插头来连接的。
DSP 芯片的 JTA G 仿真接口和仿真器电缆间的连接关系如图 3-11 所示
图 3-11 DSP 芯片的 JT AG 仿真接口和仿真器电缆间的连接关系
3.4.5 串行通信接口电路
本设计中，F 2812 与 PC 机通过串行口进行通信，PC 机从串行口向 F2812 按照一定的数据格式发送命令帧，F2812 接收到命令帧后按要求回复相应的数据帧。F2812 包括两个串行通信接口(SCI ) ，这使得 F2812 可以很方便地与其它使用标准格式串口的异步外设之间进行数据通信。本设计采用 MAX 232 来完成这一功能，其接口电路如图 3-12 所示
U13
C6机串口
图 3-12 串行通信接口电路
3.4.6 彩色液晶显示电路
液晶显示的好坏对同步采集器的应用至关重要，本设计采用的是南京国显电子公司的N HC _35型彩色液晶显示模块，其主要特点是：安装方便，板尺寸117mm ×85m m ，点阵为320(W)*234(H) ；与F2812接口连接简单；F2812可以随时读写显示存储器，而不影响显示效果，即显示不会出现“雪花”；有两页显示缓存，可以任意设定显示页和操作页。NHC_35接口电路如图3-13所示：
U9 NHC 35
+5V
图 3-13 NHC_35 接口电路
本设计中，F2812 通过通用 I/O 对 A1、A0、CS 进行控制，从而实现了对 NHC_35的读写操作。N HC_35 的控制指令如表 3-6 所示：
表3-6 NHC _35的控制指令
3.4.7键盘接口电路
键盘在 DSP 应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向同步采集器输入数据，传送命令等功能，是人工干预同步采集器的主要手段。对于按键较少或操作速度较高的场合，我们一般采用独立式按键电路，即各个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线的按键工作状态不会影响其它输入线的工作状态，这种电路配置灵活，软件结构
简单。键盘接口电路如图 3-14 所示
本设计中，F2812通过通用 I/O 扩展独立按键。键的闭合与否，反应在电压上就是呈现出高电平和低电平：高电平表示断开，低电平表示闭合。通过对电平高低状态的检测，便可确认按键是否按下。
图 3-14 键盘接口电路
3.5逻辑控制单元
采用 CP LD 实现系统逻辑控制有如下优点：减小系统体积；增强逻辑设计的灵活性；缩短设计周期；提高系统处理速度；降低系统成本；提高系统的可靠性；系统具有加密功能等。
3.5.1 CPLD 的硬件电路设计
在同步采集器的总体设计中，C PLD 主要负责在单片机和北斗秒脉冲(1PP S) 的控制下，产生同步采样波形，保证采集器同步采样；同时为A /D转换芯片提供时钟信号。EPM 7128及E PM7128的时钟电路和J TAG 接口电路如图3-15所示。
3.6北斗授时模块
北斗 OEM 板是封装及其简单，便于二次开发的传感器，能完成北斗主要数据的采集以及简单的定位解算功能，只要接上天线就能通过接口向外输出各种数据。而且有利于进行二次开发和各种系统的集成。北斗 OEM 板通过 RS-232 接口为用户提供位置、速度、时间等数据。具体数据输出格式有两种，一种为二进制格式输出，另一种为 NMEA -0183 格式输出。
3.6.1 北斗接收板的原理及性能
图 3-15 CPLD 及时钟和 JTAG 电路
表3-6 BD-01型北斗接收板技术指标
我们采用北京星网宇达科技开发有限公司生产的基于我国“北斗一号”系统BD-01型北斗接收板。本接收板采用一体化设计，通过无源方式实现定位、授时种应用功能。主要面向导航定位用户以及通信、移动电视、网络、电力等需要高度时间同步应用的场合。BD -01型北斗接收板技术指标如下表3-6。产品采用软件线电架构，内部采用6通道相关器。可通过外部输入高程，自主定位并授时；也直接输入坐标值进行直接授时。高程值可以通过气压高度计或者高度表等获得，按照
协议组帧后通过串口输入。接收机的射频通道能够适应多个天线厂家的北斗天线（根据实际使用的天线线缆长度选择不同增益的天线）。
3.7电平转换
在单片机和 DSP 应用系统中，往往同时存在 3.3V 和 5V 系列芯片。让两种同电压的芯片的输入输出直接相连是不可行的，这就存在一个电平转换问题。本设计中，液晶显示模块、A/D 转换器等外围器件需要与 F2812进行电平转换，其转换电路如图 3-16 所示
如图 3-16 转换电路
第四章 交流电量同步采集器软件设计
合理的软件结构是设计单片机和 DSP 应用系统的基础，它能使单片机和 DSP 有条不紊地对各个相对独立的任务进行处理。在程序设计中，最常用的方法是模块化程序设计方法。它把一个完整的程序分为若干个功能相对独立的小程序模块，各个程序模块分别进行设计、编写和调试，最后将调试好的程序模块连接起来。本章首先介绍了 DSP 软件开发环境；然后给出了同步采集器软件设计方案。
4.1 系统开发环境
DSP 开发采用合众达公司的仿真系统，该仿真系统对 TI 全系列 DSP 产品：T MS320C ZX0/C5X/C6X/C3X ，完全通用，只需更换相应的仿真软件就可以实现所有 DSP 硬件的开发和调试。XDU SB2.0 仿真系统与计算机的接口为 USB 口，调试方便，携带方便，支持 Cod e Co mpo ser Stud io 集成调试环境，仿真不占用任何 DSP资源，支持单片机和 DSP 同时调试仿真。使用 CCS 提供的工具，开发者可以非常方便地对 DSP 软件进行设计、编码、编译、调试、跟踪和实时性分析。本设计采用的是 CCS2. 21. 00 版本，它完全支持F 2812。CC S 集成开发环境主要包括了以下功能：
(1) 集成可视化开发界面，可直接编写 C 、汇编、. H 文件、.C MD 文件等；
(2) 集成代码产生工具，包括汇编器、优化 C 编译器、连接器等；
(3) 集成调试工具，如装入执行代码(.OUT 文件) ，查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等，支持 C 源代码级调试；
(4) 支持多 DSP 调试；
(5) 断点工具，有硬件断点、数据空间读写断点、条件断点等；
(6) 探针工具(Pro be Po int s) ，可用于算法仿真、数据监视等；
(7) 分析工具(Pro fil e Poi nts ) ，用于评估代码执行的时钟数；
(8) 数据的图形显示工具，支持多种方式，可自动刷新；
(9) 提供 GEL 工具，用户可以编写自己的控制面板和菜单，方便直接地修改参量，配置参数；
(10) 提供 DSP/BIOS 工具，增强对代码的实时分析能力、调度程序执行的优先级、方便管理或使用系统资源，从而减少了开发人员对硬件熟悉程度的依赖性。
4.2 同步采集器软件系统设计
4.2.1 系统主程序设计
同步采集器的软件设计主要由以下几个子程序模块组成：单片机与北斗通信模块、数据采集模块、数据处理模块、串口通信模块、人机接口模块等。主程序流程图如图
图4-1 主程序流程图
主程序首先对系统进行初始化操作，这包括 CPU 初始化、I/O 初始化、存储器初始化、A/D 初始化、LC D 初始化、时钟初始化、串口通讯初始化等；初始化完成之后，判断北斗是否定位，定位后液晶屏出现操作界面，显示北斗标准时间和提示符号，等待键扫描；然后通过键扫描判断是否有键按下，根据判断结果，执行相应的键处理程序。
4.2.2 北斗信息接收程序
单片机 8031 通过与北斗接收板 BD-01 相连的串口来发送指令控制 BD -01 的输出及接收 BD-01 的输出信息，然后从收到的数据信息中判断 BD-01 是否已经定位并提取标准时间信息，用于液晶显示和控制同步采样。8031 与 BD-01 的通信协议遵从北斗接收板 BD -01 的规定，波特率为 9600，输出数据为 8 位，无奇偶校验。通信程序的各流程图分别如图 4-2、4-3 所示。
4-2 北
斗星主程序通信流程图
图4-3 北斗星发送中断流程图
4.2.3 F2812 与 GPS 通信子程序
F2812 通过与 GPS 接收板 GN -80 相连的串口来发送指令控制 GN-80 的输出及接收 GN -80 的输出信息，然后从收到的数据信息中判
断 GN-80 是否已经定位并提取标准时间信息，用于液晶显示和控制同步采样。
图 4-4 F2812 与 GPS 通信子程序流程图
F2812 与 GN-80 的通信协议遵从 GPS 接收板 GN-80 的规定，波特率为 9600，输出数据为 8 位，无奇偶校验。程序中首先按照 NM EA0183 协议的相关规定，向 G N-80发送命令语句：$PFEC,G Pin t,G GA01,Z DA 00, GLL 00, GSA 00, GSV 00, VYG 00, anc 00, acc 00, ast00,t st00,d ie00,C R LF 输入这条语句的作用是令 GN-80 每秒通过串口只发出一条$GPGG A 语句，去除多余的不必要的信息，在程序中预
先将这条语句的内容存放在某一位置，并在 RAM 中开辟一段数据空间保存 GGA 语句的内容。GGA 语句内容的格式如下：
语句所表示的含义如下：
1．U TC 时间信息：
“12”：时； “34”：分； “56”：秒。2-3．纬度“34”：度；“44”：分；“0000”：分(小数) ；“N ”：北纬(S 表示南纬) 。4-5．经度“135”：度；“21”：分；“0000”：分(小数) ；“E ”：东经(W 表示西经) 。6．GPS
