A New Design of Automatic Synchronism Equipment Based 0n AVR Single-chip Processor
摘要：本文介紹了如何使用Atmega128單片機(jī)去設(shè)計(jì)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置。簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)方案、功能。對(duì)于壓差、頻率和相差計(jì)算中應(yīng)該注意的問(wèn)題給予了說(shuō)明，并給出了系統(tǒng)的軟件流程。
關(guān)鍵詞：Atmega128  頻率跟蹤  PID調(diào)節(jié)
Abstract: The way how to design Automatic Synchronism Equipment using the ATMEGA128 Single-chip Processor is proposed in the article.   The system plan and the functions are simply illustrated. Problems should be paid special attention in calculation of voltage difference 、frequency difference and phase difference are explained and the software flow of the system is demonstrated ,too.
Key  words: Atmega128  Frequency track　PID adjustment
前言
自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在電力系統(tǒng)并網(wǎng)中有著十分重要的作用。本文采用ATMEGA128單片機(jī)為處理器，開發(fā)一種主要用于機(jī)組同期操作的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，該裝置能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)側(cè)和對(duì)象側(cè)的壓差、頻差和相差，進(jìn)行同期操作。如果采用一個(gè)同期點(diǎn)配備一個(gè)裝置的方式，則能大大提高整個(gè)系統(tǒng)的同期可靠性。
1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和硬件框圖
作為準(zhǔn)同期裝置，首先必須要準(zhǔn)確地測(cè)量系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)的同期參數(shù)。也就是精確測(cè)量?jī)蓚?cè)的電壓、頻率，以及相位差。在這個(gè)基礎(chǔ)上，裝置要進(jìn)行準(zhǔn)確的同期動(dòng)作以及和上位機(jī)的通信。因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程圍繞這三個(gè)方面展開。為了減少干擾和便于操作，硬件分為CPU板、信號(hào)板和顯示按鍵板。下面的硬件框圖（圖1）清楚地表示了三者之間的連接關(guān)系和信號(hào)的流動(dòng)情況。單片機(jī)89C58主要負(fù)責(zé)識(shí)別和保存按鍵值（中斷方式），以及直接驅(qū)動(dòng)LCD。Atmega128單片機(jī)有兩個(gè)串行口，通過(guò)串口0和89C58通訊，通過(guò)串口1和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
2 頻率、電壓和相差的計(jì)算
  ATMEGA128單片機(jī)的定時(shí)器1和定時(shí)器3具有輸入捕獲的功能。因此頻率（周期）的計(jì)算可以完全依賴硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。只需要設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路將正弦波變換成為方波即可。方波兩個(gè)上升沿（或下降沿）之間的時(shí)間間隔即是系統(tǒng)側(cè)或?qū)ο髠?cè)的周期，這樣就可以準(zhǔn)確地測(cè)量出周期。注意，定時(shí)器1和定時(shí)器3中的計(jì)數(shù)值盡量不要采用軟件清零。筆者剛開始的思路
是每隔一次輸入捕獲中斷將TCNT1或TCNT3的值清零，然后下一次的計(jì)數(shù)值乘以計(jì)數(shù)間隔時(shí)間就是系統(tǒng)側(cè)或是對(duì)象側(cè)周期長(zhǎng)度。但是這樣的辦法很容易受到其他中斷的影響。當(dāng)外部事件發(fā)生的時(shí)候（上升沿或下降沿來(lái)到），硬件自動(dòng)將計(jì)數(shù)值捕捉到相應(yīng)的捕獲寄存器，但如果此時(shí)有更高級(jí)中斷同時(shí)到來(lái)的話，就必然會(huì)推遲一會(huì)才可以進(jìn)入輸入捕獲中斷程序，則軟件必然會(huì)推遲清零，因此所測(cè)的周期會(huì)偏小、頻率會(huì)偏大。特別是當(dāng)更高優(yōu)先級(jí)的中斷程序
執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，所測(cè)周期根本無(wú)法使用。正確的做法是：在初始化時(shí)將定時(shí)器1和定時(shí)器3按照同樣的分頻系數(shù)同時(shí)開放，然后就不要對(duì)這兩個(gè)定時(shí)器進(jìn)行清零或其他操作。對(duì)于這兩個(gè)16位定時(shí)器的溢出問(wèn)題，可以通過(guò)在定時(shí)器1和定時(shí)器3的溢出中斷程序中設(shè)置分別的溢出標(biāo)志來(lái)解決。本裝置所設(shè)計(jì)的波形轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。VAA1為對(duì)象側(cè)或系統(tǒng)側(cè)經(jīng)過(guò)初步處理的交流信號(hào)。

 圖1  系統(tǒng)硬件框圖

電壓的測(cè)量和計(jì)算涉及到交流采樣技術(shù)。交流采樣，就是直接對(duì)交流電氣信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得所關(guān)心的信號(hào)參數(shù)或信息。交流采樣有異步采樣和同步采樣兩種，其中后者應(yīng)用較多。同步采樣又可以分為硬件同步（PLL鎖相環(huán)技術(shù)）和軟件同步。軟件同步就是利用處理器的中斷性能跟蹤周期的變化且均勻地采樣。這就是所謂的頻率跟蹤。在數(shù)據(jù)處理方面，本文采用將正弦周期信號(hào)展開成為傅立葉級(jí)數(shù)的形式，然后再離散化，進(jìn)而求出電壓有效值。

  
                        圖2  正弦波方波變換電路

                           圖 3同期操作軟件流程圖
筆者所設(shè)計(jì)的同期裝置的同期過(guò)程見上圖（圖3）所示。其中，頻率要優(yōu)先調(diào)節(jié)。頻差在要求范圍內(nèi)時(shí)，才可以轉(zhuǎn)去調(diào)節(jié)電壓。每次同期操作要設(shè)定同期時(shí)限，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)不能達(dá)到定值要求，則此次同期操作失敗。
總結(jié)
  本文介紹的準(zhǔn)同期裝置設(shè)計(jì)方案最大程度利用了硬件資源，減少了軟件誤差。裝置投入使用后經(jīng)過(guò)測(cè)試可以達(dá)到機(jī)組開關(guān)的同期要求，有一定推廣價(jià)值。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：
  （1）頻率測(cè)量完全依賴于硬件的輸入捕獲電路，精確測(cè)量系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)的周期。
  （2）相差計(jì)算采用小范圍泰勒級(jí)數(shù)展開的方法，依據(jù)兩側(cè)電壓幅值（計(jì)算得到）和瞬時(shí)采樣值直接計(jì)算相差。對(duì)于精度要求不高的場(chǎng)合，作者也提出了完全依賴硬件、比較系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)信號(hào)上升沿的方法；對(duì)于精度要求高的場(chǎng)合，可以展開成高階級(jí)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。因此，本文的方案為不同應(yīng)用提供了計(jì)算辦法。
 （3）同期流程中考慮到了導(dǎo)前時(shí)間，并進(jìn)行了同期時(shí)限判斷，有很高的可靠性。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
1．趙新寬 (1982-)，男（漢族）,湖北鐘祥人，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院控制理論與控制工程碩士研究生，研究方向:單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用
2  彭楚武（1949-），男（漢族），湖南長(zhǎng)沙人，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用
3．陳燕東（1979- ），男（漢族），湖南澧縣人，工程師，碩士，研究方向：智能控制與電力電子
通訊地址：湖南大學(xué)電氣與信息學(xué)院彭楚武轉(zhuǎn)趙新寬（或者湖南大學(xué)第十四學(xué)生宿舍226房間趙新寬）郵編：410082