基于STM8的交流實時鎖相實現(xiàn)

摘 要：本文介紹了一種基于利用STM8內(nèi)部資源實現(xiàn)VCO數(shù)字鎖相方法。通過STM8單片機內(nèi)部定時器定時中斷，對交流輸入信號源與參考信號進行比較，并將該誤差值進行PID鎖相運算，從而達到VCO鎖相的目的。

關(guān)鍵詞：VCO；交流鎖相；單片機

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）30-0125-02

引 言

在電力控制設(shè)備運行中，控制設(shè)備往往需要對電網(wǎng)的電能參數(shù)進行實時采樣信號處理分析及計算，再根據(jù)電能參數(shù)值進行相應功能塊實現(xiàn)控制，從而達到自動控制目的。

當前單片機對電能參數(shù)的采樣技術(shù)可以分為直流采樣、交流采樣兩大類。直流采樣是把交流信號濾波整流成直流信號才輸入給單片機，這種方法存在誤差大、響應速度慢等缺陷。交流采樣直接將信號無損輸入給單片機，最大限度地保留了交流信號的實時性、完整性。交流采樣技術(shù)又可以細分為交流同步采樣、交流非同步采樣，交流同步采樣也稱為交流跟蹤采樣，即采樣頻率始終與輸入實時交流信號保持固定比例關(guān)系。交流非同步采樣也稱為交流異步采樣或交流定時采樣，即采樣頻率始終保持固定值，該值不隨輸入交流信號改變而改變。交流同步采樣以其精度高、響應快、穩(wěn)定好等優(yōu)勢逐步成為交流采樣處理的主流趨勢。交流同步采樣必須要對交流信號進行實時跟蹤鎖相，本文采用STM8單片機作為單片機，通過STM8內(nèi)部硬件寄存器對交流信號進行兩種不同方式的實時同步跟蹤實現(xiàn)。

1 VCO鎖相原理

VCO鎖相原理如圖1所示，VCO鎖相是一個負反饋單元環(huán)路的閉環(huán)控制系統(tǒng)。鑒相器PD對輸入信號和反饋單元信號進行比較，產(chǎn)生一個誤差信號，該誤差信號輸入到低通濾波器LPF進行系統(tǒng)校正，校正后的信號再輸入到壓控振蕩器VCO進行控制處理，使得輸出信號與輸入信號一致，從而實現(xiàn)鎖相目的。

2 VCO鎖相的實現(xiàn)

STM8實現(xiàn)交流鎖相是在定時器里面實現(xiàn)，實現(xiàn)流程如圖2所示。STM8啟動后初始化鎖相環(huán)的參考基準值REF，接著初始化交流輸入信號源SAM，最后初始化TIM2定時器做鎖相環(huán)處理，由于國內(nèi)電網(wǎng)頻率為50Hz，因此這里配置的TIM2起始中斷可以為20ms每次。當STM8的TIM2發(fā)生中斷時，讀取輸入信號源的信號值SAM，SAM與參考基準值REF進行比較，產(chǎn)生一個誤差值ERR，該誤差值通過PID校正計算進而產(chǎn)生響應的校正值Uk。這時就可以計算出TIM2定時器下一中斷時間的中斷值MR。如果PID選取合適，那么TIM2定時器每次中斷執(zhí)行將使得參考值逐步趨近于輸入信號源，并最終達到同步鎖相的目的。

3 交流鎖相的具體實現(xiàn)方法

電網(wǎng)電能信號一般都是50Hz正弦波形強電范疇，STM8單片機想要獲取電網(wǎng)信號并實現(xiàn)鎖相，就必須設(shè)計一系列硬件采樣電路將電網(wǎng)信號降至弱電范圍，然后才能輸入到STM8取樣引腳。硬件電路有很多種，這里不做考究。如圖3所示，WAVE1波形為經(jīng)過硬件電路處理過的取樣交流信號源，WAVE1波形包含了兩個信息：交流信號源，過零點電壓。將WAVE1波形的交流信號與零點電壓經(jīng)過比較器可以進一步得到交流過零脈沖信號WAVE2。對于沒有ADC采樣的單片機，可以通過WAVE2波形進行鎖相實現(xiàn)。由于STM8單片機內(nèi)部包含了ADC采樣和引腳中斷，因此這里擬分為兩種方式來實現(xiàn)鎖相。

3.1 交流信號的鎖相實現(xiàn)

STM8單片機內(nèi)部包含ADC1和ADC2，均是10位逐次比較型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，支持單次和連續(xù)的轉(zhuǎn)換模式。STM8的ADC在單次采樣中需要延遲等待轉(zhuǎn)換時間，這勢必對鎖相過程產(chǎn)生影響，因此這里采用的是連續(xù)轉(zhuǎn)換模式的ADC。鎖相實現(xiàn)流程為：ADC2采樣過零電壓，作為參考值REF。ADC1采樣實時的交流信號，作為信號源SAM，通過兩者采樣值的比較產(chǎn)生誤差值，并計算校正值，根據(jù)校正值設(shè)置TIM2的MR值。TIM2逐次迭代后，將能夠?qū)崿F(xiàn)實時鎖相的目的。

3.2 交流過零脈沖信號的鎖相實現(xiàn)

通過交流過零脈沖信號實現(xiàn)鎖相的思路是：如圖3所示，假定定時器TIM2產(chǎn)生待同步的內(nèi)部中斷信號WAVE3，通過內(nèi)部中斷信號與實際的交流過零脈沖信號比較，產(chǎn)生反饋值FBSign，該反饋值FBSign與參考值REF保持穩(wěn)態(tài)同步即可實現(xiàn)鎖相。

實現(xiàn)的流程如圖4所示，程序初始化時，配置交流過零脈沖信號為下降沿中斷，配置TIM1為計數(shù)定時器器。當交流過零脈沖信號發(fā)生中斷時，讀取當前TIM1計數(shù)器對應的TC值，記為IOTC。當TIM2定時器發(fā)生中斷時，讀取TIM1計數(shù)器的TC值，記為TIM1TC。IOTC與TIM1TC比較值即為反饋FBSign值。余下TIM2實現(xiàn)步驟與上述交流信號鎖相實現(xiàn)類似。

4 結(jié) 語

本文利用STM8單片機內(nèi)部定時器來實現(xiàn)對電網(wǎng)交流同步采樣的鎖相，并給出了兩種具體鎖相實現(xiàn)流程方式，較好地解決了單片機多種方式下的同步采樣鎖相問題。

參考文獻

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收稿日期：2018-9-13

作者簡介：周宜儐（1986-），男，廣西崇左人，工程師，工學學士，主要從事電力設(shè)備研發(fā)工作。