输出是否有效“0”表示无效(未定位) ；“1”表示有效(已定位) 。F2812 与 GPS 通信子程序流程图如图 4-2 所示，图中 SCI RXB UF 指串口通信接收器数据缓冲寄存器。
4.2.4 A/D 采样软件设计
图4-5 A/D采样流程图
这部分软件主要完成控制 A/D 转换过程并由 DSP 读取转换数据结
果。在系统初始化工作结束后，就开始运行 A/D 转化部分程序。在 A/D 转换器开始一次新的转换时换时， BUSY 脚变为低电平，并且在转换进行期间一直保持低电平，再升高。完成一次 A/D 转换至少需要 16 个时钟周期。转换完成之后，若 RD 、 CS 端都被拉低，则可以将数据从并行输出总线读出。D SP 按照预先设定好的程序顺序读取 6 路数据，然后采集的数据通过并行总线接口传输到双 RAM 里，以便工控机从中读取数据，对数据进行分析处理。软件设计流程如图 4-5 所示：
4.2.5 DSP 读写数据模块
图4-6 DSP 读写程序流程图
软件设计流程如图 4-6 所示。该单元把通过 A/D 转化过来的数据进行采集，初始化 FLAG 引脚的方向，然后把采集到的数据写到双口 RAM 里，通过 FLA G 的方向来控制工控机读取数据。
4.2.6 工控机读写数据模块
工控机作为数据的处理单元，对双口 ROM 读取的数据进行处理，向指定的 I/O写数据“0”，使 FLAG 脚为 0，从双口 RAM 里读出数据，进行 FFT 变化（即离散傅立叶变换），并在此上完成电能质量参数的计算，包括电压有效值、电压偏差，功率及功率因数幅值、相位、频率、谐波含有率、总谐波畸变率、不平衡度等参数的计算，当 FLAG 脚为 1 时，表示数据已全部读完。软件设计流程如图 4-5 所示：
图4-7 工控读写数据流程图
4.2.7 数据采集子程序
图4-8采样程序流程图
为了实现输电线路两端采样的同步性，需要预先由键盘输入采样开始的时间，单片机接收北斗发出的时间信息，判断是否到达采样时间。当满足条件时，通过设置 P1.0 的输出为低电平，开启采样，在即将到来的同步秒脉冲的上升沿自动开始采样，采样控制波形由同步采样波形发生单元控制。
4.2.8 数据处理子程序
数据处理是对 A/D 转换结果进行必要的处理，以得到电压、电流
信号的幅值和相位，它包含以下三个方面的内容：
(1) 变比转换：电压、电流信号经过前端信号调理电路时，经过了一定比例的放大处理，因此必须对 A/D 转换结果进行变比转换；
(2) 采样值还原：A/D 转换结果是一系列字节型的十六进制数，在数据处理的
过程中需要将其转换为实际电压、电流的采样值；
(3) FFT 变换：利用 FFT(快速傅立叶变换) 对离散的采样数据进行计算，得到电压、电流信号的基波及各次谐波的幅值和相位。FFT 是 DFT(离散傅立叶变换) 的快速算法。FFT 算法有多种变形，本文采用的是时间抽取(DIT) 基 2 FFT 算法。这种算法的核心是将 x ( n) 按 n 为偶数、奇数分解为两部分，用两个 N/2 点的 DFT 运算完成一个 N 点 DFT 运算。要求 =2MN ，M 为正整数，令 n ＝2r 及 n ＝2r+1，r ＝0,1, „, N/2-1, 于是
图4-9 FFT 子程序流程图
4.2.9 串口通信子程序
同步采集器通过串口电路与 PC 机通信。在串口通信中，采用的波特率为 9600，数据位为 8 位，无奇偶校验位。当启动数据发送程序的时候，首先通过串口接收 PC 机发出的开始发送命令(通过 PC 机向 F2812 发送一个字节 0FFH) ；当收到命令时，F 2812 置开始发送标志 CSFL AG 为 0FF H ，开始通过串口发送数据。整个通信程序的流程图如图 4-10、4-11 所示，图中 SCITX BUF 指串口通信发送数据缓冲寄
存器
图4-10 串口通信子程序流程图
图4-11 串口通信发送中断流程图
4.2.10 键扫描子程序
键扫描子程序是人机界面的重要组成部分，F 2812 通过键扫描子程序接收键盘命令，完成各项测试功能，实现对同步采集器的控制。同步采集器共包括四个功能键，采用 F2812 的通用 I/O 口作为键盘输入口。F2812 循环对键盘进行扫描。对各键输入的处理包括判断、
消抖、功能程序执行等几个部分，其程序框图如图 4-8 所示。键值处理主要包括以下几方面内容：
(1) 电压、电流变比输入：通过显示界面的提示按键，进入电压、电流变比输入界面，然后通过按键来移动光标位置及改变光标位置数据来输入电压、电流变比；
(2) 预定采样时间输入：为了能够在同一时刻开始采样，需要在北斗定位后事先在各个同步采集器上设定一个相同的未来时刻，在该时刻的秒脉冲上升沿同时开
始采样，时间的输入方法与变比输入方法相同；
(3) 数据传输控制：采样数据经过处理后需传输到 PC 机上，数据的传输需要由按键来控制。
图4-12 键扫描子程序流程图
4.3 FLASH 在线编程的实现
上述程序可以使用仿真器在 F2812 中进行调试，但作为一个完整的测量装置，最终需要脱离仿真器独立工作。这就需要将断电后仍能够可靠存储数据的 FLA SH 存储器作为系统的程序存储器。系统上电后，引导程序把 DS P 的应用程序从 FLA SH 中引导到 DSP 系统的存储器资源(外部 SDRA M 或 DSP 片上 RAM ) 中进行工作。对于 FLAS H 而言，可以使用专门的编程器对 FLAS H 进行编程，但是这样做不够灵活，在程序设计阶段需要经常改动测试程序，显然每次重新写入 FLAS H 是十分不便的。因此需要设计在线 FLASH 写入程序，通过仿真器和 JTAG 接口直接将 DSP 应用程序程序写入FLA SH 。FL ASH 在线编程的步骤如
下：
(1) 在 RAM 中调试好 DSP 应用程序；
(2) 移除原来在 R AM 中调试用的.L IB 库文件，加载烧写程序用的.L IB 文件；
(3) 移除原来在 RA M 中调试用的. CM D 配置文件，加载烧写程序用的.C MD 文件，然后重新编译，生成. OUT 文件；
(4) 打开烧写程序用的插件，将程序烧写到 FLA SH 中。
第五章 结 论
本文对基于单片机和 DS P 的电力系统交流电量同步采集器进行了研究，选用高速多路同步 A/D 转换芯片 AD574 和单片机 8031 进行电压、电流信号采集，采用TI 公司最新推出的 DSP 芯片 TMS320F 2812 作为数据处理与计算芯片，利用 MAX II 系列 CPL D 芯片 EPM7128 为同步采集器提供综合逻辑控制，通过北斗接收板 BD-01为同步采集器提供同步采样脉冲，完成了软件部分和硬件系统的设计。该同步采集器可用于电网状态监测、继电保护、输电线路精确故障定位等方面，同时也为输电线路参数在线测量提供了一种简捷、便利的方法。以 DSP 芯片为主处理单元融合单片机为从处理单元的系统结构方案，不仅能连续的采集有效数据, 还对所采集的数据进行相应保存。单片机专门用来进行数据采集, DSP 专门用来进行数据通讯, 单片机和 DSP 共享数据资源, 单片机将所采数据送到双口 RAM 中, DSP 将其中的数据传送到 PC 机, 这样并不需要单片机中断数据采集的工作来进行通讯处理, 数据的连续性就得到了可靠的保证。
5.1 本论文的主要工作和成果如下：
1． 研究了电力系统交流电量同步采集的国内外现状及前景；
2． 研究了北斗卫星导航定位系统的定位、授时原理及方法；
3． 将北斗卫星定位系统的授时技术应用于电力系统中，研究了利用北斗的同步授时功能实现电力系统数据同步采集的方法，具有较高的精确度；
4． 将 DSP 运用到系统中，充分发挥了 DSP 的优越性，解决了传统的基于单片机的数据采集装置资源少，运算能力弱，实时性差，软硬件通用性不强，系统灵活性不高等问题，使该系统性能更可靠，实时性更高。目前，本文所研究的电力系统交流电量同步采集装置正处于设计阶段，实践中可能还存在一些意想不到的问题，需进一步改良和完善。
5.2 后期工作展望
本文采用的北斗接收板只适用于“北斗一号”系统。北斗二号正在
研制之中，预计 2015 年全部投入运行，北斗二号投入以后我们对北斗接收板会有更多、更好的选择。我们下一步研究的方向是针对北斗二号系统设计出更加实用的电力系统交流电量同步采集器。
参 考 文 献
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[17] 韩均．双口 RAM 在 DS P 与单片机数据通信中的应用．电子系统通信，2006，
致谢
经过半年的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有抚导老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在论文写作过程中，得到了张雷老师的亲切关怀和耐心的指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，张老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜，张老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩张老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!
