【文章內(nèi)容簡介】 式標準進行設(shè)計。 2) 功能多樣化 除了計量電量的基本功能外，又增加了最大需量、脈沖輸出的功能。一些先進的多功能電力參數(shù)測試儀增加了固定漢字顯示、紅外線抄表接口、智能接口等功能，還可以同時計量有功電能、無功電能，記錄失壓，監(jiān)測負荷等，做到一表多用。 3) 功耗減小 由于采用低功耗元件，以及具有電源管理模塊的芯片，使芯片本身以及整個系統(tǒng)的功耗大大降低。 某些多功能 測試儀的視在功率能做到 2VA 以下，停電維持時電流能做到 lmA 以下。后備電源的供給采用高效鋰 電池。 4) 可視化人機接口 使用高效發(fā)光二極管和低功耗液晶顯示器已成為電力參數(shù)測試儀的發(fā)展趨勢。這兩種顯示器可寧波大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 顯示的內(nèi)容更多，逐步取代了傳統(tǒng)的繼電器、步進電機和機械數(shù)碼輪顯示方式 [3]。 本課題的背景和意義 電自從其誕生初，就開始改變著我們的生活。時至今日，電作為一種最重要的能源跟我們的工作、生活緊密地聯(lián)系著，可以這么說，如果沒有了電，人類社會就不能正常地運轉(zhuǎn)，整個社會就會混亂。電作為這么重要的能源，如何來計量它就具有了重 要的意義。 單相交流電之電力運行參數(shù)測量裝置擁有電度表（電能表）的功能，可 以顯示當前電流、電壓值，測量并顯示功率因數(shù)、有功功率、無功功率、 視在功率 及 系統(tǒng)消耗的電能 。 在傳統(tǒng)的電力參數(shù)測量系統(tǒng)中，多采用 805 80C196 等普通單片機作為微控制器。由于其指令周期長、在高速采樣和實時性方面受到一定的限制。隨著微電子技術(shù)的不斷進步， C8051F020 單片機技術(shù)體現(xiàn)了單片機集多種器件 (包括看門狗 ， FLASH 程序存儲器 ， 同 、 異步串行口 ， A/D 轉(zhuǎn)換器 ， 定時器，計數(shù)器等 )和多種功能 (增強可靠性的復 位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的 休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器、計數(shù)器 )于一身，從“片自為戰(zhàn)” 向片上系統(tǒng)過渡的發(fā)展方向 。 本文將詳細介紹高速微控制器 C8051F020 在電力參數(shù)測量系統(tǒng)中的應用和實現(xiàn) [4]。 本論文的主要工作 論文的主要內(nèi)容如下：完成裝置的設(shè)計和各部分功能軟硬件調(diào)試，在論文中以原理圖、流程圖、程序等形式詳細介紹了裝置電壓電流采樣、數(shù)據(jù)采集計算、鍵盤顯示處理單元的功能實現(xiàn)過程，并總結(jié)了每個單元調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，使 C8051F020 單片機的諸多特點得到更好的應用，通過實際調(diào)試總 結(jié)了裝置中誤差存在的硬件和軟件原因，并提出了減小誤差的方案。 2 方案論證與選擇 交流 采樣方法 選擇 交流采樣法，即直接對連續(xù)的模擬信號進行等間隔采樣，再用特定的數(shù)值算法進行處理。 但由于存在柵欄效應和頻譜泄漏，采樣前常需要采取同步措施校準。根據(jù)校準措施不同，交流采樣法可分為同步采樣法和準同步采樣法 [5]。 交流采樣法 1) 同步采樣法 同步采樣法是指采樣時間間隔 Ts、被測交流信號周期 T0 和一個周期采樣點數(shù) N 之間滿足關(guān)系式 STNT ??0 。但實際采樣中 STN? 不一定是一個整周期，故同步采樣法需要保證 采樣截斷區(qū)間等于被測連續(xù)信號整周期的整數(shù)倍 。