輸電線路行波故障定位中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘 要：為了用單片機實現(xiàn)對變化速度極快、變化過程極短的高速瞬態(tài)行波信號進行采樣，研究了一種以DS80C320單片機為控制器。結(jié)合適當(dāng)?shù)耐鈬娐泛秃侠淼目刂七壿嫎?gòu)成的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。闡述了快速尋址的方法、高速A／D轉(zhuǎn)換與快速存儲操作的協(xié)調(diào)控制關(guān)系和PC機總線接口技術(shù)，此系統(tǒng)符合ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，可廣泛用于電力系統(tǒng)暫態(tài)行波的測量。

1　前言
　　對電力系統(tǒng)高壓輸電線路進行精確的故障定位是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的有效途徑之一。現(xiàn)代行波定位是通過對故障發(fā)生后線路出現(xiàn)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(zhǔn)確時刻，來實現(xiàn)精確的故障定位。輸電線路短路故障發(fā)生后的暫態(tài)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(guān)，幅值與故障發(fā)生的時刻密切相關(guān)，使得行波在傳播過程中易發(fā)生畸變，降低了對行波準(zhǔn)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(tài)行波信號的采集，需要高速A／D轉(zhuǎn)換單元、大量數(shù)據(jù)存儲單元、高速尋址和快速存儲等。
　　為了用單片機實現(xiàn)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(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、高速尋址以及存儲的技術(shù)，保證了高速瞬態(tài)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(guī)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(qū)別所采集信號的真?zhèn)?。通過對8051單片機的外圍進行有效的擴展，采取在數(shù)據(jù)采集時由硬件實現(xiàn)其采集和存儲，采集完畢后由8051單片機進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集板的采樣頻率為20MSPS；A／D轉(zhuǎn)換字長為8位，并且采樣速率可變；存儲容量為512K字節(jié)，符合ISA總線標(biāo)準(zhǔn)等特點?？蓮V泛用于電力測量、繼電保護和故障定位等。
2　硬件系統(tǒng)
　　對高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)而言，最為重要的是系統(tǒng)的分辨率、精度與通過速率，特別是系統(tǒng)通過速率，是區(qū)別高速數(shù)據(jù)采集與一般數(shù)據(jù)采集最為關(guān)鍵的一項技術(shù)指標(biāo)。在硬件的具體實現(xiàn)過程中，則需要考慮兩個方面：（1）A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間。（2）轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲時間［3］。
　　本文根據(jù)需要使用DS80C320單片機，在時鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執(zhí)行時間是110ns，充分發(fā)揮高速A／D轉(zhuǎn)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(tǒng)、視頻閃爍ADC轉(zhuǎn)換器、高速緩存RAM、雙口RAM、地址計數(shù)器、采樣頻率控制、時序控制及譯碼電路等部分組成。

　　CPU1主要用于數(shù)據(jù)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(nèi)部具有判決電路以防止因?qū)δ骋粏卧瑫r操作而產(chǎn)生沖突。第一片雙口RAMIDT7134主要是用于CPU1存放采集的數(shù)據(jù)、同步時間信息及工作狀態(tài)等量，供PC機定時取用，同時也接收來自PC機的命令。第二片雙口RAMIDT7130其容量為2K字節(jié)，主要用于CPU1與CPU2交換GPS的同步時鐘信息。
2．1　高速A／D轉(zhuǎn)換
　　A／D轉(zhuǎn)換采用閃爍ADC器件AD9048，其最大轉(zhuǎn)換速率為35Ms／s，分辨率為8位。AD9048內(nèi)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35 MSPS的高速，并避免了多數(shù)系統(tǒng)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(gòu)成穩(wěn)壓可調(diào)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(shù)據(jù)輸出沒有三態(tài)門控制，故在輸出加以74LS241作為三態(tài)門控制。AD9048是否工作取決于輸入轉(zhuǎn)換脈沖信號，在脈沖信號上升沿取樣。轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換應(yīng)不受CPU控制，每當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換一次之后，由控制電路發(fā)出相應(yīng)的信號，將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入高速緩存RAM某單元中，再使地址計數(shù)器加1，直到地址計數(shù)器記滿后產(chǎn)生采樣結(jié)束信號，控制信號封鎖RAM寫信號，利用二進制地址發(fā)生器的最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(jù)地址位數(shù)由若干同步記數(shù)器級聯(lián)而成，5片74LS163可構(gòu)成19位地址形成電路。計數(shù)器每收到一個脈沖即產(chǎn)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(huán)地址，則在記數(shù)滿后，用進位信號迫使記數(shù)器的同步預(yù)置電平發(fā)生變化，使記數(shù)器恢復(fù)初值，進入新一輪記數(shù)。
2．3　快速存儲
　　單片機與上位PC機間的串口通訊的數(shù)據(jù)傳輸速率往往不能滿足實時性要求，DMA通道的最大數(shù)據(jù)傳輸率也不超過5Mb／s［1］，這顯然無法滿足本系統(tǒng)中高達20Mb／s的采樣速度，為了解決高速數(shù)據(jù)采集與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，在單片機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)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(jié)大小的緩沖區(qū)，單片機只須將經(jīng)過預(yù)處理的采樣值通過一個端口存入緩沖區(qū)，上位PC主機通過另一端口從緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)，這
樣就解決了高速采樣與低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，可滿足實時采集和控制的要求。