1、基于 DS89C420 和 MAX155 的快速数据采集系统2004 年 6 月第 3 期(总第 172 期)吉林电力JilinElectricPowerJun.2004No.3(Ser.No.172)基于 DS89C420 和 MAX155 的快速数据采集系统FastDataAcquisitionSystemofSSSGBasedonDS89C420andMAXI55石磊,解中秀,刘辉(东北电力学院,吉林吉林 132012)摘要:设计了一种电网参数快速数据采集系统,采用锁相环进行频率跟踪 ,利用同期采样 A/D-MAX155 和超高速单片机 DS89C420 实现快速数据采集,并将其应用于静
2、止同步串联补偿器,收到了预想的效果.关键词:静止同步串联补偿器;锁相环;MAX155;DS89C420中图分类号:TP335.1 文献标识码:B 文章编号:10095306(2004)03004302静止同步串联补偿器 SSSG(staticsynchronousseriesgenerator)是一种基于同步电压源原理的灵活交流输电系统(FAcTS)装置.作为一种串联于输电线上的补偿设备,SSSG 具有快速调整有功功率和无功功率的能力,可以使网络的功率传输能力以及潮流和电压的可控性大为提高,为电力系统的稳定提供了强有力的控制手段,而 SSSG能否进行准确调整的首要条件是将电网中三相电压,三相电
3、流进行快速准确的采集.1 问题的提出目前,基于 FACTS 和电能质量管理需求的电力系统数据采集装置的设计存在 3 个问题.a.实际电网的频率是变化的,允许频率偏移量为士(O.2 0.5)Hz,而数据采集系统需要预先知道电网当前电压,电流频率.通常数据采集装置的设计有两种方法:一是把将要采集的电网电压,电流的实际频率看成一定值,从而把其对应的周期分成 n等份,这样采集的数据不仅不利于分析,更不适用于作为一些控制装置的输入量;另一种方法是每次采集数据前,用软件方法测频,这样要花大量时间,作为快速采集装置是不允许的.b.一般的 A/D 转换芯片只有 1 个采样/保持器,只能轮流采集各通道的信号,因
4、此各通道采集的信号并不是同一电角度下的数据,若用这样的数据作为同期原始数据使用,将带来相应的系统误差.C.随着基于 FACTS 快速调节控制的需要 ,对电网参数采集速度要求的愈来愈快,因此需要使用高速单片机来实现.为了解决上述问题,设计了应用锁相环 PLL(phaselockedloop),可多通道同时采样/保持的快速 A/D 转换芯片 MAX155 及超高速单片机DS89C420 的快速实时数据采集系统(见图 1)2 系统硬件设计t 相电压,电 AbuS,Dbus流信号输入MAX155 启动 A/DTXD转换完成信号输出到上位机DS89C420MAX485 一A 相电压输入 RXD作为同步信
5、号单片机中断信号锁相环图 1 数据采集系统结构收稿日期:20040218作者简介:石磊(1967 一), 女 ,现攻读东北电力学院电力系统及其自动化专业硕士学位.?43?2004 年 6 月第 3 期(总第 172 期)Jun.2004No.3(Ser.No.172)2.1PLL 设计一般情况下,PLL 主要由相位比较器,环路低通滤波器,压控振荡器三部分组成.图 1 中 PLL 由比较器 LM31l,集成 PLLCD4046 及计数器CD4040 构成.主要功能是跟踪电网的频率变化,完成在每个实际电网频率的周期中,等份分割出采样周期.取电网 A 相电压作同步信号,经过电压互感器,再经过隔离转换
6、后形成同步控制信号,经比较器LM311 输入.PLL 把比较器的输出信号作为相位比较器(鉴相器 )的输入给定,与压控振荡器的输出再经过计数器 CD4040 分频后的信号进行比较鉴相.鉴相器输出的误差信号,经环路低通滤波器滤波后,控制压控振荡器的输出频率,当其分频后的频率与电网频率相同并进入相位扑捉范围时,PLL 将进入锁定状态.此时,压控振荡器的输出端将输出稳定的倍电网频率的脉冲.利用这个信号作为单片机的中断信号,在每次中断中启动 A/D 进行数据采集转换,实现了在每个实时电网频率周期中的相等时间间隔的次数据采集.即使电网频率有所变化,PLL 也能非常快地跟踪上,从而解决了第一个问题.图 1
7、是按每个实时电网频率周期采集 64 点设计的.2.2A/D 转换本设计的数据采集装置需要采集 6 路信号,其中包括三相电压和三相电流值.电网电压,电流经过电压互感器,电流互感器,再经过隔离转换后,峰峰值不大于 5.0V,作为 A/D 通道 AIN0AIN5的输入.为了解决单采样保持器 A/D 的各通道数据轮流采集转换的延迟问题,采用了美信公司生产的一种高性能价格比的,具有多路采样保持器的 8 位,8通道 A/D 转换芯片 MAX155.MAX155 转换速度快,每通道转换时间为 3.6s.在每次接到启动命令后,同时把 8 路信号分别保持在 8 个采样保持器里,之后,自动依次转换,数据全部转换完
