劉思宇

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種以Freescale MK61- M4微處理器為核心，高精度MAX11046為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的配電終端交流同步采集系統(tǒng)。詳細(xì)論述了信號(hào)調(diào)理，GPS同步時(shí)鐘產(chǎn)生，數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)思想。經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有采集精度高、數(shù)據(jù)采集速度快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：同步采集；配電終端；MK61

隨著我國電網(wǎng)綜合自動(dòng)化的不斷發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求不再滿足于功能實(shí)現(xiàn)，還要求保證遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可靠性、正確性。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)采樣精度低、轉(zhuǎn)換速率慢、采集量有限、實(shí)時(shí)性差，其性能遠(yuǎn)不能滿足不斷發(fā)展的自動(dòng)化技術(shù)對(duì)電網(wǎng)監(jiān)測(cè)的新要求。

本系統(tǒng)的主核心處理器為Freescale MK61，ARM-M4系列，含有浮點(diǎn)運(yùn)算核（FPU），相當(dāng)于高精度的DSP。MK61功耗低、內(nèi)置資源豐富。本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了以MK61微處理器為核心的交流同步采集系統(tǒng)。交流采集部分由多個(gè)精度高達(dá)16位，轉(zhuǎn)換時(shí)間3uS的MAX11046器件組成，采用全球定系統(tǒng)（GPS）的同步采樣方法實(shí)現(xiàn)多路交流電量的同步采集。

1 系統(tǒng)硬件方案

系統(tǒng)硬件原理包括交流信號(hào)采集板、MK61主控制板和GPS時(shí)鐘同步模塊放置在一個(gè)機(jī)箱中構(gòu)成自動(dòng)化交流同步采集終端。每塊主控制板可外擴(kuò)多塊交流采集板，最多可采集72路交流量。主控制板以MK61微處理器為核心，外圍電路包括電源管理、RTC時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、復(fù)位監(jiān)控電路、CAN總線接口、485總線接口、以太網(wǎng)總線接口等。

交流信號(hào)采集單板與主控制板之間通過CAN總線通信，提高系統(tǒng)可靠性；同時(shí)備有485備份通道。GPS同步時(shí)鐘單元為多個(gè)ADC芯片提供同步轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，保證各板卡之間多路交流量同步采集；同時(shí)為通信網(wǎng)絡(luò)提供同步信號(hào)，減少通信延時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響。

1.1 交流信號(hào)采集單元

為了將輸電線高壓大電流變換為系統(tǒng)可處理信號(hào)，交流信號(hào)采集板使用電壓互感器（PT）和電流互感器（CT），對(duì)輸電線進(jìn)行隔離采樣。將輸電線一次互感器提供100V和5A標(biāo)準(zhǔn)交流電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成MAX11046可接受的量程范圍內(nèi)。

本系統(tǒng)前置調(diào)理電路一般可以通過低通濾波、運(yùn)放、精密電阻調(diào)理后送入MAX11046芯片；也可PT、CT二次側(cè)連接精密電阻后送入MAX11046芯片，其具有極高的輸入阻抗且保證不超過PT、CT輸出帶負(fù)載能力。

1.2 GPS時(shí)鐘同步單元

GPS模塊使用外圍天線接收衛(wèi)星信號(hào)，利用GPS秒脈沖做為基準(zhǔn)同步。本系統(tǒng)采用U-blox公司LEA-6T，該模塊具有靈敏度高，低功耗等特點(diǎn)。

1.3 信號(hào)處理單元

先進(jìn)的電力監(jiān)控系統(tǒng)需要大約90dB的較寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的多通道同時(shí)采樣。通常要求大于16Kbps高的采樣速率。本系統(tǒng)采用的MAX11046是一款16位、8通道、同步采樣SAR ADC，能夠提供優(yōu)于IEC62053標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.2級(jí)精度，并滿足EN50160標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6KV瞬態(tài)電壓要求，芯片采用并行數(shù)據(jù)總線連接。

2 系統(tǒng)軟件方案

交流采樣是按一定頻率對(duì)互感器二次回路中的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)過ADC處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再對(duì)數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算，從而獲得電壓、電流，再計(jì)算電量等值。

2.1 采樣控制

交流信號(hào)采樣是在GPS同步信號(hào)與MK61中斷機(jī)制配合完成的。根據(jù)每周波采樣點(diǎn)數(shù)確定采樣間隔Ts，將Ts設(shè)置到GPS模塊中，GPS模塊定時(shí)發(fā)出控制脈沖，啟動(dòng)MX11046進(jìn)行采樣，MK61進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.2 采樣數(shù)據(jù)處理

MAX11046將采樣的數(shù)據(jù)通過DMA送入內(nèi)存，MK61對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，然后采用一定的算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算電量的有效值等。在計(jì)算的同時(shí)，MAX11046繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，保證實(shí)時(shí)采樣。

⑴數(shù)字濾波。利用數(shù)學(xué)算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去掉原始數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的一致性，這里采用一階低通濾波算法。

一階低通濾波采用本次采樣值與上次濾波輸出值進(jìn)行加權(quán)，得到濾波有效值，使得輸出對(duì)輸入有反饋。

y（n）=a*x（n）+（1-a）*y（n-1） 其中a=濾波系數(shù)，x（n）=本次采樣值，y（n-1）=上次濾波輸出值，y（n）=本次濾波輸出值

⑵交流采樣算法。進(jìn)行數(shù)字濾波處理后，利用交流采樣算法計(jì)算出有效值。交流采樣算法有很多種，正弦模型算法有最大值算法、半周期積分法等；非正弦模型算法有均方根算法、傅里葉算法等。計(jì)算精度與速度總是相互矛盾，算法的實(shí)質(zhì)就是在精度與速度之間進(jìn)行權(quán)衡。本文使用傅里葉算法 ，計(jì)算速度快，滿足一定的精度要求。

3 結(jié)束語

本文討論了Freescale MK61處理器外接MAX11046共同完成同步交流采樣的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。MK61片內(nèi)外資源豐富，內(nèi)嵌FTU核，MAX11046輸入通道多、轉(zhuǎn)換時(shí)間快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，可以完成8～32路同步采樣，電壓、電流精度達(dá)到0.2級(jí)，其它電量計(jì)算可達(dá)到0.5級(jí)。此系統(tǒng)適合配網(wǎng)多路同步采集計(jì)算應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)適用性很強(qiáng)。

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