使用MCU內(nèi)置序列發(fā)生器控制的交流信號(hào)采樣

曹 融,張 敏,杜 峰,張 韜

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048;2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 西安供電公司，西安 710032)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，變電站一次設(shè)備智能化項(xiàng)目的研究也在不斷深入[1-2]。變電站一次設(shè)備智能化的核心在于相應(yīng)智能組件的設(shè)計(jì)開發(fā)[3-4]，但是智能組件存在運(yùn)行環(huán)境惡劣、電磁干擾嚴(yán)重等諸多不利因素，導(dǎo)致變電站一次設(shè)備智能化相對(duì)變電站智能化的其它項(xiàng)目處于滯后狀態(tài)[5]。隔離開關(guān)控制器是一種具有數(shù)據(jù)采集，開關(guān)分合控制，信息互通和安全檢測(cè)等功能的智能組件，若需要對(duì)控制開關(guān)動(dòng)作的三相四線交流電機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而需要對(duì)其交流信號(hào)進(jìn)行PQIU全量采樣，以便實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障保護(hù)和故障錄波分析[6]。這里主要就該控制器交流信號(hào)采樣的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行介紹。交流信號(hào)采樣是一種成熟的技術(shù)，其關(guān)鍵在于[7]：①同相U、I需要同時(shí)采樣，保證P、Q計(jì)算的精度；②按電網(wǎng)周波同步采樣，確保PQIU的積分計(jì)算區(qū)間與電網(wǎng)周波一致。為了達(dá)到上述目的，一般都采用多個(gè)ADC或多通道同時(shí)AD采樣系統(tǒng)，以及同步采樣方法來實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)采樣[8-9]。所設(shè)計(jì)的控制器采用了Stellaris?LM3S9D92處理器作為CPU[10]，該處理器內(nèi)部集成了兩路12位ADC轉(zhuǎn)換器，使用采樣序列發(fā)生器控制ADC采樣，性能十分優(yōu)越。由于ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的成本較高，如果能使用該處理器內(nèi)置的ADC實(shí)現(xiàn)控制器所需的交流信號(hào)采樣，則可以大幅降低產(chǎn)品成本。這里就項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 采用MCU內(nèi)置的ADC進(jìn)行交流信號(hào)采樣

1.1 LM3S9D92內(nèi)置的ADC系統(tǒng)

Stellaris?LM3S9D92處理器是一款Cortex M3嵌入式ARM MCU，內(nèi)置有512k程序存儲(chǔ)器和96k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及豐富的外設(shè)控制器，其中包括2路ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器[10]。該ADC的主要特性包括：①具有12位轉(zhuǎn)換分辨率；②支持16個(gè)輸入通道；③采樣率可達(dá)1M次；④4個(gè)可編程序列發(fā)生器(sample sequencer, SS)，每個(gè)SS有8個(gè)單元的FIFO，用于存放AD轉(zhuǎn)換結(jié)果；⑤2路ADC可以獨(dú)立工作，并通過移項(xiàng)器進(jìn)行同時(shí)性控制；⑥支持多種轉(zhuǎn)換觸發(fā)控制：定時(shí)觸發(fā)器，模擬比較觸發(fā)器處理觸發(fā)器等；⑦16個(gè)輸入通道可以自由編程，分配給兩個(gè)AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分別采樣等，內(nèi)置的2路ADC模塊的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 內(nèi)置2路ADC模塊的連接關(guān)系

1.2 采用LM3S9D92內(nèi)置的ADC進(jìn)行多通道信號(hào)同時(shí)同步采樣

1.2.1 同相U和I信號(hào)的同時(shí)采樣

根據(jù)有功和無功功率的定義，在計(jì)算功率參數(shù)時(shí)要使用U和I兩條曲線同一時(shí)刻的采樣值進(jìn)行乘法運(yùn)算，否則計(jì)算結(jié)果沒有物理意義或者存在理論誤差。為此，通過交流采樣技術(shù)測(cè)量線路功率時(shí)，就需要實(shí)現(xiàn)同相U、I信號(hào)的同時(shí)采樣[11]。LM3S9D92內(nèi)部正好集成了2路ADC，可以實(shí)現(xiàn)Ua/Ia、Ub/Ib、Uc/Ic信號(hào)的同時(shí)采樣，但是，需要設(shè)置這2路ADC同時(shí)采樣的相位控制。這2路ADC可以靈活選擇觸發(fā)源和信號(hào)輸入源，設(shè)置2者之間采樣的相位差。其中觸發(fā)信號(hào)選用內(nèi)部定時(shí)器同時(shí)觸發(fā)；采用各自的復(fù)用選擇寄存器(ADCEMUX)分別順序選擇Ua～c、Ia～c，以便控制同相信號(hào)的同時(shí)采樣；通過采樣相位控制寄存器(ADCSPC)設(shè)置2路ADC對(duì)不同輸入信號(hào)同相采樣，方法如下：