最后我还要感谢数学系和我的母校—河南机电高等专科学校三年来对我的栽培。
河南机电高等专科学校
毕业设计（论文）
交流电量同步采集
系 部: 自动控制系
专 业: 电气自动化
班 级: xxxxx xx
姓 名: xxxx xxx xx
学 号: xxx xxx xx x
指导老师: xxx
二零一二年五月
第一章 绪论
1.1 课题的目的和意义
电力系统交流电量采集是指把电力系统的交流电压及电流等经过变换、滤波、S /H 及 A/D 转换后得到对应该交流电量的离散化数据序列，并存放到存储器中的过程。交流电量的同步采集是指在电力系统的不同采样点同时开始采样，使不同采样点的采样结果在时间上具有同步性。电力系统随着自身的发展变得越来越复杂，电力系统的各种监测与保护装置都要用到交流电量采集这个环节，并且在诸多场合都要求交流电量的同步采集，这对电力系统继电保护、故障判断和系统稳定的分析与控制等都具有重要意义。
如何才能做到异地同步采集呢？当两个地方相距不远时，可以通过网络的方式保证两台采集设备同步；但是很多都是两地相距较远的情况，如果利用网络，一是设备使用复杂、繁重，二是不能保证精确同步，因为通过网络校准采集设备的时间会存在由于网络传输延时所导致的误差。
1.2 课题背景
我国的电网调度自动化起步较早，从数据采集和监控(SCADA ) 到能量管理系统(EMS ) ，大体经历了远动化、数字化和自动化 3 个阶段。现今，EM S 正在走向信息化的能量信息系统(EIS) ，并逐步组入当代电力企业资源规划(ERP) 。为了适应不断发展的计算机技术和自动化、信息化进程，作为该系统基础部分之一的交流电量采集器，也同时需要不断升级和更新换代。
相比早期采用变送器方式的直流采集，交流电量采集设备的处理要求更高，而且对 AD 的转换精度和速度要求也更高，特别是近年来随着对谐波测量和通信能力的需求提高，也增加了对交流设备的硬件性能要求。另一方面，用户和开发机构都不断希望在有限的硬件资源和空间上增加产品的功能密度，因此电量测量产品不仅要增强功能，还要选用合适的硬件平台来满足这种需求。
（1）北斗卫星简介
北斗卫星导航定位系统是中国自主研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，是继美国的 GPS 、俄罗斯的 GLONA SS 之后第三个较成熟的卫星导航定位系统。该系统工作在 2491.75MH z 的频率上，可向用户提供全天候、高精度、区域性的即时定位服务，定时精度可
达数十纳秒(ns) ，定位精度可达数十米，其精度与GP S 相当。这为电力系统数据采集提供高精度时间基准、为同步相量测量的时钟源提供了一种新的选择。
(2) 基于北斗导航系统定位的 PMU
目前，应用于我国电网中的 PMU 大都是基于 GPS 提供的授时信号来实现同步数据采集的，电网的稳定运行对 PMU 的依赖越来越强。将北斗卫星授时系统应用于电力系统同步相量测量技术中，可弥补长久以来使用 GPS 作为唯一同步时钟源而存在的风险性和不可依赖性，解决了将同步相量测量技术应用于广域监测的时钟源可靠性问题。
山东电网广域实时动态监测系统，从 2005 年 8 月开始建设，它首次在国内使用国产“北斗一号”卫星导航系统为 PMU 提供备用授时信号。该系统采用北斗系统授时信号和 GPS 授时信号构成互备授时方案，能够保证在非常时期电网的安全性，意义至关重要。
根据行业特点和需求，系统总共分为 3 个分系统组成：变电所数据采集系统、通信传输系统、监控中心系统。电站系统采集到各种数据利用北斗卫星将信息转发到中国卫通 IIS P 平台，平台将信息送往应用数据中心，中心对数据进行处理后可提供两个数据通路：一路将信息经世广卫星转发到用户指挥机，由指挥机将信息送到用户监控中心；而另一路可通过 Inte rne t 经有线送到用户监控中心。用户监控中心对接收到的数据进行相应的存储、分析、处理、监控等，至此完成一次信息的上传工作。用户对变电所的指令则以相反的路由下达给变电所，完成远程遥控功能。
1.3 交流电量同步采集在电力系统中的应用前景
1.3.1 输电线路参数在线测量
在电力系统继电保护整定计算中，必须考虑有关线路参数的影响。随着电力系统的发展加之线路走廊受限，影响系统零序自感和零序互感的因素很多，精确计算零序参数几乎是不可能的，因此零序参数必须实测。但对大系统多线路停电进行线路零序参数的测量经常是行不通的，根据线路参数在线测量理论，采用基于北斗卫星导航定位系统的同步采集方法，就可以实现线路参数的在线测量。这不但有助于提高输电线路参数测量的精度，还可以避免参数测量给电力系统运行带来的不便和经济损失，有着重要的实用价值和经济效益。
1.3.2 电网状态监测
电网运行状态的监测是同步采集技术与计算机通信技术相结合的结果。它对电网重要节点的电压相量、发电机功角和输出功率等运行变量进行实时测量和同步处理，并将有关 P，Q ，V ，I ，f 等实时信息通过快速通信网传送到电网调度中心的动态数据库中，这些数据过图形化处理，以调度员能够理解的方式展，为调度中心的正确决策提供可靠依据，同时与相同扰动的仿真模型进行比较，用来评价模型的有效性，并及时改变其参数。当预测到系统将失去暂态稳定时，可以按照预定方案对系统采取紧急措施，以防止系统崩溃。
1.3.3 输电线路精确故障定位
对于高压输电线路故障的快速、精确、可靠定位，国内外进行了广泛深入的研究，已经形成阻抗法、人工智能、阻抗行波解析等多种定位方法。其中，阻抗法由于受到故障过渡电阻等因素的影响，其测距误差较大；行波法存在硬件造价高等问题，实际应用还有待研究；而人工智能等模糊理论和方法具备不确定性，在训练样本选择、硬件等方面也有难度，尚不能投入实际应用；双端测距算法由于充分利用了故障信息，可以取得很高的测距精度。
1.4 本论文的主要工作
本论文围绕基于单片机和 DSP 的电力系统交流电量同步采集器的设计与实现展开讨论，主要工作包括以下几个方面：
(1) 了解电力系统交流电量同步采集的重要意义及其应用前景；
(2) 研究北斗卫星导航定位系统原理及授时方法；
(3) 研究如何利用北斗卫星导航定位技术实现电力系统交流电量同步采集并对同步采集方法进行误差分析；
(4) 进行基于单片机和 D SP 的电力系统交流电量同步采集器硬件系统的设计并绘制完整的硬件连接电路图；
(5) 进行基于单片机和 D SP 的电力系统交流电量同步采集器软件系统的设计。
第二章 北斗系统的应用
2.1 北斗卫星导航定位系统简介
中国科学院院士陈芳允先生于 1983 年提出“双星定位”的方案，与此同时美国静止卫星公司和欧洲本地卫星公司也提出了类似的方案，但美国和欧洲的公司从事双星定位的研究以失败告终，中国获得了成功，并命名为北斗一号。
2.1.1 系统工作原理
中心控制站通过工作卫星向用户播发连续的时帧格式的出站信号。用户机在收到出站信号的前提下，根据协议以出站信号中的帧时标为启动时间基准，发射定位申请、通信申请、定时申请等格式的突发入站信号。入站信号经卫星转发到中心控制站，中心控制站进行定位、通信各种协定处理后，把定位数据、通信数据等打包放入出站帧信号之中，发往指定用户。用户收到中心控制站通过卫星转发的出站各种数据，从而实现定位、通信等功能。
用户的经度、纬度、高度三维定位数据是通过控制中心发射出站伪码经卫星转发实现测距，测出用户到卫星的距离和量，并利用用户自身提供的测高数据或中心控制站的高程数库三个信息解算出来的。依据用户机接收 1 颗还是 2 颗卫星的出站信号，进行伪距测量的方法，可分为双收单发和单收双发两种模式。
通过卫星的转发和中心控制站的交换处理，用户与用户、用户和中心站之间，可实现向报文通信，通信的数据主要为汉字和代码两种形式的短消息。中心控制站通过出站信号以时帧形式将“北斗”系统标准时发往用户，用户在收到标准时和利用广播信息、获得信号传输时延信息后，可获取高精度的时间信息，完成单向定时授时功能。在特定情况下用户机还可以发送双向定时申请信息给中心站，中心站处理之后可将更高精度的定时信息发往申请用户，完成双向定时功能。
北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以 2 颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成 2 个球面，用户终端将位于这 2 个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交
点即可获得用户的位置。系统原理框图如图 2-1 所示。
北斗星定位导行系统原理框图
2.1.1. 1 协调世界时(Un ive rs al Co ord in ate d Tim e-UTC )
时间是最基本的物理量之一，也是卫星导航定位、导弹、航天试验的重要参数之一，它们都对时间提出了很高的精度要求。谈到时间，就应该有时间标准，时间标准的选择应满足两个要求：
(1) 稳定性。要求运动的周期稳定，即在不同时候这种运动的周期应该是一样的，很少受外界条件变化的影响。
(2) 复现性。要求这种运动可以在任何地方和任何时候重复观测或实验。
2.1.1. 2 系统授时原理
卫星授时：利用无线电波发播标准时间信号的工作称为授时。
卫星授时按卫星在授时中所起的作用可分为主动式和中转式两类。主动式卫星带有精密时钟可发播标准时间信号，GPS 属于此类；中转式卫星仅是个媒介，它转发由地面时间基准通过卫星地面站送来的标准时间信号。北属于中转式，其时频系统示意图如图 2-2 所示。