同步采樣法的實現(xiàn)方法有兩種：硬件同步采樣法和軟件同步采樣法。軟件同步采樣法一般實現(xiàn)方法是：首先測出被測信號的周期 T，用該周期除以一周期內(nèi)采樣點數(shù) N，得到采樣間隔，進而確定定時器的計數(shù)值，利用定時中斷方式實現(xiàn)同步采樣。硬件同步采樣法是：由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。硬件同步采樣一般是利用鎖相頻率跟蹤原理實現(xiàn)同步等間隔采樣的，電路如圖 21 所示： fo fo /N fi PD LP V C O N 分頻器 圖 21 倍頻鎖相同步電路 在相位比較器 PD、低通濾波器 LP、壓控振蕩器 VCO 構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入 N 分頻器，輸入被測信號的頻率 fi，作為鎖相環(huán)的基準頻率，輸出 fo 為采樣頻率。 fo 經(jīng) N 分頻后與 fi 相比較，根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，鎖定時 ifNf ?/0 ，即 iNff ?0 。由于鎖相環(huán)的實時跟蹤性，當被測信號頻率 fi變化時，電路能自動快速跟蹤并鎖定，始終滿足 iNff ?0 的關(guān)系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(shù) N 倍，從而實現(xiàn)一周期內(nèi)等間隔采樣 N 點。 2) 準同步采樣法 實際采樣測量中，采樣周期經(jīng)常不能與被測信號周期實現(xiàn)嚴格同步，即 N 次采樣不是落在 2π寧波大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 區(qū)間上，而是落在 2π +Δ 區(qū)間上（ Δ 稱為同步偏差或周期偏差），產(chǎn)生了同步誤差。為解決該項誤差，在八十年代初，清華大學戴先中教授提出了準同步采樣法 [6]，即在 |Δ |不太大的情況下，當滿足N(2π +Δ )M/2π（ M 為最高諧波次數(shù)）時，通過增加采樣數(shù)據(jù)量和增加迭代次數(shù)來提高測量準確度。它不要求采樣周期與信號周期嚴格同步，不要求同步環(huán)節(jié)，對第一次采樣的起點無任何要求。準同步采樣降低 了對信號頻率、采樣時間間隔和振蕩器頻率的要求，因此可以用要求低的振蕩器代替同步采樣中要求高的同步環(huán)節(jié)，使測量裝置簡單，簡化電路。 準同步采樣采樣周期不要求與信號周期同步，不需要同步環(huán)節(jié)，但它需要通過增加采樣周期和每周期的采樣點數(shù)并采用迭代運算的方法來消除同步誤差，所需數(shù)據(jù)較多，計算量較大，運算時間長，不適合多回路、多參量、實時性要求高的交流測量系統(tǒng)，而且受短暫突發(fā)性干擾的影響可能性比同步采樣法大。 同步采樣可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件實現(xiàn)。用軟件實現(xiàn)可以省掉硬件同步環(huán)節(jié)，簡化裝置結(jié)構(gòu)，降低成本 ，所以本系統(tǒng)采 樣軟件同步采樣方法 。然而目前常規(guī)的軟件同步實現(xiàn)方法中，存在的同步誤差限制了軟件同步采樣系統(tǒng)測量精度的進一步提高，使它不能滿足諸如電能計量、電壓電流高次諧波分析等高精度測量場合的需要。因此，有必要對目前的軟件同步實現(xiàn)方法產(chǎn)生同步誤差的原因進行分析，并找到抑制誤差的措施 [7]。 軟件同步采樣 及同步誤差分析 對周期為 T 的被測信號在一個周期內(nèi)于 0t 、 1t 、?、 it 、?