1)ADC0模塊：ADCSPC = 0x00, 對(duì)AN0采樣；

2)ADC1模塊：ADCSPC = 0x00, 對(duì)AN1采樣。

這樣，內(nèi)置的ADC系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了同相信號(hào)的同時(shí)采樣的目的。此外，采樣序列發(fā)生器SS支持連續(xù)8個(gè)信號(hào)一次性采樣，采樣結(jié)果緩存到其內(nèi)部的FIFO之中，使用2個(gè)SS分別控制2路ADC，一次觸發(fā)可以一次完成16個(gè)信號(hào)的采樣。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要，除6路交流信號(hào)之外，還有其他4路模擬量需要采集，因此實(shí)際采樣實(shí)現(xiàn)時(shí)，2個(gè)SS各實(shí)現(xiàn)5個(gè)模擬信號(hào)采樣，即可滿足應(yīng)用需要。由于內(nèi)置的ADC系統(tǒng)每路模擬量輸入都有獨(dú)立的采樣保持器，加上ADC系統(tǒng)的采樣頻率為1M，時(shí)間延遲只有500 μs，使得該內(nèi)置的ADC具有六通道同時(shí)采樣AD轉(zhuǎn)換器ADS8365的特性[8,12]。

1.2.2 與電網(wǎng)周波軟同步的方法

由于電網(wǎng)周波的波動(dòng)性，電氣交流信號(hào)采樣需采用周波跟隨技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步采樣[2,13]，這里采用軟同步交流采樣方法進(jìn)行信號(hào)采樣。軟同步交流采樣的關(guān)鍵在于周波信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性[14-15]。為了實(shí)現(xiàn)周波信號(hào)測(cè)量，一般將電壓信號(hào)整形成方波，再用MCU的計(jì)數(shù)器中斷進(jìn)行測(cè)量。但是具體實(shí)現(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)周波信號(hào)測(cè)量不準(zhǔn)，導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)的誤差過大，需要進(jìn)一步分析和改進(jìn)。就其原因，在飛讀定時(shí)計(jì)數(shù)寄存器時(shí)，偶爾出錯(cuò)；其次，MCU在指令邊界響應(yīng)中斷時(shí)具有一定的時(shí)間不確定性；關(guān)鍵在于控制器軟件平臺(tái)使用了μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)進(jìn)出臨界區(qū)宏采用關(guān)、開MCU總中斷實(shí)現(xiàn)，而臨界區(qū)保護(hù)在OS內(nèi)部和應(yīng)用軟件中都頻繁使用，大大加大了中斷響應(yīng)時(shí)刻的不確定性，因此這種周波信號(hào)周期的測(cè)量方法不可取。

通過對(duì)處理器中的通用定時(shí)器進(jìn)行分析，LM3S9D92內(nèi)置的通用定時(shí)器GPTM支持16位輸入邊沿定時(shí)模式，該模式的工作過程是：設(shè)定裝載值和捕獲邊沿類型。計(jì)數(shù)器被使能后開始自由運(yùn)行，從裝定值開始遞減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)至0時(shí)重裝初值并繼續(xù)計(jì)數(shù)；若從CCP管腳上出現(xiàn)有效的輸入脈沖邊沿事件，則當(dāng)前計(jì)數(shù)值會(huì)被自動(dòng)復(fù)制到一個(gè)捕獲寄存器里，直到遇到下一個(gè)有效輸入邊沿時(shí)才被刷新，否則保持不變。利用這一特點(diǎn)，可以采用凍結(jié)計(jì)數(shù)器值的方法來測(cè)量信號(hào)的周期。具體實(shí)現(xiàn)方法為：在接入GPTM捕獲比較PWM管腳的CCP信號(hào)觸發(fā)時(shí)，GPTMTnR寄存器捕獲Tn計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，并且該計(jì)數(shù)器的值可以通過控制器來讀取。這樣，中斷響應(yīng)時(shí)，GPTMTnR寄存器的內(nèi)容因被凍結(jié)鎖存，不會(huì)因中斷響應(yīng)時(shí)機(jī)不確定而造成誤差，可以準(zhǔn)確計(jì)算得到當(dāng)前電網(wǎng)的周波。為了配合交流信號(hào)同步采樣，每周波信號(hào)采樣一旦完成，立即利用先前測(cè)量得到的周波信息調(diào)整分頻觸發(fā)參數(shù)，使得采樣間隔緊隨電網(wǎng)頻率的變化。為了避免外部觸發(fā)信號(hào)不發(fā)生時(shí)(如：沒有接入交流信號(hào)和交流信號(hào)不帶電)，CPU因檢測(cè)不到信號(hào)周期而停止采樣的問題，系統(tǒng)對(duì)該中斷進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視，一旦檢測(cè)到該問題，即以50 Hz頻率自動(dòng)采樣，并指示周期采樣的方式，以方便控制器的調(diào)試與檢測(cè)。