图2-2北斗星时频系统图
机内的数字化地形图查询到的用户高程值，计算出用户所在点的坐标；或用户同时接收两颗卫星的出站信号，测量出接收到的两信号的时差值，并将此测量值随同申请服务的信息通过一颗卫星转发回中心
控制系统，由中心控制系统测算出用户至两颗星的距离(即双收单发方式) ，计算出用户位置。
根据系统的定位原理可知，申请定位的用户每响应一次询问信号，中心控制系统可以测得用户至两颗卫星的距离量，加上用户所在点的高程值，可以确定用户的位置。
2.1.1. 3 系统定位原理
北斗导航定位系统采用三球交会测量原理进行定位，即三个已知距离相交一点的测量原理。以两颗卫星(位置已知) 为两球心，两球心至用户的距离(本系统要完成的测量量) 为半径可做两球面，另一个球面是以地心为球心，以用户所在点至地心的距离(含用户高程) 的参考椭球面，三球面交会点即为用户的位置(解算时排除镜像点，因为地处北半球所以可以排除南半球的镜像点) 。对于定位申请，用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号(即单收双发方式) ，经卫星转发回中心控制系统，中心控制系统接收和解调出用户发送的信号，测量出用户所在点至两卫星的两个距离和，加上从存储在计算机内的数化地形图查询到的用户高程值，计算出用户所在点的坐标；或用户同时接收两颗卫星的出站信号，测量出接收到的两信号的时差值，并将此测量值随同申请服务的信息通过一颗卫星转发回中心控制系统，由中心控制系统测算出用户至两颗星的距离，计算出用户位置。
根据系统的定位原理可知，申请定位的用户每响应一次询问信号，中心控制系统可以测得用户至两颗卫星的距离量，加上用户所在点的高程值，可以确定用户的位置。
式中（x ，y ，z ）代表用户在空间直角坐标系位置坐标；R e 为地球半径；e 为地球的偏心率；Ru1、R u2分别为用户至卫星 1、2 的测量距离；R o1、Ro2分别为中心控制系统至卫星 1、2 的真实距离，在卫星的摄动量不大时，可认为是常值；中心控制系统、卫星 1 和 2 在空间直角坐标系中的真实坐标分别为(xi ，yi ，z i)(i=012R u1、Ru 2如式(2-2) 所示。
三个未知数由三个联立方程确定，也可将方程线性化求解。其矩阵形
式如式(2-3) 所示。
2.2定位系统在交流电量同步采集中的应用
2.2.1 北斗系统在电力系统中应用的可行性分析
北斗系统在电力系统中的应用领域主要有：稳态分析；全网动
态过程记录及事故分析；电力系统动态模型辨识及模型校正；暂态稳定预测及控制；电压、频率稳定监视及控制；低频振荡分析及抑制；全局反馈控制；故障定位及线路参数测量。要在我国电力系统中应用北斗卫星导航定位系统，首先要求其满足以下几个方面的要求
(1) 覆盖范围
北斗系统首先要保证能够覆盖我国的国土，北斗系统提供定位和授时服务范围包括中国大陆及其相邻地区，能够满足互联电网的要求。
(2) 同步授时精度
同步时间信号的精度是保证PMU 进行同步采样的关键。北斗卫星系统可向用户提供20～100 ns 时间同步精度。其中单向授时精度为100n s ，双向授时精度为20 ns 。考虑到北斗卫星系统的用户容量和PMU 应用的广泛性，可以采用单向授时，虽然授时精度相对差了一些，但是对于50Hz 的工频量来说，100 ns产生的相角误差为0．0018°，已经能够满足P MU 对同步信号的要求。
(3) 通信功能
北斗卫星系统具有转发和收发双向数字报文的通信能力，而G PS 系统本身不具备通信能力。
(4) 安全可靠性
北斗卫星系统是我国自主开发的，不受他国的控制和限制，可靠
性和安全性较有保证。
2.2.2 基于时间标签的交流电量同步采集
这种同步采集方法的主要思路为：利用北斗接收板发出的串口时间信息和同步秒脉冲，在测量系统内建立整个测量系统的实时时钟，由串口时间信息建立测量系统的年、月、日和时、分、秒，由同步秒脉冲和计数器建立测量系统的微秒级时钟，测量系统可以在任意时刻读出精度达到 1μs 的时间；在采样过程中，不但获得采样点的值，同时由单片机对该采样点打上时间标签；在对采样数据的处理过程中，一般采用过零点比较的方法，即比较被测信号与参考电压过零点的时间差，进而换算出它们的相角差来。
采用这种方法进行同步采集，它的主要优点在于可以保证整周期采样，即对于不同地点的同步采集系统，分别利用锁相环技术，每个周期固定地采集一定的点数，当系统频率发生漂移时，也能够根据锁相环自动改变采样频率，保证在每个周期都平均采集相同的点数，避免了在进行数据处理时利用傅立叶变换带来的误差。当然，采用该种方法进行同步采集时，也存在很多的不足之处。传输信息量大，不仅有每个点的采样值，还有该点的采样时间；硬件电路繁杂，还需要专门设计锁相环单元；数据处理较为复杂，需要分别对每路信号进行过零点比较，才能得出相角差来；此外，软件时钟可能产生较大的误差，当受外界信号干扰时，时钟的不准确会造成采样数据失效。
因此，采用这种方法的同步采集系统比较适用于系统监测、故障录波等方面的自动装置。比如系统监测方面的装置，它需要长时间的运行，因此，必须保证整周期采样，减少累积误差；再如故障录波装置，运行于电力系统故障状态下，系统频率可能波动比较大，对采样频率需要不断进行调整。通过卫星向中心控制站发送定位申请，然后中心控制站将含有定位信息的导航电文。
通过卫星发回用户才能实现定位，而正因此特点用户，无需另配通信设施就可将用户位置报知已方，且通过双向通信每次可传送多达 105 个汉字的短信，这对于某些用户来说是极其需要和至关重要的。
2.2.3 基于绝对时间的交流电量同步采集
2.2.3. 1 总体思路
这种同步采集方法的主要思路就是固定频率采样，即所有采样装置都按照一个固定的频率对信号采样，并利用北斗设备来保证所有的
采样装置都在同一个时刻开始按照同一个频率进行采样。其具体做法可以采用高稳定晶振构成震荡电路产生一个稳定的采样频率，并通单片机以及北斗发出的同步秒脉冲来控制这个采样频率，使其在某个预先设定的时间开始发出启动采样，以此来保证各个采样装置在同一时间开始采样。而且，在下一个秒脉冲到来的时候，再将秒脉冲与采样频率同步一次，以消除晶振电路给采样频率带来的累积误差，确保各个采样装置的每个相应采样点的时刻都相同。采样波形与北斗秒脉冲的时序如图 2-4 所示。
秒脉冲
如图2—3 采样波形与北斗秒脉冲的时序图
2.2.3. 2 同步采集误差分析
Matl ab 仿真结果如表 2-1 所示。
一般来说，电力系统频率偏差不允许超过±1，即 49≤f≤51；根据电力系统有关规程，系统在正常运行情况下，要求频率偏差不超过±0.2，即 49.8
为 800H z ，并对采集的数据进行傅立叶变换求出幅值和相位。
由表 2-1 的结果可以看出，在电力系统实际运行情况下，对短时采样计算来说，系统的频率漂移对计算结果不会产生较大的误差。 2.2.3. 3 对采样理论的测试实验验证
交流电量同步采集器的关键之处在于能否做到数据采集的同步性。为此，我们在实验室做了同步采集实验。
(1) 实验设备：两台交流电量同步采集器，一台220V /5V变压器，一台220V 工频交流电源，电位器一个，万用表一台。
(2) 实验步骤：
1) 接线：将变压器原边接220V 交流电源，副边接电位器，电位器的输出同时接入两台同步采集器；同时将两台同步采集器的GP S 天线接好，并放置到开阔地方以更好地接收卫星信息。
2) 数据采集：接线完毕打开同步采集器的电源开关，观察GP S 的定位信息，看是否定位。等两台同步采集器同时定位后，对两台同步采集器输入一个相同的预定采样开始时刻；打开220V 交流电源开关，调整电位器，使电位器输出一个峰值在5V 以内的工频交流电压信号，待采样时刻到来时进行数据采集。
3) 数据处理：数据采集结束后将所采集的数据进行处理，包括变比转换、采样值还原及FFT 变换。
表 2-2 两台同步采集器所测电压信号相位比较
第三章 交流电量同步采集器硬件设计
3.1 交流电量同步采集器整体结构
交流电量同步采集器整体结构如图 3-1 所示。同步采集器主要由前端信号调理电路，A/D 转换器，单片机，双口 RAM ，北斗接收板，CPLD 逻辑控制模块，数字信号处理器(DSP ) 及其外围电路组成。其中，前端信号调理电路包括：变换器、低通滤波、程控放大、有源滤波等 4 个子模块。D SP 外围电路包括：电源电路、复位电路、时钟电路、J TAG 接口电路、键盘、液晶显示器、串口通信等 7 个子模块。同步采集器共采集处理 6 路模拟信号：UA 、U B 、U C 、I A 、I B 、I C 。路模拟信号经过前端信号调理电路和 A/D 转换器后变成数字信号被传送到单片机中，经过双口 RAM 交换数据并经过 DSP 处理后通过串口被传送至 PC 机。
如图3-1 交流变量同步采集器结构框图
同步采集器共采集处理 6 路模拟信号：U A 、U B 、U C 、I A 、I B 、I C6 路模拟信号经过前端信号调理电路和 A/D 转换器后变成数字信号被传送到 DSP 中对数据进行采集，再通过外围硬件电路双口 RAM 对数据进行缓存，然后由工控机读取这些数据，并进行数据的处理。
本文将 G PS 接收板接收到的同步秒脉冲 1PPS 作为整个系统的同步时钟。C PLD 逻辑控制模块通过接收同步秒脉冲 1PPS 和 DS P 的控制信号，并经过一定的逻辑运算产生同步采样信号，控制不同地点同
