具有自适应滤波功能的多路同步数采装置

　　摘要：介绍一种新颖的数据采集装置。它基于一片6通道Σ－ΔAD转换器AT73C502，采用高速锁相环电路，控制AD转换器实现同步整周期采样,自适应调整低通滤波的截止频率以满足信号频率变化时的采样要求。该电路结构简单，成本低廉，具有一定的通用性。

　　0 前言

　　变电站高压设备绝缘在线监测可以随时掌握设备绝缘性能的变化，及时发现早期设备缺陷，防止事故发生。同时，实施绝缘在线监测，可以使计划维修转变为状态维修，减少不必要的停运检测，节省大量经费，并使设备发挥更大的经济效益。

　　电力设备在线监测系统可分为集中式和分布式两大类。前者将被测信号经屏蔽电缆送到监测主机集中完成数据分析与处理，该方式存在需要传输电缆多、模拟信号在传输过程中易引入干扰，系统可靠性差等问题；后者将信号采集与处理模块放置到被监测对象附近，通过通讯总线将监测信息传输到上位机，该方式可节省信号电缆，具有可靠性好、效率高、扩展性强和资源共享的特点。

　　本文介绍一种适应于变电站容性设备，变压器、避雷器等高压设备绝缘在线监测的数据采集装置，它采用含有高过采样率（1.6M次/秒）和数字滤波（512点）的6独立通道的Σ－ΔA/D转换器，使用简单可靠的硬件高速锁相环电路，控制6通道Σ－ΔA/D转换器实现同步整周期采样和跟踪滤波，对6路相互关联信号同时进行数据采集和数据分析，并将处理后的数据传送到上位机，为上位机提供设备绝缘监测的原始数据。由于硬件电路采用高、多功能、低成本的A/D转换器和具有丰富资源的新型单片机，从而简化了外围电路，降低了监控系统的成本。

　　1 数据采集装置的整体结构

　　数据采集装置的结构框图如图1所示。采集装置分为四个部分，部分信号调理和A/D转换电路,对6路相关联信号同时进行A/D转换和数字滤波；第二部分同步整周期采样信号产生电路，它控制AD转换器实现同步整周期采样和跟踪滤波；第三部分单片机控制电路，实现数据采集、数据处理和数据通讯。第四部分通讯接口电路，实现与上位机之间的数据通讯。

　　2 监测装置硬件电路设计

　　110KV变电站高压设备绝缘在线监测的数据采集装置的原理图如图2所示。

　　2.1 信号调理和A/D转换电路

　　A/D转换电路采用一片抗干扰能力强、差分输入、六独立通道同时采样的16位A/D转换器AT73C502，每个A/D转换通道有一个高过采样率(512：1)的Σ－△调制器和数字滤波器，可以滤除信号中的二分之一采样频率以上的高次谐波，从而减化了前置滤波器的结构，在前置输入端只需加一个简单的 RC 滤波器就可满足测量电路要求。AT73C502具有抗干扰能力强、量化噪声小、分辨率高和线性度好的优点和良好的信噪比（＞89dB）。 它内部还含有参考电压、电压监控和同步串行输出接口，从而简化了外围电路。

　　2.2 同步整周期采样信号的产生电路

　　根据采样频率是测量频率的整倍数，采样点包含整个周期，且满足采样定理时，用DFT频谱分析，频域不会发生泄漏，可完全消除误差的理论，电路中由U3、U4和U5组成简单可靠的硬件锁相环，控制Σ－ΔA/D转换器同时对6路相互关联的信号实现同步整周期采样。 信号调理6通道AD转换器6通道同步采样6通道数字滤波电压监测电路同步串行接口高速单片机监视定时器捕获定时器同步串行接口EEPROM、RAM数据存储器光隔通讯接口图1 绝缘在线监测装置的结构框图整形电路aubucuaibici162倍频电路 为使锁相环准确锁定在电压信号的基波频率上，输入电压信号经3阶巴特沃斯有源低通滤波器（由U6:A构成）滤除60HZ以上高次谐波，再经过零电压比较器（U6:B）输出工频的方波信号，用它作为高速锁相环U3的输入信号fi,同时也是频率监测的信号源。