綜上所述，采用LM3S9D92內(nèi)置的ADC，再使用通用定時(shí)器配合，可以實(shí)現(xiàn)電氣交流信號(hào)的軟同步采樣。

2 交流信號(hào)采樣通道

2.1 交流信號(hào)調(diào)理

外部的交流輸入為220 V/5 A的強(qiáng)電信號(hào)，為了接入CPU，必須先使用微型精密互感器TV和TA對(duì)其進(jìn)行變換，交流信號(hào)采樣部分的總體框架如圖2所示。

圖2 控制器交流信號(hào)接入框架圖

如圖2所示的框架圖，電壓互感器TV焊裝在電路板上，在其前級(jí)采用壓敏電阻、磁珠、Y電容進(jìn)行抗干擾處理，電流互感器TA采用穿心接入，在其后級(jí)采用磁珠吸收高頻信號(hào)，互感器輸出經(jīng)濾波后接入壓隨電路。另外，接入CPU管腳前還將經(jīng)過電壓跟隨器和0～3 V鉗位電路，在保證信號(hào)準(zhǔn)確的前提下，在外部信號(hào)異常時(shí)也不會(huì)損壞MCU處理器。以Ua和Ia信號(hào)接入為例，交流電壓和電流信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 交流電壓和電流信號(hào)調(diào)理電路

2.2 周波信號(hào)調(diào)理

為了檢測(cè)電網(wǎng)的周波，從Ua信號(hào)調(diào)理的輸出端引入進(jìn)行處理。首先采用二極管進(jìn)行鉗位，防止外部信號(hào)異常損壞調(diào)理電路。再使用LF358雙運(yùn)算放大器進(jìn)行放大處理，使之接近方波，最后采用斯密特觸發(fā)反向門進(jìn)行整形，經(jīng)過光電隔離后，接入MCU的CCP管腳，實(shí)現(xiàn)頻率信號(hào)的下降沿觸發(fā)。周波信號(hào)調(diào)理電路主要部分的原理如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)周波信號(hào)調(diào)理電路

3 軟件設(shè)計(jì)

在確定使用LM3S9D92內(nèi)置ADC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟同步電氣交流信號(hào)采樣的技術(shù)方案之后，完成了信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，并生產(chǎn)安裝了該控制器的硬件平臺(tái)。LM3S9D92內(nèi)置有4個(gè)GPTM，控制器硬件使用其中Timer1進(jìn)行周波信號(hào)測(cè)量和ADC觸發(fā)，下面介紹相應(yīng)的軟件模塊的設(shè)計(jì)方法。軟件設(shè)計(jì)主要包括四部分：初始化、GPTM1 A通道中斷服務(wù)程序、ADC0和ADC1的中斷服務(wù)程序、交流信號(hào)有效值和相位角計(jì)算等。

3.1 初始化

初始化部分包括GPTM和ADC初始化兩部分，其中GPTM的A通道用于周波信號(hào)測(cè)量，B通道觸發(fā)ADC0和ADC1采樣?？刂破鞑捎?6 MHz的基礎(chǔ)頻率，倍頻后MCU工作在80 MHz，Timer1 A通道預(yù)分頻80次，定時(shí)單位設(shè)置為0.5 μs進(jìn)行周波信號(hào)測(cè)量。GPTM1初始化過程的自然語(yǔ)言描述如下：

1)設(shè)置CCP1管腳的交叉定義；

2)設(shè)置GPTM1AMR寄存器，使A通道工作在邊沿輸入定時(shí)模式；

3)設(shè)置預(yù)分頻初始值；

4)使能觸發(fā)中斷；

5)設(shè)置B通道的工作模式是觸發(fā)ADC；

6)設(shè)置B通道的分頻次數(shù)為50 Hz 24次采樣的參數(shù)。

ADC的初始化過程為：

1)選擇ADC0模擬輸入通道，選擇ADC1的模擬輸入通道；

2)設(shè)置SS0控制ADC0采樣，SS1控制ADC1采樣；

3)設(shè)置ADC0和ADC1同相位采樣；

4)設(shè)置ADC0和ADC1由CPTM1的B通道觸發(fā)；

5)啟動(dòng)ADC0和ADC1的中斷。

3.2 周波測(cè)量中斷服務(wù)程序

周波信號(hào)測(cè)量中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)是：讀取GPTMTAR寄存器中的值，計(jì)算當(dāng)前電網(wǎng)的周波，并保存在全局變量CurrentHz中，供ADCnISR和其它任務(wù)使用。