步采集器的 A/D 转换器同时始采样保持和模数转换，从而实现了交流电量的异地同步采集。
3.2 数据采集单元
数据采集单元主要由变换器、低通滤波、程控放大、有源滤波、A/D转换器及单片机构成。数据采集单元是同步采集器的一个重要组成部分，它的组成与被检测对象的特性及所处环境等有着密切关系。
3.2.1 变换器的选择
需要采样的信号包括3路电压信号和3路电流信号共6路信号。本设计中电压变换器选用武汉市华意电子有限公司生产的LXYM -100/5V微型测量电压变换器，其输出电压与所选A /D转换的量程完全相配。它具有很多优点，如线性好、精度高、工作范围宽；原边不串电阻，电压直接输入，副边直接输出电压；电路简单可靠、不用运算放大器、不外接直流电源，无温漂等。其主要技术指标如表3-1所示。
表3-1 LXY M-100/5V 微型测量电压变换器主要指标
电流变换器采用武汉市华意电子有限公司生产的LX LN-5A/5V 型微型测量电流变换器，它的特点主要有：电流电压一次变换到位，直接将被测电流隔离转换成电压；电路简单可靠，不用运算放大器，不需要外接直流电源，避免了运放的温度漂移和不稳定因素；体积小，重量轻，安装方便。其主要技术指标如表3-2所
表3-2 LXL N-5A/5V 微型测量电流变换器主要指标
3.2.2 低通滤波
为了滤除高次谐波，在电压变换器和电流变换器的二次侧进行了一阶RC 低通滤波。为了能够有效地抑制7次以上谐波干扰，其截止频率取为800Hz ，它对于基波的放大倍数为0.998，电路如图3-2所示
C1
图 3-2 低通滤波电路
3.2.3 程控放大
图 3-3 程控放大电路
如图 3-3 所示，程控放大电路由仪表放大器 AD620 和多路转
换开关 CD4051 组成。A D620 是一种用四个外部电阻就能设置放大倍数为 1～1000 的低功耗、高精度仪表放大器，只要改变接在 AD 620 引脚 1 和 8 之间外部电阻值就可以改变放大倍数。本设计通过多路转换开关 CD4051 来实现这一功能。CD 4051 是单边 8 通道多路调制器/多路解调器。IN H 为通道接通使能端，低电平有效；C 、B 、A 为二进制控制输入端，改变 C、B 、A 的数值，可以译出 8 种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。本设计通过 F2812 的通用 I/O 来控制 B 、A ，从而实现了程控放大，包括 4 种放大倍数：2、10、50、100。
3.2.4 有源滤波
我们选用的 MAX262 是美国 Maxim 公司生产的双二阶通用开关电容有源滤波器，其引脚功能及内部框图如图 3-4 所示。
MAX262 内部集成有 2 个结构相同的二阶通用开关电容有源滤波器及 1 个独立的运算放大器 OP 。这两个有源滤波器既可独立使用，也可串联使用。对滤波器的工作方式，中心频率 f0，品质可通过D0D1,A0~A3 端口线在 WR 上升沿写入所选中的内部单元来设置滤波器的工作方式、中心频率 f0 以及品质因数 Q 等参数。详见 3-3 所示。
其中，中心频率 f0 的范围为 1 Hz ～140 kHz 。f CLK A 和 FCLK B 为内部开关电容网络所需的外部时钟，一般为中心频率 f0 的几十至上百倍。
表 3-3 中 MO M1 为工作方式，仅在地址为 A3A 2A1A0=0000(或 1000) 时才能写入。F0~F5 为 f0 控制字，Q 0~Q6 为品质因数 Q 的控制字。D0D 1=00 时为工作方式1，实现 LP(低通) 、BP(带通) 、N (陷波) 功能：D OD1=01 时为工作方式 2，实现区别于工作方式 1 的 L P(低通) 、BP (带通) 、N (陷波) 功能；D0D1=10 时为工作方式 3，实现 LP 、BP 、H P(高通) 功能；D0D1=10 时, 若使用独立运放 OP 为工作方式 3A ，实现有别于工作方式 3 的 LP 、BP 、HP 功能。D0D 1=11 时为工作方式 4，实现 LP 、B P 、A P(全通) 功能。M AX 262 有 INA 、IN B 两个信号输入端，允许最大输入电压振幅为±4.7 V。
3.2.5 采样/保持、多路选择
采样电路的核心是 A/D 转换器。单通道的转换比较简单，多通道
图3-4 有源滤波电路
的测量系统根据物理过程不同或需要可采用三种结构形式：共享采/保电路和 A/D 转换器方式；多路采/保电路共享 A/D 转换器方式；多路A/D 转换器并行工作方式。我们选用共享采/保电路和 A/D 转换器方式如图 3-5 所示，各被测参数通过多通道模拟开关共用同一个 S/H采保电路和同一个 A/D 转换器。硬件电路简单，每个通道的采样时间取决于多通道模拟开关的开关时间，采保电路的建立时间和A/D 转换器的转换时间。
表3-3 有源滤波的工作方式
图3-5共享S/H 和A/D 连接
3.2.5. 1 采样保持器
由于模拟量转换成数字量有一个过程，对于一个动态模拟信号在模拟转换过程中，输入的模拟信号是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度。尤其是在同步测量系统中，几个通道的模拟量均需取同一瞬时值。如果直接送入 A/D 转换器进行转换（共享一个 A/D ），所得的值就不是同一瞬时值，无法进行比较、判断与计算。因此要求输入模拟量在整个模数转换过程中被“冻结”起
来，保持不变。但在转换之后，求 A/D 转换器的输入端能跟踪输入模拟量的变化，能完成上述任务的器件叫采样/保持电路。
图 3-6 采样/保持器电路图
本装置选用 LF398 采样/保持电路，主要技术指标如下： (1) 供电电压：±15V ～±18V 。 (2) 采样时间：≤4μs 。满足要求。
LF398 采样/保持器接线原理图如图 3-6 所示，共八路输入信号，这里只给出了一路的电路图，其他七路与此相同。S X 为采样控制信号，SX 为高电平时，处于跟随状态，S X 为低电平时，处于保持状态。第 3 引脚为输入，第 5 引脚为输出，引脚 1、4 为﹢15V 和 ﹣15V 电源输入 3.2.5. 2 多路选择开关
多通道模拟开关的主要用途是把多路模拟信号逐个、分时地送入 A/D 转换器，实现一个 A/D 转换器对多路模拟量的转换在多路开关的选择上，常要考虑下列参数：
(1) 通道数量：通道数量对切换开关传输、被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。
(2) 切换速度：对于需传输速度化信号的场合，就要求多路开关的切换速度高，当然也考虑后一段采样保持和 A/D 的速度，只需略大于它们的速度即可，不必一味追求高速，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的选择速度。
(3) 开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法达到这个要求，因此需要考虑开关电阻。在本装置中要使用一片A/D转换器A DS7864。实现对八路输入信号的模数转换，因此要选用模拟多路开关。本装置选用的是八选一
多路开关 AD7501。
Ud0
地
S1S8
图3-7 AD7501芯片结构级引脚
AD7501 的主要参数：
(1) 导通电阻：Ro n 为 170Ω（-10V
在上图中 S1～S8 引脚接八路输入信号，O UT 引脚为输出，A0～A2 接 8031 的P 1.0～P1. 2，通过改变 P1.0～P 1.2 的高低电平来选通八路信号中的一路。
3.2.6 A/D 转换器
为了利用计算机进行信号处理，首先要将模拟信号转化为数
字信号，这就需要一个与之相适应的模数转换器ADC ，所以选择合适的A/D转换器是数据采集单元中重要的一个环节。本设计采用的是T I 公司Bur r-B rown 产品部推出的A/D转换器AD S7864。
如图3-8 ADS7864硬件电路
ADS7864是高速、低功率、双12位的模数转换器，以+5V 单电源供电。输入通道全差分，典型共模抑制比为80dB 。该器件含有两个2μs 的逐次求近模数转换器，6个差分采样与保持放大器、一个带RE FIN 与R EFO UT 脚的+2.5V 内部电压基准以及一个高速并行接口。6个模拟输入通道分成3对(A、B 、C ) 。每个A/D转换器都有三对输入端(A0/A1、B0/B1、C0/C1) ，可以同时采样、转换，因此可以保持两个模拟输入信号的相对相位信息。每对通道都有一个保持信号( HOLD A 、 HOLD B 、 HOLD C )，这3个保持信号同时有效就可以同时保持6路输入信号，转换的数据分别存放在6个寄存器中。在A/D 转换器开始一次新的转换时， BUS Y 脚变为低电平，并且在转换进行期间一直保持低电平，在数据被锁存到输出寄存器之后，再升高。完成一次A /D转换至少需要16个时钟周期。转换完成之后，若 RD 、 CS端都被拉低，则可以将数据从并行输出总线读出。A DS7864的每个读操作都输出16位信息(12位数据、3位通道地址和1位有效数据) 。地址/模式信号(A0、A1、A2) 选择数据从A DS7864读出的方式。这些地址/模式信号决定是选择单通道模式、循环模式(在所有通道之间循环) 还是先入先出(FIFO ) 模式。ADS7864硬件电路如图3-8所示.
