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技術文章

氧化鋅避雷器測試儀 核相儀的工作原理
 氧化鋅避雷器測試儀 核相儀
 摘  要：為了用單片機實現(xiàn)對變化速度極快、變化過程極短的高速瞬態(tài)行波信號進行采樣，研究了一種以DS80C320單片機為控制器。結合適當?shù)耐鈬娐泛秃侠淼目刂七壿嫎嫵傻母咚偻綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。闡述了快速尋址的方法、高速A／D轉換與快速存儲操作的協(xié)調(diào)控制關系和PC機總線接口技術，此系統(tǒng)符合ISA總線標準，可廣泛用于電力系統(tǒng)暫態(tài)行波的測量。
    關鍵詞：高速數(shù)據(jù)采集；單片機；A／D轉換器 氧化鋅避雷器測試儀 核相儀

氧化鋅避雷器測試儀 核相儀
1　前言
　　對電力系統(tǒng)高壓輸電線路進行**的故障定位是保證系統(tǒng)**穩(wěn)定運行的有效途徑之一?，F(xiàn)代行波定位是通過對故障發(fā)生后線路出現(xiàn)的電壓行波和電流行波的采樣值進行綜合分析，確定故障行波波頭到達線路上測量點的準確時刻，來實現(xiàn)**的故障定位。輸電線路短路故障發(fā)生后的暫態(tài)行波信號，其不同頻率分量具有不同的速度和衰減。波頭的形狀和極性與線路兩端的波阻抗變化情況有關，幅值與故障發(fā)生的時刻密切相關，使得行波在傳播過程中易發(fā)生畸變，降低了對行波準確到達時間的判別及對行波反射波的識別能力。對于變化速度極快，變化過程極短的高速瞬態(tài)行波信號的采集，需要高速A／D轉換單元、大量數(shù)據(jù)存儲單元、高速尋址和快速存儲等。
　　為了用單片機實現(xiàn)對μs級甚至ns級高速瞬變信號進行采樣，研究了一種基于GPS同步的、用硬件電路實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、高速尋址以及存儲的技術，保證了高速瞬態(tài)信號的實時采集。從而提高了輸電線路故障定位的精度。
　　由于所采集的信號是高頻信號，用常規(guī)的辦法受到單片機本身運行速度的限制，使用計算機不僅造成成本提高，而且對高頻、遠距離多路信號的信號處理上增加困難，有時無法區(qū)別所采集信號的真?zhèn)?。通過對8051單片機的外圍進行有效的擴展，采取在數(shù)據(jù)采集時由硬件實現(xiàn)其采集和存儲，采集完畢后由8051單片機進行數(shù)據(jù)處理和通信，比較好地解決了兩者的矛盾。
　　我們研制的高速數(shù)據(jù)采集板的采樣頻率為20MSPS；A／D轉換字長為8位，并且采樣速率可變；存儲容量為512K字節(jié)，符合ISA總線標準等特點?？蓮V泛用于電力測量、繼電保護和故障定位等。
2　硬件系統(tǒng)
　　對高速數(shù)據(jù)采集技術而言，*為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精度與通過速率，特別是系統(tǒng)通過速率，是區(qū)別高速數(shù)據(jù)采集與一般數(shù)據(jù)采集*為關鍵的一項技術指標。在硬件的具體實現(xiàn)過程中，則需要考慮兩個方面：（1）A／D轉換器的轉換時間。（2）轉換后的數(shù)據(jù)存儲時間［3］。
　　本文根據(jù)需要使用DS80C320單片機，在時鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執(zhí)行時間是110ns，充分發(fā)揮高速A／D轉換芯片的性能。硬件電路框圖如圖1所示，它是由CPU1及CPU2基本系統(tǒng)、視頻閃爍ADC轉換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計數(shù)器、采樣頻率控制、時序控制及譯碼電路等部分組成。


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　　CPU1主要用于數(shù)據(jù)采集和同PC機通訊，CPU2用于接收GPS時間報文，GPS時間報文可在任何時刻由CPU1從與之相接的雙口RAM2中讀取。選用高速雙端口RAMIDT7130（2k×8位）、IDT7134（4k×8位），內(nèi)部具有判決電路以防止因對某一單元同時操作而產(chǎn)生沖突。**片雙口RAMIDT7134主要是用于CPU1存放采集的數(shù)據(jù)、同步時間信息及工作狀態(tài)等量，供PC機定時取用，同時也接收來自PC機的命令。**片雙口RAMIDT7130其容量為2K字節(jié)，主要用于CPU1與CPU2交換GPS的同步時鐘信息。
2．1　高速A／D轉換