3.3 ADC0和ADC1中斷服務(wù)程序

ADC0和ADC1的中斷服務(wù)程序工作任務(wù)相同，每周波24次采樣，ADC中斷服務(wù)程序流程框如圖5所示。

圖5 ADC中斷服務(wù)程序流程框圖

3.4 交流采樣中斷處理任務(wù)

控制器軟件的支撐平臺(tái)為μC/OS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，交流信號(hào)采樣軟件基于中斷服務(wù)程序ISR+中斷服務(wù)任務(wù)IST的架構(gòu)設(shè)計(jì)，ISR完成一個(gè)周波信號(hào)采樣之后向IST發(fā)送信號(hào)，IST一旦收到發(fā)送的信號(hào)量，將會(huì)被喚醒，并進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)處理。

交流信號(hào)數(shù)據(jù)處理使用離散傅里葉算法實(shí)現(xiàn)，使用離散傅里葉算法可以計(jì)算得出基波分量的有效值。

裝置采集的三相交流信號(hào)的離散公式如式(1)：

(1)

m次諧波的復(fù)數(shù)形式Xc+jXs的實(shí)部和虛部分別如式(1)和(2)：

(2)

(3)

式(1)和式(2)中，取m=1，可得一次諧波(基波)的Xc和Xs如式(2)和(3)：

(4)

(5)

控制器軟件1個(gè)周波采樣24點(diǎn)，即N=24，代入式(4)和(5)，即可得到Xc和Xs的值，再代入式(6)得到電壓和電流的有效值：

(6)

利用Xc和Xs還可以計(jì)算得出電壓和電流的夾角，進(jìn)而計(jì)算線路的功率參數(shù)。利用U的Xc和Xs還可以計(jì)算得出交流電信號(hào)的相位角，進(jìn)而判斷相序，正確控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。此外，計(jì)算結(jié)果還可以對(duì)電機(jī)過載、堵轉(zhuǎn)、短路進(jìn)行保護(hù)，對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、保護(hù)過程進(jìn)行錄波，以便對(duì)電機(jī)故障原因進(jìn)行定量分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在完成控制器軟硬件設(shè)計(jì)之后，在實(shí)驗(yàn)室使用科陸CL301A精密交流穩(wěn)壓源對(duì)交流采樣部分的精度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1和表2所示。

表1 周波信號(hào)測(cè)量結(jié)果

為了分析方便，表1顯示的誤差為電網(wǎng)周波周期的絕對(duì)誤差，標(biāo)準(zhǔn)源設(shè)定交流信號(hào)的頻率，控制器顯示頻率和周期值，通過計(jì)算比對(duì)周期的絕對(duì)誤差。由表1周波信號(hào)測(cè)量結(jié)果可以看出最大偏差為7 μs，驗(yàn)證了控制器周波信號(hào)測(cè)量精度的穩(wěn)定性，較項(xiàng)目組先前實(shí)現(xiàn)的邊沿觸發(fā)，軟件中斷服務(wù)程序飛讀計(jì)數(shù)器的方法優(yōu)勢(shì)明顯。

表2 三相交流信號(hào)測(cè)量結(jié)果

從表2三相交流信號(hào)測(cè)量的結(jié)果來看，交流采樣的F級(jí)測(cè)量誤差都在0.5%F之內(nèi)，電壓采樣的精度高于電流，0點(diǎn)由于采取的零漂處理，無法測(cè)出誤差。表1和表2的測(cè)量結(jié)果表明該項(xiàng)目控制器交流信號(hào)采樣的實(shí)現(xiàn)技術(shù)達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)一款隔離開關(guān)控制器交流信號(hào)采樣的技術(shù)方案存在的問題，采用了MCU內(nèi)置的ADC系統(tǒng)，并借助MCU的通用定時(shí)器GPTM，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種軟同步交流采樣技術(shù)方案。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果得出其采樣精度可以達(dá)到0.5%F，滿足了技術(shù)規(guī)范書的要求，同時(shí)降低了控制器產(chǎn)品的采購(gòu)成本。進(jìn)一步，將提升單周波內(nèi)的采樣次數(shù)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)采樣精度達(dá)到0.2%F的目標(biāo)，使得這一交流采樣技術(shù)在協(xié)作單位的測(cè)量控制器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。