3.3双口 RAM
随着工业控制对计算机技术的要求日益提高，双 CPU 系统的应用日益广泛。如何实现 CPU 之间的数据共享，成为系统实现的难点之一。
+5
常规的随机数据存储器 RAM 只有一个数据端口，只能由一个 CPU 进行控制，如果 2 个 CPU 要共享一个存储器中的数据，在数据存取上会造成很大的不便，而双口 RAM 的出现为这个问题的解决提供了一个途径。双口 RAM 有 2 个完全独立的外部数据端口，两个 CPU 可以通过各自相连接的端口对存储器内的任意单元进行访问。因此，双口 RAM 很适合在多 CPU 的数据通信和资源共享中应用。
3.3.1 双口 RAM 的选型
我们选用的 IDT 7009 是美国 IDT 公司开发研制的高速 128K ×8bit s 的双口静态R AM 。它具有如下特点：
(1) 两个(左、右) 端口可同时读写数据，每个端口具有自己独立的控制信号线、地址线和数据线。
(2) 可高速存取数据，最快存取时间为 15 ns ，可与大多数高速处理器配合使而无需插入等待状态。
(3) 具有 Mas ter /slave 控制脚，可方便地扩展存储容量和数据位宽。
(4) 具有完全独立的忙仲裁逻辑，可保证两个系统对同一单元进行读写操作的正确性。
(5) 中断逻辑允许 CPU 通过端口直接进行通信，标识器逻辑允许两个控制器共享资源。
(6) 各端口完全异步操作。
3.3.2 硬件设计
双口 RAM 是一个高性能的逻辑器件，两侧端口处具有独立的控制总线、地址总线和数据总线，两侧单片机和 DSP 可以同时对双口 RAM 芯片内所有存储单元进行读写操作，与单片机和 DSP 接口设计简单，且与各种单片机和 DSP 性能具有高度的兼容性，因此易于在单片机和 DSP 之间实现并行通信。系统采用单片机和 DSP 并行处理的工作方式，单片机和 DSP 通过双口 RAM(IDT7009) 作为数据共享接口。双口 RAM 的左、右端口的 BUSY \管脚分别接单片机和 DSP 的 I/O 管脚，并采用查询方式，在发生冲突时，被延时的单片机自动暂停访问双口 RAM ，待该侧 BUSY 信号无效后，继续访问所选单元。
3.4 DSP 简介
DSP(Dig ita l Signa l Proc ess ing ) 一种独特的微处理器，是以数
字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为 0 或 1 的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。数字信号处理器是数字信号处理技术与数字信号处理应用之间的桥梁和纽带。数字信号处理技术能够得到广泛的普及和应用，在很大程度上得益于数字信号处理器性能的提高和价格的降低。本文中，DSP 指数字信号处理器即D SP 芯片。
3.4.1 TMS320F2812 的特点
我们选择了 TMS320F2812。所选用的 TMS320F2812 芯片封装形式为176 脚 LQFP(Low Prof ile Quad Fla t Pack age ) 封装。
TMS320F 2812(以下简称 F2812) 是在 F24X 的基础上开发的高性能定点芯片，是性价比较高的一款 DSP 芯片，具有运行速度快、外设集成度高、存储空间大、A/D 转换速度快、转换精度高等特点。 具体特点如下：
(1) 高性能 CPU ：16 位×16 位和 32 位×32 位的乘和累加操作；双 16 位×16 位的乘加单元(MAC) ；哈佛总线结构；强大的操作能力；迅速的中断响应和处理；统一的存储器编程模式；可达 4M 字的线性程序/数据地址；代码效率高(兼容 C/C++或者汇编语言) ；与 TMS320F 24x /LF240x 处理器的源代码兼容。
(2) 片上存储器：多达 128K ×16 位 Flas h 存储器(4 个 8K ×16 位和 6 个 16K ×16位的扇区) ；1K ×16 位的 OPT 型只读存储器；两个 4K ×16 位的单口随机存储器(SARAM ) ：L0 和 L1；一块 8K ×16 位 SARA M ：H0；两块 8K ×16 位 SARAM ：M 0 和 M1；一块 4K ×16 位的引导 ROM(带有软件的引导模式和标准的数学表) 。
(3) 外部接口：多达 1.5M ×16 位的存储器；可编程等待状态；可编程读/写选通计数器；四个独立的片选端。
(4) 时钟和系统控制：支持动态的锁相环倍率调整；片上振荡器；看门狗定时器模块；三个 32 位 CPU 定时器。
(5) 三个外部中断，可扩展的外设中断模块支持 45 个外设中断源。
(6) 128 位密钥：保护 Fla sh/OPT 和 L0/L1 S ARA M ；防止 ROM 中的程序被解密。
(7) 串行接口外设：串行外设接口(SPI) ；两个串行通信接口(SCI) ，标准的 UAR T ；增强型局域网络控制器(eCAN ) ；多通道缓冲串
口(McBS P) 。
(8) 高速 12 位的 ADC ：2 个 8 通道的输入多路转换器；两个采样保持器；单个/双路同步采样；高速通道转换速率：80n s/12. 5MS PS 。
(9) 最多可有 56 个可独立编程的复用 I/O 口(GPI O) 。 （10）工作温度范围：A ：-40～+85℃；S /Q：-40～+125℃。
3.4.2 DSP 外围电路的选取
DSP 外围电路为 DSP 正常工作提供了保证，主要有：电源电路、时钟电路、复位电路和 JTA G 接口电路等。目前，新一代的 DS P 芯片均向着低电源电压、低功耗的方向发展。为了降低功耗，又便于实现 DSP 芯片和外设间的接口，F 2812 采用双电源供电机制，以大大降低 DSP 芯片的功耗。电源与复位5电路。
F2812 有以下三种电源需要电源电路提供。
(1) DS P 芯片内核电源 VDD 。内核电源电压为 1.8V （135MHz ）或 1.9V （150MHz ），主要为器件的内部逻辑电路提供电源，包括 CP U 、时钟电路、和片内外设。
(2) I/O 供电电源 VDDI O 。D SP 芯片与外部接口间采用 3.3V 电源电压，所有数字输入引脚与 3.3V 的 TTL 电平兼容，所有输出引脚与 3.3V 的 CMOS 电平兼容。这样便于 DSP 引脚直接和外部低压器件的接口，而无需额外的电平转换电路。
(3) 模拟电路电源 VDDA 。电源电压为 3.3V ，专门为 ADC 模块中的模拟电路供电。在电源设计时，采用电源芯片输出的复位信号作为 DSP 的复位控制信号，以满足对上电和掉电时序的要求。首先给所有的 3.3V 供电电源加电，在 3. 3V 电源的输出电压到达 2.5V 之前 VDD 要小于 0.3V。这样的上电次序可保证上电复位信号经过
I/O 缓冲后，可靠地复位 DSP 芯片内部的各个功能模块。当电源上电后，复位要继持有效（最小值为 1ms ），以使得电源电压和振荡电路输出稳定。在掉电过程中，当 VDD 的幅值降至 1.5V 之前，DSP 的复位信号必须变为有效低电平，且持续时间不小于 8μs ，这样可以使得掉电过程片内 Flas h 模块处于复位状态。我们采用双路低压差输出的电源芯片 TPS73HD318，两路输出电压均为固定值，分别为 3.3V 和 1.8V 。每路输出电流可达 750m A ，并提供独立的输出使能控制。此外，每路输出还分别提供一个宽度为 200m s 的低电平有效复位脉冲，可作为 DSP 芯片的上电复位信号。图 3-9 为 F2812 的电源电路：
图 3-9 TMS 320F2812 的电源电路
3.4.3 时钟电路
F2812 内部提供一个基于锁相环电路 PLL (Phase -Lo cke d Loops ) 的时钟模块。该模块为芯片及各种片内外设提供了所有必要的时钟信号(CPU 时钟、系统时钟、高速外设时钟、低速外设时钟和看门狗时钟等) 。基于 PLL 的时钟模块提供了两种工作模式：一种是晶体(Crys tal ) 模式，在这种模式下，利用 F2812 芯片内部所提供的晶振电路，在芯片的 XTAL1/CLKIN 和 XTAL2之间连接一晶体可启动内部振荡器，如图 3-11(a)所示；另一种是外部晶体振荡器
(Oscill ato r) 模 式 即 允 许 将 内 部 振 荡 电 路 旁 路 ， 将 外 部 时 钟 源 直 接 输 入XT AL1/CLKIN 引脚，XT AL2 悬空，如图 3-10(b)所示。
注意到 F2812 芯
片要求的时钟信号平为 1.9V ，所以建议采用晶体模式
External Clock
Signai
(A)(B)
图 3-10 TMS320F2812 时钟模式
PLL 可以配置为三种模式：一种为 PLL禁止模式，此时系统时钟频率(SYSCL KOUT 等于输入时钟频率(XCL KIN ) ；一种为 PLL 旁路模式，此时系统时钟为输入时钟频的一半；一种为 PLL 允许模式，此时系统时钟为输入时钟频率的 N/2 倍，其中 N 倍频值。PLL 的禁止模式由 XPLL DIS 引脚来确定，在复位期间该引脚如果被检测为电平则选择此模
式。P LLC R 寄存器中的 DIV 域(位 3～0) 可以设置倍频值，最高可提供 5 倍频。我们将 XPLL DIS 引脚通过 4.7K 电阻接到 3.3V ，设为 PLL 允许模式，用 30MHz 的晶体供系统使用，这样最高可以给系统提供 150M Hz 的时钟频率。这于整个电路板的电磁兼容性是很有好处的，因为外部只需要使用较低频率的晶体既避免了外部电路干扰时钟，同时也避免了高频时钟干扰电路板上的其他电路。
3.4.4JTAG 仿真接口