、 1?Nt 時刻采樣 N 個點，令 00?t ，如果有： 0????? TTNT S (21) 1,1,0 0?? ????? Ni Titt Sii ?? (22) 同時成立，則稱采樣為理想同步采樣， Ts 為采樣周期。這時第 i 次采樣點的采樣時刻 NTiti /?? (23) 然而同步總是相對的，絕對同步只是理想的情況。在實際同步采樣系統(tǒng)中，要嚴格滿足式 (23)是很困難的。為此，定義同步采樣時間誤差 i? 來表示第 i 次采樣點的實際采樣時刻與其理想同步采樣時刻的偏差： NTiti /i ???? (24) 目前，利用采樣值進行工頻電參量測量的理論和方法大多建立在理想同步采樣基礎(chǔ)上的。當存在同步采樣時間誤差時，測量精度必定會受到影響。 軟件同步采樣時間誤差的產(chǎn)生與軟件同步的實現(xiàn)方法密切相關(guān)。目前．軟件同步的一般實現(xiàn)方 法是：首先測取被硝電信號的周期 T，然后計算采樣周期并確定定時器的計數(shù)值，用定時中斷方式實現(xiàn)同步采樣。由于定時器的計數(shù)周期受定時器最大計數(shù)頻率的限制不可能 無限小，而微機的采樣周期 TS必須以定時器計數(shù)周期的倍數(shù)來表示，從而微機實際采樣周期 TS 與理想計算值 NT/ 之間會出現(xiàn)誤差，這一由量化原因引起的誤差 ， 使式 (21)得不到滿足。一些文獻稱 Δ T 為周期誤差。這時同步采樣時間誤差： NTiNTiTi S //i ???????? (25) 可見在存在周期誤差時，同步采樣時問誤差 i? 值 隨 i 增大而增大。在高精度測量場合 ， i 通常須取得比較大，這時同步誤差可能達到一個比較大的值。 同步采樣時 間誤差的另一產(chǎn)生原因是，在軟件采樣時， CPU 對定時中斷的響應時間有一定的隨機性，從而即使 Δ T=0，式 (22)也得不到完全滿足。 CPU 的中斷響應時間與定時器發(fā)出中斷請求信號時刻 CPU 是否在執(zhí)行其它中斷服務程序；正在執(zhí)行的當前指令是否允許 CPU 立即響應中斷；當前執(zhí)行指令的指令周期長短及當前指令已經(jīng)執(zhí)行到哪一個機器周期等因素有關(guān)。一般來說，應保證定時中斷采樣時對其它中斷源的中斷不予響應。在這一前提下，經(jīng)過合理安排 ，微機中斷響應的最長時間和最短時間的差值通常可限制幾個微秒內(nèi)，Δ ti 一般 只會有幾個微秒。若不存在周期 誤差Δ T，則 ii t??? ，這一原因引起的同步采樣時間誤差較小。 可見在軟件同步測量系統(tǒng)中，周期誤差是影響測量精度的主要原因?？赏ㄟ^一種軟件同步實現(xiàn)方法減小誤差，它通過在采樣過程中修改定時器的計數(shù)值，動態(tài)確定采樣周期來減小周期誤差。該方法不須對測量數(shù)學模型進行任何修改 [8]。 改進的軟件同步實現(xiàn)方法 設(shè)定時器的計數(shù)周期為 T0，則與采樣周期 Ts 對 應的定時器計數(shù)值為 ? ?0/ TNT ? ，它一般不為整數(shù)，對它截掉小數(shù)取整，得正整數(shù) H，截掉的小數(shù)部分為 L。以 H 為定時器的計數(shù)值，則會產(chǎn)生0TLNT ???? 的周期誤差 （ 若以 H+1 作為計數(shù)值，則 00 TLNTNT ?????? ） 顯然， T? 是由采樣周期 Ts 的實際值與理想計算值之間的偏差引起的。在采樣過程中，偏差隨 i 值增大而不斷增大，使采樣點偏離同步采樣點的程度不斷加劇。要減小周期誤差，必須消除偏差 L 的累積效應。 為此，須對在采樣過程中定時器計數(shù)值取常數(shù)的常規(guī)作法進行改進， 偏差累積增量法 就是這樣一種算法。 設(shè)置一單元 SUM 對偏差 L 進行累加， 對于第 0 次采樣， SUM 的初值為 0。