劉思宇

摘 要：本文設計了一種以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)。詳細論述了信號調(diào)理，GPS同步時鐘產(chǎn)生，數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)及設計思想。經(jīng)實踐證明，該系統(tǒng)具有采集精度高、數(shù)據(jù)采集速度快、數(shù)據(jù)存儲量大、實時性好等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：同步采集；配電終端；MK61

隨著我國電網(wǎng)綜合自動化的不斷發(fā)展，對電網(wǎng)自動化監(jiān)測系統(tǒng)的要求不再滿足于功能實現(xiàn)，還要求保證遠動數(shù)據(jù)的實時性、可靠性、正確性。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)采樣精度低、轉(zhuǎn)換速率慢、采集量有限、實時性差，其性能遠不能滿足不斷發(fā)展的自動化技術(shù)對電網(wǎng)監(jiān)測的新要求。

本系統(tǒng)的主核心處理器為Freescale MK61，ARM-M4系列，含有浮點運算核（FPU），相當于高精度的DSP。MK61功耗低、內(nèi)置資源豐富。本系統(tǒng)主要設計了以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精度高達16位，轉(zhuǎn)換時間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采集板、MK61主控制板和GPS時鐘同步模塊放置在一個機箱中構(gòu)成自動化交流同步采集終端。每塊主控制板可外擴多塊交流采集板，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時鐘、數(shù)據(jù)存儲、復位監(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；同時備有485備份通道。GPS同步時鐘單元為多個ADC芯片提供同步轉(zhuǎn)換時鐘，保證各板卡之間多路交流量同步采集；同時為通信網(wǎng)絡提供同步信號，減少通信延時對數(shù)據(jù)分析的影響。

1.1 交流信號采集單元

為了將輸電線高壓大電流變換為系統(tǒng)可處理信號，交流信號采集板使用電壓互感器（PT）和電流互感器（CT），對輸電線進行隔離采樣。將輸電線一次互感器提供100V和5A標準交流電信號，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輸出帶負載能力。

1.2 GPS時鐘同步單元

GPS模塊使用外圍天線接收衛(wèi)星信號，利用GPS秒脈沖做為基準同步。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。

1.3 信號處理單元

先進的電力監(jiān)控系統(tǒng)需要大約90dB的較寬動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的多通道同時采樣。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標準規(guī)定的0.2級精度，并滿足EN50160標準規(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互感器二次回路中的電流和電壓信號進行采樣，經(jīng)過ADC處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再對數(shù)字量進行計算，從而獲得電壓、電流，再計算電量等值。

2.1 采樣控制

交流信號采樣是在GPS同步信號與MK61中斷機制配合完成的。根據(jù)每周波采樣點數(shù)確定采樣間隔Ts，將Ts設置到GPS模塊中，GPS模塊定時發(fā)出控制脈沖，啟動MX11046進行采樣，MK61進行數(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對采樣數(shù)據(jù)進行濾波處理，然后采用一定的算法對采樣數(shù)據(jù)進行分析，計算電量的有效值等。在計算的同時，MAX11046繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，保證實時采樣。

⑴數(shù)字濾波。利用數(shù)學算法對原始數(shù)據(jù)進行處理，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行加權(quán)，得到濾波有效值，使得輸出對輸入有反饋。

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。進行數(shù)字濾波處理后，利用交流采樣算法計算出有效值。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。計算精度與速度總是相互矛盾，算法的實質(zhì)就是在精度與速度之間進行權(quán)衡。本文使用傅里葉算法 ，計算速度快，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)設計。MK61片內(nèi)外資源豐富，內(nèi)嵌FTU核，MAX11046輸入通道多、轉(zhuǎn)換時間快、精度高等優(yōu)點。本系統(tǒng)設計實踐證明，可以完成8～32路同步采樣，電壓、電流精度達到0.2級，其它電量計算可達到0.5級。此系統(tǒng)適合配網(wǎng)多路同步采集計算應用，現(xiàn)場適用性很強。

[參考文獻]

[1]K60 Sub-Family Reference Manual Freescale Semiconductor， Inc.

[2]周志宇，李裕能.基于DSP的同步交流采樣技術(shù).電力自動化設備期刊，2006，26（5）.

[3]黃純，何怡剛.交流采樣同步方法的分析與改進.中國電機工程學報，2004.1.8.