通过 JTAG 测试口可完成访问和调试 DSP 芯片。借助于仿真接口用户可以通过 PC 调试和下载应用程序到指定的应用板。F2812 采用符合 1149. 1 标准的 JTAG 仿真接口，仿真电缆和 DSP 芯片的 JTAG 仿真接口是通过一个 14 脚的双排插头来连接的。
DSP 芯片的 JTA G 仿真接口和仿真器电缆间的连接关系如图 3-11 所示
图 3-11 DSP 芯片的 JT AG 仿真接口和仿真器电缆间的连接关系
3.4.5 串行通信接口电路
本设计中，F 2812 与 PC 机通过串行口进行通信，PC 机从串行口向 F2812 按照一定的数据格式发送命令帧，F2812 接收到命令帧后按要求回复相应的数据帧。F2812 包括两个串行通信接口(SCI ) ，这使得 F2812 可以很方便地与其它使用标准格式串口的异步外设之间进行数据通信。本设计采用 MAX 232 来完成这一功能，其接口电路如图 3-12 所示
U13
C6机串口
图 3-12 串行通信接口电路
3.4.6 彩色液晶显示电路
液晶显示的好坏对同步采集器的应用至关重要，本设计采用的是南京国显电子公司的N HC _35型彩色液晶显示模块，其主要特点是：安装方便，板尺寸117mm ×85m m ，点阵为320(W)*234(H) ；与F2812接口连接简单；F2812可以随时读写显示存储器，而不影响显示效果，即显示不会出现“雪花”；有两页显示缓存，可以任意设定显示页和操作页。NHC_35接口电路如图3-13所示：
U9 NHC 35
+5V
图 3-13 NHC_35 接口电路
本设计中，F2812 通过通用 I/O 对 A1、A0、CS 进行控制，从而实现了对 NHC_35的读写操作。N HC_35 的控制指令如表 3-6 所示：
表3-6 NHC _35的控制指令
3.4.7键盘接口电路
键盘在 DSP 应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向同步采集器输入数据，传送命令等功能，是人工干预同步采集器的主要手段。对于按键较少或操作速度较高的场合，我们一般采用独立式按键电路，即各个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线的按键工作状态不会影响其它输入线的工作状态，这种电路配置灵活，软件结构
简单。键盘接口电路如图 3-14 所示
本设计中，F2812通过通用 I/O 扩展独立按键。键的闭合与否，反应在电压上就是呈现出高电平和低电平：高电平表示断开，低电平表示闭合。通过对电平高低状态的检测，便可确认按键是否按下。
图 3-14 键盘接口电路
3.5逻辑控制单元
采用 CP LD 实现系统逻辑控制有如下优点：减小系统体积；增强逻辑设计的灵活性；缩短设计周期；提高系统处理速度；降低系统成本；提高系统的可靠性；系统具有加密功能等。
3.5.1 CPLD 的硬件电路设计
在同步采集器的总体设计中，C PLD 主要负责在单片机和北斗秒脉冲(1PP S) 的控制下，产生同步采样波形，保证采集器同步采样；同时为A /D转换芯片提供时钟信号。EPM 7128及E PM7128的时钟电路和J TAG 接口电路如图3-15所示。
3.6北斗授时模块
北斗 OEM 板是封装及其简单，便于二次开发的传感器，能完成北斗主要数据的采集以及简单的定位解算功能，只要接上天线就能通过接口向外输出各种数据。而且有利于进行二次开发和各种系统的集成。北斗 OEM 板通过 RS-232 接口为用户提供位置、速度、时间等数据。具体数据输出格式有两种，一种为二进制格式输出，另一种为 NMEA -0183 格式输出。
3.6.1 北斗接收板的原理及性能
图 3-15 CPLD 及时钟和 JTAG 电路
表3-6 BD-01型北斗接收板技术指标
我们采用北京星网宇达科技开发有限公司生产的基于我国“北斗一号”系统BD-01型北斗接收板。本接收板采用一体化设计，通过无源方式实现定位、授时种应用功能。主要面向导航定位用户以及通信、移动电视、网络、电力等需要高度时间同步应用的场合。BD -01型北斗接收板技术指标如下表3-6。产品采用软件线电架构，内部采用6通道相关器。可通过外部输入高程，自主定位并授时；也直接输入坐标值进行直接授时。高程值可以通过气压高度计或者高度表等获得，按照
协议组帧后通过串口输入。接收机的射频通道能够适应多个天线厂家的北斗天线（根据实际使用的天线线缆长度选择不同增益的天线）。
3.7电平转换
在单片机和 DSP 应用系统中，往往同时存在 3.3V 和 5V 系列芯片。让两种同电压的芯片的输入输出直接相连是不可行的，这就存在一个电平转换问题。本设计中，液晶显示模块、A/D 转换器等外围器件需要与 F2812进行电平转换，其转换电路如图 3-16 所示
如图 3-16 转换电路
第四章 交流电量同步采集器软件设计
合理的软件结构是设计单片机和 DSP 应用系统的基础，它能使单片机和 DSP 有条不紊地对各个相对独立的任务进行处理。在程序设计中，最常用的方法是模块化程序设计方法。它把一个完整的程序分为若干个功能相对独立的小程序模块，各个程序模块分别进行设计、编写和调试，最后将调试好的程序模块连接起来。本章首先介绍了 DSP 软件开发环境；然后给出了同步采集器软件设计方案。
4.1 系统开发环境
DSP 开发采用合众达公司的仿真系统，该仿真系统对 TI 全系列 DSP 产品：T MS320C ZX0/C5X/C6X/C3X ，完全通用，只需更换相应的仿真软件就可以实现所有 DSP 硬件的开发和调试。XDU SB2.0 仿真系统与计算机的接口为 USB 口，调试方便，携带方便，支持 Cod e Co mpo ser Stud io 集成调试环境，仿真不占用任何 DSP资源，支持单片机和 DSP 同时调试仿真。使用 CCS 提供的工具，开发者可以非常方便地对 DSP 软件进行设计、编码、编译、调试、跟踪和实时性分析。本设计采用的是 CCS2. 21. 00 版本，它完全支持F 2812。CC S 集成开发环境主要包括了以下功能：
(1) 集成可视化开发界面，可直接编写 C 、汇编、. H 文件、.C MD 文件等；
(2) 集成代码产生工具，包括汇编器、优化 C 编译器、连接器等；
(3) 集成调试工具，如装入执行代码(.OUT 文件) ，查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等，支持 C 源代码级调试；
(4) 支持多 DSP 调试；
(5) 断点工具，有硬件断点、数据空间读写断点、条件断点等；
(6) 探针工具(Pro be Po int s) ，可用于算法仿真、数据监视等；
(7) 分析工具(Pro fil e Poi nts ) ，用于评估代码执行的时钟数；
(8) 数据的图形显示工具，支持多种方式，可自动刷新；
(9) 提供 GEL 工具，用户可以编写自己的控制面板和菜单，方便直接地修改参量，配置参数；
(10) 提供 DSP/BIOS 工具，增强对代码的实时分析能力、调度程序执行的优先级、方便管理或使用系统资源，从而减少了开发人员对硬件熟悉程度的依赖性。
4.2 同步采集器软件系统设计
4.2.1 系统主程序设计
同步采集器的软件设计主要由以下几个子程序模块组成：单片机与北斗通信模块、数据采集模块、数据处理模块、串口通信模块、人机接口模块等。主程序流程图如图
图4-1 主程序流程图
主程序首先对系统进行初始化操作，这包括 CPU 初始化、I/O 初始化、存储器初始化、A/D 初始化、LC D 初始化、时钟初始化、串口通讯初始化等；初始化完成之后，判断北斗是否定位，定位后液晶屏出现操作界面，显示北斗标准时间和提示符号，等待键扫描；然后通过键扫描判断是否有键按下，根据判断结果，执行相应的键处理程序。
4.2.2 北斗信息接收程序
单片机 8031 通过与北斗接收板 BD-01 相连的串口来发送指令控制 BD -01 的输出及接收 BD-01 的输出信息，然后从收到的数据信息中判断 BD-01 是否已经定位并提取标准时间信息，用于液晶显示和控制同步采样。8031 与 BD-01 的通信协议遵从北斗接收板 BD -01 的规定，波特率为 9600，输出数据为 8 位，无奇偶校验。通信程序的各流程图分别如图 4-2、4-3 所示。
4-2 北
斗星主程序通信流程图
图4-3 北斗星发送中断流程图
4.2.3 F2812 与 GPS 通信子程序
F2812 通过与 GPS 接收板 GN -80 相连的串口来发送指令控制 GN-80 的输出及接收 GN -80 的输出信息，然后从收到的数据信息中判
断 GN-80 是否已经定位并提取标准时间信息，用于液晶显示和控制同步采样。
图 4-4 F2812 与 GPS 通信子程序流程图
F2812 与 GN-80 的通信协议遵从 GPS 接收板 GN-80 的规定，波特率为 9600，输出数据为 8 位，无奇偶校验。程序中首先按照 NM EA0183 协议的相关规定，向 G N-80发送命令语句：$PFEC,G Pin t,G GA01,Z DA 00, GLL 00, GSA 00, GSV 00, VYG 00, anc 00, acc 00, ast00,t st00,d ie00,C R LF 输入这条语句的作用是令 GN-80 每秒通过串口只发出一条$GPGG A 语句，去除多余的不必要的信息，在程序中预
先将这条语句的内容存放在某一位置，并在 RAM 中开辟一段数据空间保存 GGA 语句的内容。GGA 语句内容的格式如下：
语句所表示的含义如下：
1．U TC 时间信息：
