MAX115在電網數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用
關鍵詞：電網；A/D轉換器；跟蹤／保持；同步采樣；單片機
電力調度控制系統(tǒng)包括遙測、遙信、遙調、遙控四部分，數(shù)據(jù)采集屬于遙測部分。電力調度控制系統(tǒng)一般在現(xiàn)場采集四路電信號進行轉換處理。整個系統(tǒng)啟動后需要進行一系列的加、減、乘、除、平方、開方運算，這不僅要求ＣＰＵ的處理速度要快，而且對Ａ／Ｄ轉換的速度也提出了一定的要求。因此，有必要尋找一種轉換速度快、精度高、容易控制的轉換器來完成系統(tǒng)的模／數(shù)轉換。ＭＡＸ１１５是面向１６位和３２位微處理器設計的８通道逐次逼近型Ａ／Ｄ轉換器?相對于其它多通道Ａ／Ｄ轉換器來說?ＭＡＸ１１５的優(yōu)點在于可以實現(xiàn)真正的多通道同步采樣，因此可以很好地應用在分布式ＲＴＵ系統(tǒng)中。
ＭＡＸ１１５內部含有四個同步采樣／保持放大器和四個二選一電路?具有８個單獨的輸入??每個通道的轉換速度為２μｓ，采樣速率為３９０ｋｓｐｓ（單通道）、２１８ｋｓｐｓ（雙通道）、１５２ｋｓｐｓ（３通道）、１５２ｋｓｐｓ（４通道）輸入模擬電壓為：±５Ｖ，各通道均有過壓保護功能（±１７Ｖ），同時片內含有２．５Ｖ參考電壓和可編程時序發(fā)生器，此外， ＭＡＸ１１５還帶有高速并行ＤＳＰ接口，器件內部可提供１０ＭＨｚ時鐘。
１ ＭＡＸ１１５的工作原理
ＭＡＸ１１５內部含有一個逐次逼近型Ａ／Ｄ轉換器和四個采樣／保持放大器?每個采樣／保持放大器均與一個二選一開關相連。因此，ＭＡＸ１１５共有８個輸入通道，通過對內部時序發(fā)生器的編程可以使用Ａ、 Ｂ兩組采樣／保持放大器中的一組對一路到四路輸入進行同步監(jiān)視，其結果存儲在片內ＲＡＭ里。
２ ＭＡＸ１１５的基本操作
２．１ 通道選擇
ＭＡＸ１１５的輸入數(shù)據(jù)線Ａ０～Ａ３的高兩位與輸出數(shù)據(jù)線Ｄ０～Ｄ１１的低兩位通過三態(tài)門復用，向Ａ０～Ａ３寫入數(shù)據(jù)可控制８個通道的選通。ＭＡＸ１１５共有８種轉換模式及一個節(jié)電模式。系統(tǒng)上電后，默認ＣＨ１Ａ為轉換通道，也可以通過向Ａ０～Ａ３寫控制字來選通轉換通道。芯片的通道選擇如表１所列。
表1 MAX115的通道選擇方式
| A3 | A2 | A1 | A0 | 轉換時間（s） | 工作方式 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | CH1A通道工作 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 4 | CH1A CH2A雙通道工作 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 6 | CH1A CH2A CH3A 三通道工作 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 8 | CH1A CH2A CH3A CH4A 四通道工作 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 2 | CH1B通道工作 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 4 | CH1B CH2B雙通道工作 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 6 | CH1B CH2B CH3B三通道工作 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 8 | CH1B CH2B CH3B CH4B四通道工作 |
| 1 | 任意 | 任意 | 任意 | - | 掉電狀態(tài) |
向ＭＡＸ１１５輸入轉換指令時，應將ＣＳ拉低并對Ａ０～Ａ３數(shù)據(jù)線編程。然后再給ＷＲ一個低脈沖，編程指令在ＷＲ或ＣＳ的上升沿被鎖存。這時模數(shù)轉換器做好了轉換的準備。一旦轉換程序開始執(zhí)行，模數(shù)轉換器將在指定方式下連續(xù)執(zhí)行轉換，直到重新編程或斷電為止。
２．２ 模數(shù)轉換的啟動
選擇了轉換通道后，再給ＣＯＮＶＳＴ一個低電壓，芯片將啟動Ａ／Ｄ轉換過程。此后，模擬輸入將在ＣＯＮＶＳＴ上升沿被采樣，此時由于采樣／保持放大器被置成保持模式，附加的ＣＯＮＶＳＴ脈沖被忽略，因此在最后的轉換完成以前，電路不能進行新的轉換。若是單通道轉換，那么Ａ／Ｄ轉換結束后，中斷信號ＩＮＴ將變低以指示轉換已完成。若是多通道轉換，則最后一個通道Ａ／Ｄ轉換結束后， ＩＮＴ才變低。這種模式下，測試系統(tǒng)可以通過監(jiān)視ＩＮＴ信號來檢測轉換是否結束。