　　A／D轉換采用閃爍ADC器件AD9048，其*大轉換速率為35Ms／s，分辨率為8位。AD9048內(nèi)部時鐘鎖定比較器，可使編碼邏輯電路和輸出緩沖寄存器工作在35MSPS的高速，并避免了多數(shù)系統(tǒng)對取樣保持電路（S／H）和跟蹤保持電路（T／H）的需要。AD589和AD741，2N3906等構成穩(wěn)壓可調(diào)電路，提供給9048的RB，RT接地。AD9618作為輸入緩沖放大器［4］。由于AD9048的數(shù)據(jù)輸出沒有三態(tài)門控制，故在輸出加以74LS241作為三態(tài)門控制。AD9048是否工作取決于輸入轉換脈沖信號，在脈沖信號上升沿取樣。轉換脈沖來自采樣頻率控制電路中的8254分頻器的輸出。
2．2　高速尋址
　　對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A／D轉換應不受CPU控制，每當ADC轉換一次之后，由控制電路發(fā)出相應的信號，將ADC轉換結果寫入高速緩存RAM某單元中，再使地址計數(shù)器加1，直到地址計數(shù)器記滿后產(chǎn)生采樣結束信號，控制信號封鎖RAM寫信號，利用二進制地址發(fā)生器的*高位通過中斷方式通知主機采樣已完成。
　　地址形成電路可根據(jù)地址位數(shù)由若干同步記數(shù)器級聯(lián)而成，5片74LS163可構成19位地址形成電路。計數(shù)器每收到一個脈沖即產(chǎn)生一個地址，地址的初值可通過時序控制電路清零。若采用循環(huán)地址，則在記數(shù)滿后，用進位信號迫使記數(shù)器的同步預置電平發(fā)生變化，使記數(shù)器恢復初值，進入新一輪記數(shù)。
2．3　快速存儲
　　單片機與上位PC機間的串口通訊的數(shù)據(jù)傳輸速率往往不能滿足實時性要求，DMA通道的*大數(shù)據(jù)傳輸率也不超過5Mb／s［1］，這顯然無法滿足本系統(tǒng)中高達20Mb／s的采樣速度，為了解決高速數(shù)據(jù)采集與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，在單片機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲器選用雙端口RAMIDT7134，在上位PC主機與單片機之間建立了一個4k字節(jié)大小的緩沖區(qū)，單片機只須將經(jīng)過預處理的采樣值通過一個端口存入緩沖區(qū)，上位PC主機通過另一端口從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)，這
樣就解決了高速采樣與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，可滿足實時采集和控制的要求。
2．4　總線控制
　　單片機系統(tǒng)總線上掛有若干RAM或I／O口，尋址和數(shù)據(jù)傳輸都是由CPU發(fā)出指令通過系統(tǒng)總線實現(xiàn)的。對于高速數(shù)據(jù)采集，為了提高尋址和數(shù)據(jù)傳輸速度，避免總線沖突或“交通”堵塞，必須建立局部總線。系統(tǒng)總線與局部總線應該既區(qū)別又統(tǒng)一，既隔離又結合，彼此通過合理的控制邏輯聯(lián)系起來。　　在內(nèi)存映射的傳輸方式中，A／D不斷地將轉換的數(shù)據(jù)寫入高速緩存RAM，CPU根據(jù)數(shù)據(jù)處理的需要從高速緩存RAM讀取數(shù)據(jù)至雙口RAM1，雙口RAM1還需要將所有單元刷新一遍。這三種操作都要占用卡上的數(shù)據(jù)、地址總線，但它們發(fā)生的時間是隨機的，因此對總線的占用必然會產(chǎn)生沖突，總線仲裁電路的功能就是對這三種操作進行協(xié)調(diào)。這里，通過5片74LS241二選一開關來協(xié)調(diào)地址計數(shù)器與CPU1對高速緩存RAM讀地址的沖突，2片74LS241來協(xié)調(diào)高速緩存RAM與AD9048和雙口RAM之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。
2．5　PC總線接口技術
　　PC系統(tǒng)總線對4kb的雙口RAM尋址是一個難點。本數(shù)據(jù)采集卡采用的是PC總線，又稱8位ISA總線。它使用靈活，便于同8位單片機構成接口電路。它有62條引線，分五類：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線、輔助與電源線。本數(shù)據(jù)采集卡只利用了其中一部分引線：8條數(shù)據(jù)線、10條地址線、IOR和IOW控制線、電源線。譯碼電路詳細框圖如圖2。