“12”：时； “34”：分； “56”：秒。2-3．纬度“34”：度；“44”：分；“0000”：分(小数) ；“N ”：北纬(S 表示南纬) 。4-5．经度“135”：度；“21”：分；“0000”：分(小数) ；“E ”：东经(W 表示西经) 。6．GPS
输出是否有效“0”表示无效(未定位) ；“1”表示有效(已定位) 。F2812 与 GPS 通信子程序流程图如图 4-2 所示，图中 SCI RXB UF 指串口通信接收器数据缓冲寄存器。
4.2.4 A/D 采样软件设计
图4-5 A/D采样流程图
这部分软件主要完成控制 A/D 转换过程并由 DSP 读取转换数据结
果。在系统初始化工作结束后，就开始运行 A/D 转化部分程序。在 A/D 转换器开始一次新的转换时换时， BUSY 脚变为低电平，并且在转换进行期间一直保持低电平，再升高。完成一次 A/D 转换至少需要 16 个时钟周期。转换完成之后，若 RD 、 CS 端都被拉低，则可以将数据从并行输出总线读出。D SP 按照预先设定好的程序顺序读取 6 路数据，然后采集的数据通过并行总线接口传输到双 RAM 里，以便工控机从中读取数据，对数据进行分析处理。软件设计流程如图 4-5 所示：
4.2.5 DSP 读写数据模块
图4-6 DSP 读写程序流程图
软件设计流程如图 4-6 所示。该单元把通过 A/D 转化过来的数据进行采集，初始化 FLAG 引脚的方向，然后把采集到的数据写到双口 RAM 里，通过 FLA G 的方向来控制工控机读取数据。
4.2.6 工控机读写数据模块
工控机作为数据的处理单元，对双口 ROM 读取的数据进行处理，向指定的 I/O写数据“0”，使 FLAG 脚为 0，从双口 RAM 里读出数据，进行 FFT 变化（即离散傅立叶变换），并在此上完成电能质量参数的计算，包括电压有效值、电压偏差，功率及功率因数幅值、相位、频率、谐波含有率、总谐波畸变率、不平衡度等参数的计算，当 FLAG 脚为 1 时，表示数据已全部读完。软件设计流程如图 4-5 所示：
图4-7 工控读写数据流程图
4.2.7 数据采集子程序
图4-8采样程序流程图
为了实现输电线路两端采样的同步性，需要预先由键盘输入采样开始的时间，单片机接收北斗发出的时间信息，判断是否到达采样时间。当满足条件时，通过设置 P1.0 的输出为低电平，开启采样，在即将到来的同步秒脉冲的上升沿自动开始采样，采样控制波形由同步采样波形发生单元控制。
4.2.8 数据处理子程序
数据处理是对 A/D 转换结果进行必要的处理，以得到电压、电流
信号的幅值和相位，它包含以下三个方面的内容：
(1) 变比转换：电压、电流信号经过前端信号调理电路时，经过了一定比例的放大处理，因此必须对 A/D 转换结果进行变比转换；
(2) 采样值还原：A/D 转换结果是一系列字节型的十六进制数，在数据处理的
过程中需要将其转换为实际电压、电流的采样值；
(3) FFT 变换：利用 FFT(快速傅立叶变换) 对离散的采样数据进行计算，得到电压、电流信号的基波及各次谐波的幅值和相位。FFT 是 DFT(离散傅立叶变换) 的快速算法。FFT 算法有多种变形，本文采用的是时间抽取(DIT) 基 2 FFT 算法。这种算法的核心是将 x ( n) 按 n 为偶数、奇数分解为两部分，用两个 N/2 点的 DFT 运算完成一个 N 点 DFT 运算。要求 =2MN ，M 为正整数，令 n ＝2r 及 n ＝2r+1，r ＝0,1, „, N/2-1, 于是
图4-9 FFT 子程序流程图
4.2.9 串口通信子程序
同步采集器通过串口电路与 PC 机通信。在串口通信中，采用的波特率为 9600，数据位为 8 位，无奇偶校验位。当启动数据发送程序的时候，首先通过串口接收 PC 机发出的开始发送命令(通过 PC 机向 F2812 发送一个字节 0FFH) ；当收到命令时，F 2812 置开始发送标志 CSFL AG 为 0FF H ，开始通过串口发送数据。整个通信程序的流程图如图 4-10、4-11 所示，图中 SCITX BUF 指串口通信发送数据缓冲寄
存器
图4-10 串口通信子程序流程图
图4-11 串口通信发送中断流程图
4.2.10 键扫描子程序
键扫描子程序是人机界面的重要组成部分，F 2812 通过键扫描子程序接收键盘命令，完成各项测试功能，实现对同步采集器的控制。同步采集器共包括四个功能键，采用 F2812 的通用 I/O 口作为键盘输入口。F2812 循环对键盘进行扫描。对各键输入的处理包括判断、
消抖、功能程序执行等几个部分，其程序框图如图 4-8 所示。键值处理主要包括以下几方面内容：
(1) 电压、电流变比输入：通过显示界面的提示按键，进入电压、电流变比输入界面，然后通过按键来移动光标位置及改变光标位置数据来输入电压、电流变比；
(2) 预定采样时间输入：为了能够在同一时刻开始采样，需要在北斗定位后事先在各个同步采集器上设定一个相同的未来时刻，在该时刻的秒脉冲上升沿同时开
始采样，时间的输入方法与变比输入方法相同；
(3) 数据传输控制：采样数据经过处理后需传输到 PC 机上，数据的传输需要由按键来控制。
图4-12 键扫描子程序流程图
4.3 FLASH 在线编程的实现
上述程序可以使用仿真器在 F2812 中进行调试，但作为一个完整的测量装置，最终需要脱离仿真器独立工作。这就需要将断电后仍能够可靠存储数据的 FLA SH 存储器作为系统的程序存储器。系统上电后，引导程序把 DS P 的应用程序从 FLA SH 中引导到 DSP 系统的存储器资源(外部 SDRA M 或 DSP 片上 RAM ) 中进行工作。对于 FLAS H 而言，可以使用专门的编程器对 FLAS H 进行编程，但是这样做不够灵活，在程序设计阶段需要经常改动测试程序，显然每次重新写入 FLAS H 是十分不便的。因此需要设计在线 FLASH 写入程序，通过仿真器和 JTAG 接口直接将 DSP 应用程序程序写入FLA SH 。FL ASH 在线编程的步骤如
下：
(1) 在 RAM 中调试好 DSP 应用程序；
(2) 移除原来在 R AM 中调试用的.L IB 库文件，加载烧写程序用的.L IB 文件；
(3) 移除原来在 RA M 中调试用的. CM D 配置文件，加载烧写程序用的.C MD 文件，然后重新编译，生成. OUT 文件；
(4) 打开烧写程序用的插件，将程序烧写到 FLA SH 中。
第五章 结 论
本文对基于单片机和 DS P 的电力系统交流电量同步采集器进行了研究，选用高速多路同步 A/D 转换芯片 AD574 和单片机 8031 进行电压、电流信号采集，采用TI 公司最新推出的 DSP 芯片 TMS320F 2812 作为数据处理与计算芯片，利用 MAX II 系列 CPL D 芯片 EPM7128 为同步采集器提供综合逻辑控制，通过北斗接收板 BD-01为同步采集器提供同步采样脉冲，完成了软件部分和硬件系统的设计。该同步采集器可用于电网状态监测、继电保护、输电线路精确故障定位等方面，同时也为输电线路参数在线测量提供了一种简捷、便利的方法。以 DSP 芯片为主处理单元融合单片机为从处理单元的系统结构方案，不仅能连续的采集有效数据, 还对所采集的数据进行相应保存。单片机专门用来进行数据采集, DSP 专门用来进行数据通讯, 单片机和 DSP 共享数据资源, 单片机将所采数据送到双口 RAM 中, DSP 将其中的数据传送到 PC 机, 这样并不需要单片机中断数据采集的工作来进行通讯处理, 数据的连续性就得到了可靠的保证。
5.1 本论文的主要工作和成果如下：
1． 研究了电力系统交流电量同步采集的国内外现状及前景；
2． 研究了北斗卫星导航定位系统的定位、授时原理及方法；
3． 将北斗卫星定位系统的授时技术应用于电力系统中，研究了利用北斗的同步授时功能实现电力系统数据同步采集的方法，具有较高的精确度；
4． 将 DSP 运用到系统中，充分发挥了 DSP 的优越性，解决了传统的基于单片机的数据采集装置资源少，运算能力弱，实时性差，软硬件通用性不强，系统灵活性不高等问题，使该系统性能更可靠，实时性更高。目前，本文所研究的电力系统交流电量同步采集装置正处于设计阶段，实践中可能还存在一些意想不到的问题，需进一步改良和完善。
5.2 后期工作展望
本文采用的北斗接收板只适用于“北斗一号”系统。北斗二号正在
研制之中，预计 2015 年全部投入运行，北斗二号投入以后我们对北斗接收板会有更多、更好的选择。我们下一步研究的方向是针对北斗二号系统设计出更加实用的电力系统交流电量同步采集器。
参 考 文 献
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致谢
经过半年的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有抚导老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
在论文写作过程中，得到了张雷老师的亲切关怀和耐心的指导。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，张老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜，张老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩张老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!
最后我还要感谢数学系和我的母校—河南机电高等专科学校三年来对我的栽培。