基于80C196的頻率測量及在電壓采樣中的應用

頻率和電壓是電力系統中的兩個重要電氣量。提出了一種基于80C196單片機HSI的頻率測量方法，并依據測量的頻率來改變電壓的采樣時間間隔，實現頻率跟蹤功能。該方法頻率測量精度高，實行頻率跟蹤采樣，提高了電壓計算精度。
??? 關鍵詞：電力系統，80C196，頻率測量，頻率跟蹤，電壓計算

1　引　言
　　在電力系統中，電壓和頻率是反應電力系統電能質量的兩個重要參數。同時，在繼電保護行業，電壓和頻率也是繼電保護、測控、同期合閘等裝置進行相應動作的重要判據。
　　電力系統中，一般為了節省測頻回路，頻率的測量傳統上都是利用電壓的采樣瞬時值來計算頻率〔2〕〔3〕，這種方法由于采樣精度和諧波的原因，雖然采用了各種補償措施，實際測量精度仍然不能滿足像自動準同期等以頻率或頻差作為動作判據的裝置的要求。電壓的計算，傳統上一般采用傅立葉算法。傅立葉算法有著把基波及各次諧波分量分離的優點，可以得到各分量的大小，從而得到了廣泛的應用。但是這種算法中相關系數固定，當被測信號頻率變化時，會帶來較大的測量誤差。對于這種情況，有采用鎖相倍頻采樣觸發電路〔4〕〔5〕的方法，來保證每一信號周期內獲取相同的采樣點數，提高計算精度，但同時，這種專門的鎖相倍頻采樣觸發電路增加了設計成本和調試難度。
　　本文提出了一種利用80C196的HIS（High SpeedInput，高速輸入）對信號進行頻率測量的方法，測量精度高，通過測得的頻率相應地改變電壓采樣頻率，實現頻率跟蹤，很好地提高電壓計算精度。這種方法既簡化了電路設計，又在得到高精度頻率測量的同時提高了電壓計算精度。
2　硬件設計
2．1　硬件構成
?? 電力系統中，三相電壓頻率是一樣的，任選其中一相作為頻率測量的信號。硬件結構如圖1所示。

　　測頻信號需要實行濾波和整形電路。濾波是為了濾除諧波和紋波，為整形提供較好的檢測信號。整形電路將濾波后的正弦信號轉換為方波信號。電壓測量不需要濾波，以便保留更多的波形信息。
2．2　濾波整形電路
　　因為測量頻率只需要周期信號，而無需相位信息，所以，整形電路無須過零檢測，考慮到這一點，整形電路實現就比較方便。實際設計中，為了簡化電路，濾波電路與整形電路功能采用一片集成芯片MC1489來完成。MC1489是單片集成四路電平轉換器，其中每一路都可實現整形功能，外加電容起到濾波的作用。電路如圖2所示。
3　軟件實現
3．1　測頻原理及誤差分析 　　用HSI事件實現測頻，實際上是測量周期的方法，對于80C196單片機來說，即，在觸發的時間內，每8個晶振周期對信號周期的計數。當晶體振蕩頻率為20 MHz時，內部晶振周期為0．1μs（因為內部經過了2分頻），每0．8μs計數一次。從這可以看出，測量絕對最大誤差為信號前后邊界共1．6μs，對于周期為20 ms的50 Hz的信號，最大誤差折算到頻率約為0．004 Hz，所以，頻率測量精度可達到0．01 Hz。當晶體振蕩頻率越高或被測信號周期越長時，相對誤差就越小。
3．2　頻率測量的實現思路
　　HSI事件可以采用中斷方式和查詢方式讀取，因為測頻的同時要改變采樣中斷間隔，在采樣中斷中以查詢方式實現更為方便簡潔。
　　查詢方式下，HSI事件主要依靠配置或讀取寄存器IOC0、HSI　MODE、IOS1、HSI　STATUS以及HSI　TIME的內容來實現。IOC0用于事件引腳選擇。由HSI引腳輸入的外部事件有四種觸發方式，分別為負跳變觸發、正跳變觸發、正負跳變觸發、每8個正跳變觸發，各觸發方式通過HSI　MODE來設置。IOS1記錄了有HSI部件保存寄存器數據是否有效的信息。HSI　STATUS存放每個輸入引腳的兩種信息，一是說明該引腳是否有事件發生，二是記錄當前該引腳電平狀態。HSI　TIME存放的是保持寄存器所存事件的時間值〔1〕。
　　假定HSI只用到HSI．0。初始化時，設置IOC0為01H，選擇HSI．0為事件輸入引腳。設定HSI　MODE寄存器為01H，即，每個正跳變為一個事件的觸發方式。在采樣中斷中讀取時間值，先查詢IOS1．7，若該位為1，則表明保持寄存器已加載，可對HSI的事件予以讀取。讀取HSI　STATUS和HSI　TIME兩個寄存器，進行處理。
3．3　頻率的計算及采樣跟蹤
　　此處為了闡述明了起見，給出頻率測量及頻率跟蹤程序源代碼，該程序增加了防止測頻回路出錯而導致采樣錯誤的功能。



