实时电能质量分析仪中采样控制电路的优化设计和非同步采样的同步化算法

芯片， 主要实现以下几个功能： （ 产生控制 @ D ; 转 ,） 换的各种时序； （ *）把从 @ D ; 转换器读出的数据存 放到相应的双口 E@4 中； （ 采样完一个周期后产 +） 生向 ;?= 请求中断的信号； （ !）完成 ;?= 外扩存储 器地址的部分译码功能。这几部分功能模块之间相 互依赖， 必须满足严格的时序逻辑关系。 根据上述功能模块之间的时序关系，确定
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电测与仪表
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分析、 电压闪变分析等， 并及时传送到上位机实现 对数据的保存和电网系统处理。数据的通信可通过 串行口（ 或 @A: 总线与 @A 主机通信。 <=*+*、 >=?） @A 机上运行系统级任务， 如数据二次处理、 数据统计分 析、 数据远程管理、 数据库管理等。通过电力网， 上 位机可将监测结果传送给电力检测中心。 分析仪总体框图如图 , 所示， 由于系统的数据
:;<=,++ 片选和写信号的产生。由于这部分控制电
*(* D E ; 转换和 ;=@ 芯片之间的时序控制
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适， 一块 <=>; 器件可以实现所有逻辑控制， 数字电 路部分的主要芯片由微处理器（ 、 ;?=） <=>; 和存储 器构成， 使系统中的器件数量大大减少， 增加了系 统的可靠性。 根据本系统的要求与特点，选用了 @’0.13 公司 基于乘积项的 -=4A,*B?C=><<B! 作为采样控制电 路的核心器件， 优化了采样控制电路的设计。
D;FG$# 有两种时序控制方式，一种是每转换
完一路信号， 读取转换的数据， 然后再转换下一路 信号。另一种是把所有的 ! 路信号全部转换完毕 后， 再读取 ! 路信号的转换结果。由于这种时序控 制方法比较简单， 再加上本系统采样频率远远低于 ， 所以本系统采用 D;FG$# 的最高采样频率（ ,""H E 5） 该控制时序。
采集量大， 运算量大且实时性能要求高， 所以采用 一级缓存） 以提 ;=@BA@C; 和共享数据存储器模式（ 高系统的工作效率。系统采用准硬件非同步方式采 样数据， 同步化工作由软件实现， 这样可以简化硬 件电路设计。同时， 通过软件稳步算法调整， 可以更 精确地捕捉电网中的瞬变信号。
图,
实时电能质量分析仪总体结构框图 在实时电能质量分析仪的硬件电路设计中， 采 而这部分 样电路与 ;=@ 之间的时序设计十分关键， 并没有专用集成电路可利用， 应用复杂可编程逻辑 器件（ 是较为理想的一种选择。 A@C;） 在近 ," 年内得到 复杂可编程逻辑器件（ A@C;） 迅速发展， 其集成度、 工作速度不断提高， 包含的资 源越来越丰富， 可实现的功能越来越强大， 具有静 态可重复编程或在线动态重构的特性， 使得硬件功 能象软件一样可用编程来修改。应用 A@C; 设计采 样控制电路具有如下优点： （ ,） 工 作 频 率 高 ： A@C; 的 时 钟 延 时 仅 为 纳 秒 级， 工作频率高达 ,""4IJ 以上。A@C; 器件可以和 满足 ;=@ 芯片对外围器件的速 ;=@ 芯片直接相连， 度要求。 （ *） 设 计 灵 活 ： A@C; 器 件 逻 辑 功 能 的 可 编 程 性， 逻辑功能的可仿真性， 在很大程度上保证了制 作 @A? 板一次成功的可能性。 即使在调试过程中需 要高速逻辑功能， 也只需修改 A@C; 的软件设计， 而 不必重新制作 @A? 板。 （ 应用 A@C; 器件可以将 +） 可加快系统设计： 原来的硬件设计转化成编程软件设计， 减少了设计 时间。 （ 可靠性高： 只要选择合 !） A@C; 集 成 度 很 高 ，
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总体框图与原理 根据电能质量的国家标准， 总结现有的电能监
