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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：為了用單片機實現對變化速度極快、變化過程極短的高速瞬態行波信號進行采樣，研究了一種以DS80C320單片機為控制器。結合適當的外圍電路和合理的控制邏輯構成的高速同步數據采集系統。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調控制關系和PC機總線接口技術，此系統符合ISA總線標準，可廣泛用于電力系統暫態行波的測量。
    關鍵詞：高速數據采集；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
　　對電力系統高壓輸電線路進行**的故障定位是保證系統**穩定運行的有效途徑之一。現代行波定位是通過對故障發生后線路出現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**的故障定位。輸電線路短路故障發生后的暫態行波信號，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，幅值與故障發生的時刻密切相關，使得行波在傳播過程中易發生畸變，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行波信號的采集，需要高速A／D轉換單元、大量數據存儲單元、高速尋址和快速存儲等。
　　為了用單片機實現對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、用硬件電路實現高速數據采集、高速尋址以及存儲的技術，保證了高速瞬態信號的實時采集。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，有時無法區別所采集信號的真偽。通過對8051單片機的外圍進行有效的擴展，采取在數據采集時由硬件實現其采集和存儲，采集完畢后由8051單片機進行數據處理和通信，比較好地解決了兩者的矛盾。
　　我們研制的高速數據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，符合ISA總線標準等特點。可廣泛用于電力測量、繼電保護和故障定位等。
2　硬件系統
　　對高速數據采集技術而言，*為重要的是系統的分辨率、精度與通過速率，特別是系統通過速率，是區別高速數據采集與一般數據采集*為關鍵的一項技術指標。在硬件的具體實現過程中，則需要考慮兩個方面：（1）A／D轉換器的轉換時間。（2）轉換后的數據存儲時間［3］。
　　本文根據需要使用DS80C320單片機，在時鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執行時間是110ns，充分發揮高速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、視頻閃爍ADC轉換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計數器、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主要用于數據采集和同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），內部具有判決電路以防止因對某一單元同時操作而產生沖突。**片雙口RAMIDT7134主要是用于CPU1存放采集的數據、同步時間信息及工作狀態等量，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，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，并避免了多數系統對取樣保持電路（S／H）和跟蹤保持電路（T／H）的需要。AD589和AD741，2N3906等構成穩壓可調電路，提供給9048的RB，RT接地。AD9618作為輸入緩沖放大器［4］。由于AD9048的數據輸出沒有三態門控制，故在輸出加以74LS241作為三態門控制。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
　　對于高速數據采集系統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，再使地址計數器加1，直到地址計數器記滿后產生采樣結束信號，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地址位數由若干同步記數器級聯而成，5片74LS163可構成19位地址形成電路。計數器每收到一個脈沖即產生一個地址，地址的初值可通過時序控制電路清零。若采用循環地址，則在記數滿后，用進位信號迫使記數器的同步預置電平發生變化，使記數器恢復初值，進入新一輪記數。
2．3　快速存儲
　　單片機與上位PC機間的串口通訊的數據傳輸速率往往不能滿足實時性要求，DMA通道的*大數據傳輸率也不超過5Mb／s［1］，這顯然無法滿足本系統中高達20Mb／s的采樣速度，為了解決高速數據采集與低速數據傳輸的矛盾，在單片機系統中，數據存儲器選用雙端口RAMIDT7134，在上位PC主機與單片機之間建立了一個4k字節大小的緩沖區，單片機只須將經過預處理的采樣值通過一個端口存入緩沖區，上位PC主機通過另一端口從緩沖區取數據，這
樣就解決了高速采樣與低速數據傳輸的矛盾，可滿足實時采集和控制的要求。
2．4　總線控制
　　單片機系統總線上掛有若干RAM或I／O口，尋址和數據傳輸都是由CPU發出指令通過系統總線實現的。對于高速數據采集，為了提高尋址和數據傳輸速度，避免總線沖突或“交通”堵塞，必須建立局部總線。系統總線與局部總線應該既區別又統一，既隔離又結合，彼此通過合理的控制邏輯聯系起來。　　在內存映射的傳輸方式中，A／D不斷地將轉換的數據寫入高速緩存RAM，CPU根據數據處理的需要從高速緩存RAM讀取數據至雙口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據、地址總線，但它們發生的時間是隨機的，因此對總線的占用必然會產生沖突，總線仲裁電路的功能就是對這三種操作進行協調。這里，通過5片74LS241二選一開關來協調地址計數器與CPU1對高速緩存RAM讀地址的沖突，2片74LS241來協調高速緩存RAM與AD9048和雙口RAM之間的數據傳輸的沖突。
2．5　PC總線接口技術
　　PC系統總線對4kb的雙口RAM尋址是一個難點。本數據采集卡采用的是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、數據線、控制線、輔助與電源線。本數據采集卡只利用了其中一部分引線：8條數據線、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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　　本數據采集卡使用308H、309H、30AH三個口地址實現在板緩存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上的數據鎖存，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上的數據鎖存，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，完成一次數據的讀／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，可以輸出不同頻率，分頻數的值為2～65535。它的輸出是由觸發控制電路控制。其輸出時鐘分別送往地址計數器、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
　　系統的軟件由三大部分組成：數據采集軟件、通訊軟件、故障定位計算軟件。
　　系統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據采集系統的時鐘同步，以確保兩側裝置在數據采集時的同步。當輸電線路正常運行時，兩側的高速同步數據采集系統都會采集各自的線路電流、電壓數據；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、電壓數據。當故障切除后，兩側裝置通過調制解調器（MODEM）借用電話線或網絡交換兩側的電流、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。經過初始化后，是整點對時模塊，在整點時PC機內的時鐘將按GPS時鐘進行校準。對時后，數據采集系統將開始工作。模數轉換器將各模擬量的采樣值轉換成數字量后，進行自檢。如果電力系統在正常運行，啟動元件不啟動，主程序將一直在上述程序中循環。
　　如果電力系統中有故障，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，數據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經由電話線與其他側交換數據；*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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　　在系統中，數據采集軟件的功能是：使兩側的時鐘同步，進行高速模數（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：實現單片機和微型計算機之間的通訊，將采集的數據傳送給微型計算機；并且實現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，將記錄數據以圖形的形式顯示出來。
4　結論
　　此高速同步數據采集系統具有采樣速率高、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，配合適當的外圍設備和合理的總線控制技術實現高速數據采集。同時兼有數字存儲示波功能和數據分析能力，可以廣泛用于電力測量、電力系統故障定位和繼電保護領域。氧化鋅避雷器測試儀核相儀