第 i 次采樣時， SUM 的值為第 i1 次采樣時的 SUM 值與 L 的和。在每次采樣前考察 SUM 的值，若 SUM1，則這次采樣的定時器 計數(shù)值取 H；若 SUM1，則計數(shù)值取 H+1，并對 SUM 減 1。繼續(xù)上述過程直至一個工頻周期的采樣完成。這種作法可使偏差 L 不產(chǎn)生累積，從而保證在一個工頻周期內(nèi) L 引起寧波大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 的周期誤差 0TT?? 。 采用這種方法，可能會使某些次采樣時的 |Δ ti|值 增大一個 0T ， 但由于一般很小，由相對周期誤差引 起的測量誤差亦很小 [9][10]。 電力參數(shù) 交流采樣 算法 電力參數(shù)的準確、快速測量對于實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。電網(wǎng)頻率并不是固定不變的，而是在 50Hz 附近波動。傳統(tǒng)的直流采樣算法不能及時反映被測量的突變，精度與穩(wěn)定度受變送器的影響很大，己逐漸不能滿足系統(tǒng)的需要。隨著人們對測量精度、性能的要求越來越高，在目前應用于電力系統(tǒng)的各種測量控制儀表中，交流采樣就越來越受人們的青睞。交流采樣是按照一定的規(guī)律對被測物理量的瞬時值進行采樣，用一定的算法計算出被測物理量的有效值。目前國內(nèi) 外已經(jīng)提出和實現(xiàn)了許多交流采樣的算法。由于采用的具體原理不同，在硬件軟件的配置上也不一樣，以致系統(tǒng)的精度和造價也不一樣。在應用中應根據(jù)實際情況選擇最適宜的交流采樣算法 [11][12]。 最大值法 即通過采集每周波的最大值求有效值： 2mrms UU ? (26) 此方法適宜輸入信號為純正弦周期信號情況， 多次采集求平均 值 可減小誤差 [11]。 半周期積分法 半周期積分法的依據(jù)是一個正弦量在任意半個周期內(nèi)絕對值的積分為一常數(shù) S，積分值和積分的起始角α無關(guān)。 ? ? ???? /22s i n2s i n2 2/02/0 r m sr m sr m s Ut d tUdttUS ???? ?? ?? （ 27） 式 （ 27） 可以用梯形法近似求出： sNk Nk TuuuS ?????? ??? ???12/1 2/0 2121 （ 28） 式（ 28）中 ku — 第 k 次采樣值； N — 一周期的采樣點數(shù)； 0u — k=0 時的采樣值； 2/Nu — k=N/2 時的采樣值。 只要采樣頻率足夠高，用梯形法近似積分的誤差可以做到很小。求出積分值 S 后，應用式 (27)可以求得 有效值： 22/?SU rms ? (29) 半周期積分法有一定的濾除高頻分量的能力，因為疊加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量在算法中其對稱的正負半周互相抵消，剩余的未被抵消的部分所占的比重就相應減少了，但是該算法不能抑制直流分量。此算法運算量小，可以用非常簡單的硬件實現(xiàn)。 在要求不高的場合可以采用這一算法 [1]。 數(shù)值積分算法 在非正弦波情況下，相電壓、相電流的有效值定義為： ?? Trms dtuTU 0 21 (210) ?? Trms dtiTI 0 21 (211) 在對電流電壓采樣時，每個周期采樣 N 點，采樣間隔為Δ T，得到離散化采樣序列 { ku }、 {ki }，則有： ??? ??1021 Nk kkrm s TuTU (212) ??? ??1021 Nk kkrms TiTI (213) 若采樣間隔Δ Tk 恒定為Δ T，則 N=T/Δ T。電流和電壓有效值公式為： ???? 1021 Nk krmsuNU (214) ???? 1021 Nk krmsiNI (215) 其他的電力