8、成后,依次保存在片内的 8 字节存储器中,并提供转换完成信号.MAX155 的控制配置方式方便灵活,通过改变其内部的多路复用配置器的配置和硬件接线模式就可以改变采集方式.多路复用配置器的功能如表 l所示,通过硬件接线模式配置方式如表 2 所示.采集装置所采集的信号是 6 路正负量,为了数据采集编程的方便,利用 MAX155 的硬件接线模式.采用的是第 3 种采样方式,当给 A/D 加一启动?44?信号,数据转换完后,就可从其内部 RAM 中读取数据,非常简单,方便.但在利用这种方式时应注意一点,读取的数据应依次为 0 通道,1 通道直至最后一个通道,而不用选择 MAX155 内部 RAM 的地
9、址.表 1 多路复用配置器功能表表 2 硬件接线模式配置方式2.3 超高速单片机 DS89C420实现快速采集数据需要高速的智能控制系统,为此采用 DS89C420 高速单片机.这样不仅可以提高速度,而且可以利用 DS89C420 内部的许多资源,方便设计,减少外部扩展.DS89C420 是由美信公司提供的一种超高速单片机.单机器周期指令为 20ns,它有 16kb 的 FlashRAM,可以进行系统编程,这给软件开发和调试带来巨大的灵活性和快捷性.同时 DS89C42O 有双DPTR,并且 DPTR 值可增可减 ,而通用型普通单片机的 DPTR 只能增加 ,这样可以方便的进行数据的移动.它还
10、有一个可以编程的 Watchdog,两个完全独立的串口,片内集成 lkb 的 RAM.它还具有很多其他方面的优点,例如有多个外部中断,内部还具有增频器可以用低频晶振得到更高的系统频率,并可以与 8OC52 向下兼容.DS89C420 特有的资源与功能为整个系统的开发提供了许多方便.DS89C420 可以动态地调整MOVX 指令的时间,从而匹配 MAX155 的存取时序.片内集成的 1kb 的 RAM 可以成组暂存采集数(下转至 47 页)2004 年 6 月第 3 期(总第 172 期)吉林电力JilinElectricPowerJun.2004No.3(Ser.No.172)C.特液系统和特
11、气系统2 套系统均使用三菱的 PLC,其中各自 A2US型 PLC 已联网 ,并且备有通信模块 AISJ71C24.实现了对液晶工艺过程中特种液体和气体的控制使用和处理.为了实现系统集成,通过三菱 PLC 提供的AISJ71UC24 一 R4 型号 RS485 接口用屏蔽双绞线与中央集控站上位机的研华 PCL 一 743/745 卡连接. 中央集控站上位机中 FIX6.15 软件具有对该型号PLC 的驱动程序 ,进行相应通信组态配置,建立通信,把要求传送的数据送到中央集控站上位机.d.纯水系统系统使用 AB 公司的 PLC:2 台 SLC5/04 型号,系统本身已联网,系统监控软件为 RSVi
12、ew32.实现了对液晶工艺过程中纯水(比如电阻率 5MQ 的纯水回水流量,温度,压力等)的处理和控制.为了实现系统集成,通过 AB 的 PLC 提供的DH+接口与中央集控站的 1784KTX 通讯卡连接.中央集控站上位机中 FIX6.15 软件具有对该型号PLC 的驱动程序 ,进行相应通信组态配置,建立通信,把要求传送的数据到中央集控站.e.兰吉尔自控系统兰吉尔自控系统包括净化系统 I,净化系统,变配电系统,综合动力系统,使用 LandisStaefa 的System600Apogee 系统,配有接口 ModbusClientRTU.为了实现系统集成,将需要上传的数据映射进网关,网关通过屏蔽双
13、绞线与中央集控室计算机的研华 PCL 一 743/745 卡相连 .中央集控室计算机FIX6.15 含 Modbus485 驱动程序,进行相应通信组态配置,建立通信,读取兰吉尔自控系统网关中的数据.4 工程效果实现该系统的集成工作,需要各子系统提供与中央集控站上位机通信的接口,并且对该接口模块中的各硬件设置和功能作以准确详细的了解.必须按照系统具体的要求进行准确的参数设置和接线,屏蔽线一定要按规定可靠连接.同时在中央机驱动程序的设置中要作到和子系统硬件通信参数设置相一致,这样才能建立系统间的正常通信.该工程实现了将多公司(包括西门子,三菱,AB,兰吉尔系列等)的不同控制系统集成到中央集控室计算
14、机,实现了集中监视,集中管理的要求.运行两年来稳定可靠,达到了信息共享,方便了统一监控,统一决策和管理,同时又节约了投资和运行成本,使该厂自动化系统提高到一个新的水平.自动化系统集成技术顺应了当前计算机网络和自动控制技术的最新发展方向.吉林北方彩晶先导工程自控系统集成工程不仅为今后大中型企业的集中化管理和监控提供了重要的成功范例,而且在系统集成方面积累了经验,开拓了思路,是系统集成方向的一大进步.(上接第 44 页)据,通过 RS485 把数据传送到上位机 .实践表明,采用这种单片机对于实现快速采集数据十分有利.3 系统软件流程本系统的程序采用 C51 编写.但须注意,在利用 A/DMAX155 的不同控制配置方式时,读取 A/(责任编辑黄庆康)D 数据的方法应与之对应.快速数据采集系统应用于 SSSG,作为下位数据采集器,收到了预想的效果.它也适用于其他需要同期快速采集的领域.(责任编辑石宝山)?47?