测系统的开发和运行经验， 以高速实时信号处理器 （ 为核心， 由 =>?; 控制高速 _ ‘ ; 转换芯片的 ;@>） 采样， 以及控制采样数据的读写和存储， 研制开发 了本系统。采样频率由 =>?; 产生 #"LMa! 的时钟 脉冲来控制 （ 注： 由 ! 为采样点数，采样为非同步， 见下述） 。 ;@> 对电网 ;@> 中软件算法实现准同步， 中采样的一批数据（ 双口 b_4 中的一级缓冲数据） 进行软件同步处理、 谐波分析、 频率计算、 真有效值
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实时电能质量分析仪中采样控制电路的 优化设计和非同步采样的同步化算法
王培良 ,， 祁才君 *
（ 浙江 ,(湖州师范学院 信息工程学院， 湖州 杭州 +,+"""； *(浙江大学 电气工程学院，
引 言 文章 [\],,^。 本文提出了基于 ;@> 和 =>?; 为核心的实 时电能质量分析仪，着重分析了 =>?; 在采样控制 电路中的优化设计方法， 并讨论了非同步采样的同 步化算法。
随着人们对电能质量认识的不断提高， 对电能 质量的检测也提出了更高的要求。使用高性能在线 电能质量分析仪就能够及时地分析和反映电网的 电能质量水平， 并能找出电网中影响电能质量的原 因， 从而采取相应的措施， 这对电网的安全、 经济运 行是有积极意义的， 同时对电力市场的全面推进也 具有深远意义。 目前， 电能检测设备已经融合了许多领域的高 科技， 如网络技术、 通信技术、 数字信号处理技术、 数据挖掘技术等。在集成电路技术快速发展的推动 下， 各种专用数字信号处理器、 高速采样芯片， 以及 各种可编程逻辑器件的出现， 为电能质量检测技术 的实现提供了可靠保证， 本刊也曾报道过多篇有关
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<=>; 控制功能的实现 -=4A,*B 是 连 接 ;?= 和 @;AB$# 的 关 键 控 制
-=4A,*B 需实现的逻辑功能如图 * 所示。
图 * 中， ;?= 的 *"4FG 时 钟 作 为 -=4A,*B 的
图*
-=4A,*B 需实现的逻辑功能
和正常供电的情况下才有意义， 因而正常运行的电 网频率围绕 #"FG 附近作微小波动。在本设计中， 采 用定时采样方法对信号进行准非同步采样， 假想被 采样信号周期为 #"FG， 采样频率 !" M$(!NFG， 即采样
பைடு நூலகம்
全局时钟输入。在全局时钟基础上， -=4A,*B 的内 部标准时基电路经过分频电路产生各种定时时钟。 例如， 对全局 *"4FG 时钟进行四分频得到 #4FG 的 基准时钟，配合双口存储器 :;HA,++ 和 @;AB$# 的 读写， 同时产生 @;AB$# 的启动信号。 @ D ; 启动信号 周期的计算如下：正常运行下电网的标称频率为 电力系统频率允许偏差” #"FG，根据 “ IJ D H ,#K!#C ,KK# 规定：电力系统正常频率偏差允许值为L"(*FG， 而电力系统频率的测量只有在电力系统稳定运行
+,""*<）
摘要： 提出了基于 =>?; 和 ;@> 构架的实时电能质量分析仪的设计， 着重讨论了 =>?; 在 实时电能质量分析仪采样控制电路优化设计中的应用，并讨论了非同步采样的同步化算 法。 样机测试结果表明， 本电能质量分析仪可以按半个电网周期的滑动速度， 对电能质量进 行实时分析， 分析结果达到了国家对电能质量测试的要求。 关键词： 电能质量； 优化设计 =>?;； 中图分类号： A4B++(! 文献标识码： C 文章编号： ,"",D,+B"（ *""+） ,*D""*!D"#
,*B 点。 @ D ; 转换启动信号可通过对 -=4A,*B 内部 基准时钟计数来获得，图 + 中 /&8O 为 @ D ; 采样启
动信号。 时序控制器是整个逻辑电路设计的核心， 主要 负 责 @;AB$# 片 选 、 读 写 信 号 以 及 双 口 存 储 器
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