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　　本數(shù)據(jù)采集卡使用308H、309H、30AH三個口地址實現(xiàn)在板緩存4kb的尋址。這里的譯碼電路使用了GAL20V8和兩片74HC574。當PC機要訪問某一地址時，首先寫入雙口RAM的低8位地址，此時GAL20V8的輸出信號選中74HC574（右），將PC－DB上的數(shù)據(jù)鎖存，形成雙口RAM的低8位地址Addrl，然后寫入雙口RAM的高8位地址，GAL20V8的輸出信號選中74HC574（左），將PC－DB上的數(shù)據(jù)鎖存，形成雙口RAM的高8位地址Addrh。*后通過選中雙口RAM的片選端cs，完成一次數(shù)據(jù)的讀／寫過程。
2．6　采樣頻率控制電路
　　采樣頻率控制電路是由晶振、可編程分頻器8254及一些控制電路組成，8254是可編程分頻器，工作頻率在8M～20MHz，通過不同的分頻數(shù)，可以輸出不同頻率，分頻數(shù)的值為2～65535。它的輸出是由觸發(fā)控制電路控制。其輸出時鐘分別送往地址計數(shù)器、高速緩存RAM的寫信號控制電路及AD9048的轉換脈沖輸入端。
3　軟件設計
　　系統(tǒng)的軟件由三大部分組成：數(shù)據(jù)采集軟件、通訊軟件、故障定位計算軟件。
　　系統(tǒng)工作的大致程序如下：由GPS時鐘使安裝在輸電線路兩側的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時鐘同步，以確保兩側裝置在數(shù)據(jù)采集時的同步。當輸電線路正常運行時，兩側的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都會采集各自的線路電流、電壓數(shù)據(jù)；一旦輸電線路故障時，兩側均啟動記錄并保存故障前和故障后的電流、電壓數(shù)據(jù)。當故障切除后，兩側裝置通過調(diào)制解調(diào)器（MODEM）借用電話線或網(wǎng)絡交換兩側的電流、電壓信號。定位計算軟件得到故障點的位置。圖3是本系統(tǒng)的軟件總體框圖。
　　圖3中的*上面是程序的入口。程序入口的**個模塊是初始化。經(jīng)過初始化后，是整點對時模塊，在整點時PC機內(nèi)的時鐘將按GPS時鐘進行校準。對時后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將開始工作。模數(shù)轉換器將各模擬量的采樣值轉換成數(shù)字量后，進行自檢。如果電力系統(tǒng)在正常運行，啟動元件不啟動，主程序將一直在上述程序中循環(huán)。
　　如果電力系統(tǒng)中有故障，啟動元件會啟動。主程序將跳轉到故障處理部分。在故障處理時，數(shù)據(jù)采集部分仍然會正常工作，但不再進行對時和自檢。這個時候，裝置將不斷對斷路器輔助觸點和保護動作信號等外部開關量進行監(jiān)視。如果外部開關量顯示故障已切除，主程序將跳轉到故障定位部分。首先，裝置將保存本側的電流、電壓值；然后，再通過MODEM經(jīng)由電話線與其他側交換數(shù)據(jù)；*后，進行故障相判斷，再得到故障定位結果。
    對裝置起動元件的一個基本要**靈敏度高，選擇性好。根據(jù)采樣的電氣量和工控機的特點，裝置采用相電流起動、負序電流起動、零序電流起動按或門邏輯輸出起動。
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　　在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集軟件的功能是：使兩側的時鐘同步，進行高速模數(shù)（A／D）采集的初始化及運行控制和保存雙端的電流、電壓信號。通訊軟件的功能是：實現(xiàn)單片機和微型計算機之間的通訊，將采集的數(shù)據(jù)傳送給微型計算機；并且實現(xiàn)輸電線路兩端裝置的通訊，交換輸電線路兩側所采集的電流、電壓信號。故障定位計算軟件的功能是：利用小波算法對采集的故障電流和電壓進行處理，消除各次諧波和其他干擾分量，尋找故障點。進行故障相的判別，選出故障相別，將記錄數(shù)據(jù)以圖形的形式顯示出來。
4　結論
　　此高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采樣速率高、運行方式靈活、同步時鐘精度高和符合ISA總線標準等特點。以DS80C320單片機為核心，采用GPS同步時間，配合適當?shù)耐鈬O備和合理的總線控制技術實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。同時兼有數(shù)字存儲示波功能和數(shù)據(jù)分析能力，可以廣泛用于電力測量、電力系統(tǒng)故障定位和繼電保護領域。氧化鋅避雷器測試儀核相儀
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