??? 其中，t—freq、tcy、tcy+2、ltcy、iosl—map、freq—err、freq為定義的80C196的通用寄存器，SH—Point,Tcy—Normal為規定的常數，分別為一周內采樣點數和50Hz時HSI正常計數值。t—freq為頻率測量計數，代表著在觸發時間內HIS的實際計數值。應用中可以依據不同的測量精度要求，以不同的數值除以該計數，以獲得頻率的數值。對于50 Hz的信號，在一個周期內計數理論上為25 000，以125 000000（Constant　freqhl）除以該值，即可得到測量精度為0．01Hz的頻率測量的定點運算值freq（如上面的程序所示）。
4　跟蹤能力分析
　　從上面的頻率跟蹤實現過程來看，當信號頻率穩定在某一頻率時，只要經過信號的一個周期時間，HSI就產生數據有效事件，采樣頻率就能跟蹤上信號頻率，從而提高電壓計算精度。
　　對于以一定的滑差變化頻率的信號，這里存在采樣跟蹤的實時性問題。從試驗可以知道，在不實行頻率跟蹤的情況下，當信號頻率與50 Hz基準頻率的偏差小于0．5 Hz時，電壓計算精度依然較高，能夠滿足各裝置的行為需要。為增加計算冗余，可以以0．3 Hz為限。因為本算法頻率跟蹤為信號一周就跟蹤一次，對于電力系統，即，約20 ms跟蹤一次，所以，只要滑差小于0．3Hz／20ms＝15Hz／s時，電壓采樣就能跟蹤信號頻率而不影響計算精度。而實際上，在電力系統中15Hz／s的頻率滑差根本是不存在的。所以，本算法是切實可行的。
5　實施頻率跟蹤對電壓計算的影響及結論
　　作者采用80C196、12位A／D的單片機系統，編程實現了對50 Hz、100 V的電壓信號進行每周12點采樣計算的模擬試驗，當信號頻率與50 Hz偏差較大時，采用采樣頻率跟蹤信號頻率比不采用該方法時的電壓計算具有更高的精度。通過觀察實時顯示數據，頻率在55 Hz時兩者計算比較示意圖如圖3所示。
　　另外，對于頻率以一定的滑差連續變化的信號，因為采樣頻率有實時跟蹤功能，電壓計算依然有著較高的精度。
　　本文提出的這種頻率測量方法，軟硬件實現簡單，測量精度高。采樣頻率跟蹤信號頻率，使得采樣值更好地適合傅立葉算法，從而提高了電壓計算精度。適合于電力系統中各繼電保護裝置中高精度的頻率和電壓測量。　 1　汪　建，孫開放，章述漢．MCS－96系列單片機原理及應用技術．武漢：華中理工大學出版社，1999
2　索南加樂，葛耀中，王定安，等．一種不受電壓過零點影響的新型頻率測量方法．電力系統及其自動化學報，1996，8（4）：19～21
3　李瑞生．一種基于數字化采樣計算電力系統頻率的方法．繼電器，1997，25（1）：26～28
4　杜廣宇，陳小橋，萬中田．鎖相倍頻和準同步采樣法在諧波測量中的應用．武漢大學學報（工學版），2001，34（5）：39～44
5　陳振暉，蔡燦勇，晏　凱，等．鎖相環倍頻器軟件實現及在電力諧波參數檢測系統中應用．電子測量技術，2001（4）