　　74HC4046A是一片含有相位比较器和压控振荡器的高速锁相环（压频振荡器输出频率可达24MHZ）集成电路, 外接低通滤波器和分频器组成的倍频锁相电路原理如图3所示。被测信号频率fi与反馈信号fo/N 进行相位比较，其相位差信号经过低通滤波后，控制压频振荡 器输出fo的频率发生相应的变化，再经N分频后反馈到相位比较器，构成反馈系统，终使达到环路锁定。锁定时f0/N与 fi的频率之差趋 于零,即:f0 = Nfi。输入信号频率经锁相环216倍频后的输出信号f0 作为A/D转换器AT73C502的时钟输入信号，A/D转换器按fo/2 的频率进行采样，每采样512次经数字滤波后输出采样结果，从而实现整周期同步采样和跟踪滤波。测量50Hz工频信号时，每周期采样64次，压控振荡器的中心频率设计值约为50×64×1024＝3.2768MHZ，输出频率约为3.9MHZ。

　　2.3 单片机控制电路

　　Atmega 8515单片机具有高速和丰富的内部硬件资源的特点。从而提高了本装置的数据处理能力并简化了外围电路。 频率的测量是用单片机的ICP捕获单元测量工频方波信号的周期而得到；用SPI同步串行口[5]高速读取AT73C501A/D转换器的采样数据；用内部EEPROM来保存各通道的增益和相位的标定参数。

　　单片机通过SPI同步串行通讯口读取AT73C502的A/D采样数据。由于AT73C502是按其内部定时控制电路的控制产生同步脉冲CLKR和发送数据DATA，其数据传送波特率可高达1.6M位/秒。

　　因此，单片机的SPI同步串行通讯口设置为从动方式。当A/D转换完成后，AT73C503的CAK输出一个正脉冲信号，该信号作为单片机INT0的中断请求信号。当单片机响应中断后，置片选信号CS高电平后，AT73C502连续向数据线DATA发送六路信号的采样值（96位）, 其传递顺序按I1、U1、I2、U2、I3、U3。在同步脉冲CLKR的每个下降沿，数据移到单片机的寄存器中。

　　同步串行通讯时序如图4所示。 相位比较环路滤波压控振荡器N分频器ifofNfo 单片机外围电路仅扩展一片32K SRAM存储器用于存放采样数据。K1、K2用于设置监测设备的类型：00 容性设备；01 避雷器；02 其它类。软件通过K1,K2的状态选择不同的计算方法，实现对不同类型的高压设备的绝缘状态进行数据分析。单片机内部看门狗(WDT)电路和AT73C501的电源监测电路，使该装置具有较强的软硬件抗干扰能力。

　　2.4 通讯接口电路

　　绝缘监测装置把设备的绝缘参数保存在片内SRAM中，当上位机有数据请求时，通过串行总线传送到上位机。各绝缘监测装置与上位机的通讯采用具有较强抗干扰能力的RS485标准总线。同时，电路中采用了高速光电耦合器，它切断了CPU与通讯总线间的电气联系，提高了装置的抗干扰能力。为了便于调试，电路中增加了串行通讯收、发和控制状态的显示电路，显示通讯的工作状态。

　　3 软件设计方法 软件流程图如图5所示。

　　3.1 同步串行口读取采样值的软件设计方法

　　A/D转换器的转换结果经同步串行口高速（1.6M位/秒）发送到单片机。由于A/D转换器工作在主动发送方式，它主动发送同步脉冲和数据。单片机只能设置为从机接收方式，CPU使用INT0和SPI的两个中断来读取采样数据。读取采样数据的软件设计方法如下： 当A/D转换完成时，ACK下降沿产生INT0中断请求，单片机响应中断后，在INT0中断程序中允许SPI同步串行中断并置CS（PD4）为高电平。

　　CLKR的每个脉冲下降沿把数据线上的一位数据移入单片机的移位寄存器中，当8位寄存器装满时，产生SPI中断，由SPI中断程序将数据保存在RAM中，12个字节的采样值读完后，禁止SPI中断，单片机将CS(PD4)置为低电平，采样数据的读取过程结束。当下A/D转换完成后，INT0再次中断，重复上述读取采样数据的过程。当一个计算周期（10个信号周期）的数据全部读取完毕后，禁止INT0中断。当数据处理完毕，并把设备的绝缘数据传送到上位机后，才再次打开INT0中断，重新开始下一个计算周期的数据采集。

　　4 结束语

　　本文介绍的变电站电气设备绝缘在线监测系统中的数据采集装置，经过运行测试，性能可靠。尤其是硬件电路中采用高、多功能、低成本的A/D转换器、具有丰富资源的新型单片机和软件编程采用准整周期采样算法，因此省去许多外围电路，从而使装置的故障率降低、引入干扰的概率减小、可靠性得到提高。此外，电路设计中采用电源监测、看门狗电路和光电隔离器件，使该装置具有较强的抗干扰能力。