基于單片機(jī)控制的帶鎖相環(huán)三路智能 同步采集卡設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的需要，本系統(tǒng)采用串并行結(jié)構(gòu)（見圖１），同時(shí)考慮到遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)處理的需要，本采集卡利用單片機(jī)的串行通訊口并配以相應(yīng)接口可直接掛接到系統(tǒng)總線上以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊。

1.2 系統(tǒng)基本原理

與通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)中引入了鎖相環(huán)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)的同步采集和采集速率的自動(dòng)調(diào)節(jié)；另通過多路開關(guān)的有機(jī)組合在實(shí)現(xiàn)三路分時(shí)轉(zhuǎn)換的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了雙極性ａ／ｄ轉(zhuǎn)換器量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，從而提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)能力。

1.2.1 鎖相環(huán)技術(shù)

鎖相環(huán)技術(shù)也稱自動(dòng)相位控制技術(shù)，于２０世紀(jì)３０年代發(fā)展起來，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通信、電子、測(cè)控等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)組成見圖２,主要由相位比較器（ｐｄ亦稱鑒相器），低通濾波器（ｌｐｆ），壓控振蕩器（ｖｃｏ）組成。

其基本原理如下：ｐｄ將ｖｉ（ｔ）與ｖｏ（ｔ）的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)與二者相位差成正比的誤差電壓ｖφ（ｔ），ｖφ（ｔ）再經(jīng)由ｌｐｆ濾波（濾除高頻分量），得到控制電壓ｖｄ（ｔ），并加到ｖｃｏ的控制端使ｖｃｏ振蕩器輸出頻率ｆ２向ｆ１靠攏，直至δｆ＝０，即ｆ２＝ｆ１，從而實(shí)現(xiàn)ｖｉ（ｔ）、ｖｏ（ｔ）兩信號(hào)的頻率相同而相位差保持恒定（同步），即實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤和相位鎖定。

1.2.2 集成鎖相環(huán)ｃｄ４０４６

鎖相環(huán)技術(shù)盡管出現(xiàn)于２０世紀(jì)３０年代，但由于組成鎖相環(huán)的是一些分離元件，因此使其成本高且性能低；同時(shí)由于其它一些技術(shù)等因素的影響，極大地限制了其大范圍的應(yīng)用（早期主要應(yīng)用于電視接收機(jī)的行掃描電路和供色度信號(hào)解調(diào)的副載波振蕩電路等），直到２０世紀(jì)７０年代初期，隨著微電子技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使得制作低成本、高性能集成鎖相環(huán)電路／芯片得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，鎖相環(huán)技術(shù)得到了快速發(fā)展，如今已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、通信等領(lǐng)域。作為目前國(guó)內(nèi)外最具代表性也是最常見的集成鎖相環(huán)芯片ｃｄ４０４６，由于其集成度高、性價(jià)比高、多功能、易組合等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛使用，其管角排列及邏輯圖見圖３。

從圖３可知：ｖｃｏ的輸出可以經(jīng)由一除法器進(jìn)行ｎ分頻后，再送至相位比較器ⅰ，并進(jìn)而與ｖｉ進(jìn)行相位比較，最后使ｆ２′＝ｆ１，二者的相位差恒定，從而實(shí)現(xiàn)鎖相。由于ｆ２′＝ｆ２／ｎ＝ｆ１，可推得：ｆ２＝ｎｆ１，由此表明：盡管從局部看使用除法器完成的是分頻，但就鎖相環(huán)整體而言卻是實(shí)現(xiàn)ｎ倍頻。本文作者正是利用ｃｄ４０４６的這一特性并配以三片可編程計(jì)數(shù)器芯片ｍｃ１４５２２　構(gòu)成１２０倍頻器（見圖４），從而實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)在一個(gè)周波內(nèi)完成１２０點(diǎn)同步采集。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合上述圖１所示的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成框圖及測(cè)試性能要求，本系統(tǒng)選用當(dāng)前較為流行的集成度較高的嵌入式８位單片機(jī)８７ｃ１９６ｎｔ作為主控器（并擴(kuò)展了一片ｅｐｒｏｍ－２７６４），ａ／ｄ轉(zhuǎn)換器采用性價(jià)比較高且內(nèi)含由三態(tài)緩沖器和鎖存器的１２位ａｄ１６７４集成芯片通過三片采樣／保持器新片ｌｆ３９８以及多路轉(zhuǎn)換開關(guān)ｃｄ４０５１和ｃｄ４０５２的有機(jī)組合實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)的同步采集以及ａｄ１６７４分時(shí)轉(zhuǎn)換和量程的自動(dòng)改變１２０倍頻器由ｃｄ４０４６集成鎖相環(huán)芯片和整型放大器４０６９及三片可編程計(jì)數(shù)器ｍｃ１４５２２組成；另外在通訊接口的設(shè)計(jì)上選用了當(dāng)前較為流行的ｃａｎ串行通信接口。其硬件接線結(jié)構(gòu)圖見圖４。

2.2 120分頻器設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求（在一個(gè)周期內(nèi)完成三路共１２０點(diǎn)采集），本系統(tǒng)選用了鎖相環(huán)芯片ｃｄ４０４６和三片可編程計(jì)數(shù)器芯片（ｍｃ１４５２２），其中三片ｍｃ１４５２２按圖５所示接線圖連接。圖中個(gè)位所示計(jì)數(shù)器芯片的輸入端（ｃｐ端）接從第三路取樣后經(jīng)４０６９放大器放大、濾波、整形后的輸出信號(hào)而其輸出接４０４６的ｐｈｉ１端?？偟姆诸l系數(shù)ｎ＝１００ｎ１＋１０ｎ２＋ｎ３，因此，只需給三片計(jì)數(shù)器置以相應(yīng)的計(jì)數(shù)值便可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的分頻系數(shù)。本系統(tǒng)要求ｎ＝１２０，根據(jù)接線圖可以分別向百位／十位／個(gè)位置計(jì)數(shù)值１、２、０（即通過單片機(jī)向其數(shù)據(jù)輸入端送二進(jìn)制０００１、００１０、００００）便可實(shí)現(xiàn)１２０倍的分頻，而對(duì)于整個(gè)鎖相環(huán)來說則實(shí)現(xiàn)了１２０倍頻。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要是系統(tǒng)主程序、采集子程序、通訊子程序和數(shù)字濾波子程序等設(shè)計(jì)，其中采集子程序作為中斷子程序存在；數(shù)字濾波采用遞推中值算法；所有程序采用ｃ語言編寫。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為一門基礎(chǔ)性和綜合性相結(jié)合的技術(shù)，在當(dāng)今迅速發(fā)展的信息時(shí)代里起著“基礎(chǔ)性和導(dǎo)向”作用，而隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)的快速發(fā)展在大力推動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展和大范圍應(yīng)用的同時(shí)，也對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的載體——數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)提出新的和更高的要求：使其進(jìn)一步朝著微型化、智能化、柔性化方向發(fā)展。為此，結(jié)合電力系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試的特點(diǎn)和要求，本文作者在設(shè)計(jì)“三路快速、高精度同步采集卡”過程中，圍繞以提高系統(tǒng)性能的目標(biāo)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和采集技術(shù)兩方面都進(jìn)行了大膽的探索和嘗試。經(jīng)過測(cè)試表明：該“智能采集卡”性能穩(wěn)定可靠，并具有較好的柔性和智能性，較好地滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)和測(cè)試的要求。