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

摘 要：為了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)變化速度極快、變化過(guò)程極短的高速瞬態(tài)行波信號(hào)進(jìn)行采樣，研究了一種以DS80C320單片機(jī)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(chǔ)操作的協(xié)調(diào)控制關(guān)系和PC機(jī)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(cè)量。

1　前言
　　對(duì)電力系統(tǒng)高壓輸電線路進(jìn)行精確的故障定位是保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效途徑之一?，F(xiàn)代行波定位是通過(guò)對(duì)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(jìn)行綜合分析，確定故障行波波頭到達(dá)線路上測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)刻，來(lái)實(shí)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(hào)，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(shí)刻密切相關(guān)，使得行波在傳播過(guò)程中易發(fā)生畸變，降低了對(duì)行波準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間的判別及對(duì)行波反射波的識(shí)別能力。對(duì)于變化速度極快，變化過(guò)程極短的高速瞬態(tài)行波信號(hào)的采集，需要高速A／D轉(zhuǎn)換單元、大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、高速尋址和快速存儲(chǔ)等。
　　為了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)μs級(jí)甚至ns級(jí)高速瞬變信號(hào)進(jìn)行采樣，研究了一種基于GPS同步的、用硬件電路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、高速尋址以及存儲(chǔ)的技術(shù)，保證了高速瞬態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)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(hào)是高頻信號(hào)，用常規(guī)的辦法受到單片機(jī)本身運(yùn)行速度的限制，使用計(jì)算機(jī)不僅造成成本提高，而且對(duì)高頻、遠(yuǎn)距離多路信號(hào)的信號(hào)處理上增加困難，有時(shí)無(wú)法區(qū)別所采集信號(hào)的真?zhèn)?。通過(guò)對(duì)8051單片機(jī)的外圍進(jìn)行有效的擴(kuò)展，采取在數(shù)據(jù)采集時(shí)由硬件實(shí)現(xiàn)其采集和存儲(chǔ)，采集完畢后由8051單片機(jī)進(jìn)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(zhǎng)為8位，并且采樣速率可變；存儲(chǔ)容量為512K字節(jié)，符合ISA總線標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)?？蓮V泛用于電力測(cè)量、繼電保護(hù)和故障定位等。
2　硬件系統(tǒng)
　　對(duì)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(guò)速率，特別是系統(tǒng)通過(guò)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。在硬件的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，則需要考慮兩個(gè)方面：（1）A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。（2）轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間［3］。
　　本文根據(jù)需要使用DS80C320單片機(jī)，在時(shí)鐘頻率為33MHz條件下，單周期指令執(zhí)行時(shí)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(jì)數(shù)器、采樣頻率控制、時(shí)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(jī)通訊，CPU2用于接收GPS時(shí)間報(bào)文，GPS時(shí)間報(bào)文可在任何時(shí)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(shí)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(shí)間信息及工作狀態(tài)等量，供PC機(jī)定時(shí)取用，同時(shí)也接收來(lái)自PC機(jī)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(shí)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(shí)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(duì)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(méi)有三態(tài)門(mén)控制，故在輸出加以74LS241作為三態(tài)門(mén)控制。AD9048是否工作取決于輸入轉(zhuǎn)換脈沖信號(hào)，在脈沖信號(hào)上升沿取樣。轉(zhuǎn)換脈沖來(lái)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(duì)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(hào)，將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寫(xiě)入高速緩存RAM某單元中，再使地址計(jì)數(shù)器加1，直到地址計(jì)數(shù)器記滿后產(chǎn)生采樣結(jié)束信號(hào)，控制信號(hào)封鎖RAM寫(xiě)信號(hào)，利用二進(jìn)制地址發(fā)生器的最高位通過(guò)中斷方式通知主機(jī)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(jí)聯(lián)而成，5片74LS163可構(gòu)成19位地址形成電路。計(jì)數(shù)器每收到一個(gè)脈沖即產(chǎn)生一個(gè)地址，地址的初值可通過(guò)時(shí)序控制電路清零。若采用循環(huán)地址，則在記數(shù)滿后，用進(jìn)位信號(hào)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(jìn)入新一輪記數(shù)。
2．3　快速存儲(chǔ)
　　單片機(jī)與上位PC機(jī)間的串口通訊的數(shù)據(jù)傳輸速率往往不能滿足實(shí)時(shí)性要求，DMA通道的最大數(shù)據(jù)傳輸率也不超過(guò)5Mb／s［1］，這顯然無(wú)法滿足本系統(tǒng)中高達(dá)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(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用雙端口RAMIDT7134，在上位PC主機(jī)與單片機(jī)之間建立了一個(gè)4k字節(jié)大小的緩沖區(qū)，單片機(jī)只須將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的采樣值通過(guò)一個(gè)端口存入緩沖區(qū)，上位PC主機(jī)通過(guò)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(shí)時(shí)采集和控制的要求。