２．３ 讀數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)是以順序方式來讀取的。單通道工作只需執(zhí)行一次讀操作，而在多通道時，在ＲＤ腳上連續(xù)加脈沖就能順序取得ＣＨ１－ＣＨ４的轉換結果。連續(xù)讀時，ＣＳ要保持低電平。無論芯片工作在何種方式，在進行了四次讀操作后，其內部地址指針都會重新指向ＣＨ１。ＣＯＮＶＳＴ被置低時，內部地址指針也會重新指向ＣＨ１。
２．４ 時鐘
ＭＡＸ１１５內部含有頻率為１０ＭＨｚ的時鐘電路，把ＣＬＫ管腳接到ＤＶｄｄ上可激活內部時鐘（內部時鐘建立時間一般為１６５μｓ）。也可在ＣＬＫ上建立一個占空比為３０％～７０％的外部時鐘信號。本系統(tǒng)采用了ＭＡＸ１１５的內部時鐘。
由于ＭＡＸ１１５同時具有采樣／保持和Ａ／Ｄ轉換功能，所以只需將被測信號標準化后引入ＭＡＸ１１５的四個通道引腳，然后通過軟件設置就可實現(xiàn)采樣／保持功能。在采樣／保持信號后，通過軟件對ＭＡＸ１１５的轉換管腳進行控制即可實現(xiàn)轉換功能。
３ 電網數(shù)據(jù)的計算處理
電力調度控制系統(tǒng)中電壓有效值、電流有效值的計算公式如下：
上兩式中，ｎ為一個周期內的采樣次數(shù)，ｕ０～ｕｎ－１和Ｉ０～Ｉｎ－１分別為一個周期內各點電壓和電流的采樣值。由于實際變電站中的供電網絡是三相交流電，因此需要計算的有效值為三相電的線電壓有效值Ｕａｂ、Ｕｃｂ和線電流有效值有Ｉａ、Ｉｃ。利用Ｕａｂ、Ｕｃｂ和Ｉａ、Ｉｃ可計算出系統(tǒng)的有功功率Ｐ和無功功率Ｑ。公式如下：
要處理這么龐大的計算，使用普通的八位單片機一般難以滿足系統(tǒng)的實時性要求。本系統(tǒng)使用的是十六位單片機８０Ｃ１９６ＫＢ。與八位單片機相比，十六位單片機克服了累加器瓶頸問題，它在內存中開辟出２３２個字節(jié)的空間作為通用寄存器使用，增加了數(shù)據(jù)存取的自由度，大大提高了工作效率。而且這些通用寄存器可以按字節(jié)、字、雙字存取，這也給計算帶來了很大方便。另外，８０Ｃ１９６ＫＢ的指令周期可達１２５ｎｓ，比八位單片機的１μｓ快得多。
４ 硬件電路
４．１ ＭＡＸ１１５與８０Ｃ１９６ＫＢ的接口設計
ＭＡＸ１１５和８０Ｃ１９６ＫＢ的接口電路如圖１所示，圖中的ＭＡＸ１１５需要正、負電源供電。此外，ＭＡＸ１１５的Ａ／Ｄ輸出是１２位的，而此時８０Ｃ１９６ＫＢ的總線工作方式應是１６位的，故當ＭＡＸ１１５片選有效時?ＣＳ為低?，其總線寬度控制信號ＢＵＳＷＩＤＴＨ＝１?總線寬度是１６位?，否則讀取的數(shù)據(jù)將不正確；ＭＡＸ１１５的通道選擇是由Ａ０～Ａ３決定的，并可在采樣初始化時確定。在本模塊中，讀數(shù)時序可由ＨＳＩ．０控制。啟動轉換則可通過向一地址內寫入數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。
４．２ 復位電路設計
本系統(tǒng)設計有軟件看門狗功能。但在程序實際運行時，光靠軟件看門狗防止程序運行死鎖或“跑飛”是不安全的，還需要有硬件看門狗電路來保證系統(tǒng)的安全復位和正常運行。硬件看門狗復位電路如圖２所示。
圖中，當系統(tǒng)上電時，三極管Ｔ１飽和導通，其集電極輸出低電平復位信號。而當系統(tǒng)穩(wěn)定后，電容Ｃ１充電完畢，Ｔ１基極電流逐漸減小，直至Ｔ１截止，其集電極變?yōu)楦唠娖?，復位信號消失，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)，此后，轉換器每次啟動轉換都要對計數(shù)器４０２４復位；而當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，ＭＡＸ１１５不再轉換時，復位信號將無法對計數(shù)器４０２４復位，于是計數(shù)器開始計數(shù)，計滿后右邊的與非門Ｕ１２Ｂ將輸出高電平以使Ｔ２飽和導通，進而使集電極變?yōu)榈?strong>電平，從而產生復位信號使系統(tǒng)復位。這樣，在程序運行出錯時就可很快地得到糾正。
５ 軟件設計
圖３所示是本系統(tǒng)的軟件流程圖。程序運行時，可先用以下兩條語句啟動看門狗：
ＬＤＢ ＷＡＴＣＨＤＯＧ，＃１ＥＨ
ＬＤＢ ＷＡＴＣＨＤＯＧ，＃０Ｅ１Ｈ
然后判斷信號是否同步，不同步時等待，同步則啟動轉換，只要選中系統(tǒng)給ＭＡＸ１１５分配的地址即可。轉換結束后，由ＣＰＵ讀出結果并存放在外存儲器中，再進行下一次采樣轉換。這樣轉換三相電的一個周期信號后，便可計算出其電壓有效值、電流有效值、有功功率和無功功率，最后由單片機的串行口輸出計算結果。之后再進行下一個周期的處理，如此循環(huán)下去。
６ 結束語
對電網參數(shù)進行監(jiān)測是電力調度自動化管理系統(tǒng)不可缺少的組成部分。隨著電子元器件制造工藝水平的提高，各種新器件不斷涌現(xiàn)，芯片的功能也不斷增強，這使得提高系統(tǒng)工作的實時性成為可能。本文所述的基于ＭＡＸ１１５的電網數(shù)據(jù)采集和模／數(shù)轉換是對已使用多年的系統(tǒng)的改進。實驗結果表明，改進后系統(tǒng)的實時效果明顯增強，維護起來也更加方便。
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