原创 MAX115在电网数据采集系统中的应用

摘要：文中介绍了一种将12位Ａ／Ｄ转换器MAX115用于遥测系统的设计方案，用以提高电网数据的处理效率，增加系统实时性，该方案省去了传统多路A／D转换电路中的采样／保持电路，简化了硬件电路设计，实现了真正的同时采样。

关键词：电网；A/D转换器；跟踪／保持；同步采样；单片机

电力调度控制系统包括遥测、遥信、遥调、遥控四部分，数据采集属于遥测部分。电力调度控制系统一般在现场采集四路电信号进行转换处理。整个系统启动后需要进行一系列的加、减、乘、除、平方、开方运算，这不仅要求ＣＰＵ的处理速度要快，而且对Ａ／Ｄ转换的速度也提出了一定的要求。因此，有必要寻找一种转换速度快、精度高、容易控制的转换器来完成系统的模／数转换。ＭＡＸ１１５是面向１６位和３２位微处理器设计的８通道逐次逼近型Ａ／Ｄ转换器相对于其它多通道Ａ／Ｄ转换器来说ＭＡＸ１１５的优点在于可以实现真正的多通道同步采样，因此可以很好地应用在分布式ＲＴＵ系统中。

ＭＡＸ１１５内部含有四个同步采样／保持放大器和四个二选一电路具有８个单独的输入每个通道的转换速度为２μｓ，采样速率为３９０ｋｓｐｓ（单通道）、２１８ｋｓｐｓ（双通道）、１５２ｋｓｐｓ（３通道）、１５２ｋｓｐｓ（４通道）输入模拟电压为：±５Ｖ，各通道均有过压保护功能（±１７Ｖ），同时片内含有２．５Ｖ参考电压和可编程时序发生器，此外， ＭＡＸ１１５还带有高速并行ＤＳＰ接口，器件内部可提供１０ＭＨｚ时钟。

１ ＭＡＸ１１５的工作原理

ＭＡＸ１１５内部含有一个逐次逼近型Ａ／Ｄ转换器和四个采样／保持放大器每个采样／保持放大器均与一个二选一开关相连。因此，ＭＡＸ１１５共有８个输入通道，通过对内部时序发生器的编程可以使用Ａ、 Ｂ两组采样／保持放大器中的一组对一路到四路输入进行同步监视，其结果存储在片内ＲＡＭ里。

２ ＭＡＸ１１５的基本操作

２．１ 通道选择

ＭＡＸ１１５的输入数据线Ａ０～Ａ３的高两位与输出数据线Ｄ０～Ｄ１１的低两位通过三态门复用，向Ａ０～Ａ３写入数据可控制８个通道的选通。ＭＡＸ１１５共有８种转换模式及一个节电模式。系统上电后，默认ＣＨ１Ａ为转换通道，也可以通过向Ａ０～Ａ３写控制字来选通转换通道。芯片的通道选择如表１所列。

表1 MAX115的通道选择方式

A3

A2

A1

A0

转换时间（s）

工作方式

0

0

0

0

2

CH1A通道工作

0

0

0

1

4

CH1A CH2A双通道工作

0

0

1

0

6

CH1A CH2A CH3A 三通道工作

0

0

1

1

8

CH1A CH2A CH3A CH4A 四通道工作

0

1

0

0

2

CH1B通道工作

0

1

0

1

4

CH1B CH2B双通道工作

0

1

1

0

6

CH1B CH2B CH3B三通道工作

0

1

1

1

8

CH1B CH2B CH3B CH4B四通道工作

1

任意

任意

任意

-

掉电状态 向ＭＡＸ１１５输入转换指令时，应将ＣＳ拉低并对Ａ０～Ａ３数据线编程。然后再给ＷＲ一个低脉冲，编程指令在ＷＲ或ＣＳ的上升沿被锁存。这时模数转换器做好了转换的准备。一旦转换程序开始执行，模数转换器将在指定方式下连续执行转换，直到重新编程或断电为止。

２．２ 模数转换的启动

选择了转换通道后，再给ＣＯＮＶＳＴ一个低电压，芯片将启动Ａ／Ｄ转换过程。此后，模拟输入将在ＣＯＮＶＳＴ上升沿被采样，此时由于采样／保持放大器被置成保持模式，附加的ＣＯＮＶＳＴ脉冲被忽略，因此在最后的转换完成以前，电路不能进行新的转换。若是单通道转换，那么Ａ／Ｄ转换结束后，中断信号ＩＮＴ将变低以指示转换已完成。若是多通道转换，则最后一个通道Ａ／Ｄ转换结束后， ＩＮＴ才变低。这种模式下，测试系统可以通过监视ＩＮＴ信号来检测转换是否结束。

２．３ 读数据

数据是以顺序方式来读取的。单通道工作只需执行一次读操作，而在多通道时，在ＲＤ脚上连续加脉冲就能顺序取得ＣＨ１－ＣＨ４的转换结果。连续读时，ＣＳ要保持低电平。无论芯片工作在何种方式，在进行了四次读操作后，其内部地址指针都会重新指向ＣＨ１。ＣＯＮＶＳＴ被置低时，内部地址指针也会重新指向ＣＨ１。

２．４ 时钟

ＭＡＸ１１５内部含有频率为１０ＭＨｚ的时钟电路，把ＣＬＫ管脚接到ＤＶｄｄ上可激活内部时钟（内部时钟建立时间一般为１６５μｓ）。也可在ＣＬＫ上建立一个占空比为３０％～７０％的外部时钟信号。本系统采用了ＭＡＸ１１５的内部时钟。

由于ＭＡＸ１１５同时具有采样／保持和Ａ／Ｄ转换功能，所以只需将被测信号标准化后引入ＭＡＸ１１５的四个通道引脚，然后通过软件设置就可实现采样／保持功能。在采样／保持信号后，通过软件对ＭＡＸ１１５的转换管脚进行控制即可实现转换功能。

３　电网数据的计算处理

电力调度控制系统中电压有效值、电流有效值的计算公式如下：

上两式中，ｎ为一个周期内的采样次数，ｕ０～ｕｎ－１和Ｉ０～Ｉｎ－１分别为一个周期内各点电压和电流的采样值。由于实际变电站中的供电网络是三相交流电，因此需要计算的有效值为三相电的线电压有效值Ｕａｂ、Ｕｃｂ和线电流有效值有Ｉａ、Ｉｃ。利用Ｕａｂ、Ｕｃｂ和Ｉａ、Ｉｃ可计算出系统的有功功率Ｐ和无功功率Ｑ。公式如下：

要处理这么庞大的计算，使用普通的八位单片机一般难以满足系统的实时性要求。本系统使用的是十六位单片机８０Ｃ１９６ＫＢ。与八位单片机相比，十六位单片机克服了累加器瓶颈问题，它在内存中开辟出２３２个字节的空间作为通用寄存器使用，增加了数据存取的自由度，大大提高了工作效率。而且这些通用寄存器可以按字节、字、双字存取，这也给计算带来了很大方便。另外，８０Ｃ１９６ＫＢ的指令周期可达１２５ｎｓ，比八位单片机的１μｓ快得多。

４　硬件电路

４．１ ＭＡＸ１１５与８０Ｃ１９６ＫＢ的接口设计

ＭＡＸ１１５和８０Ｃ１９６ＫＢ的接口电路如图１所示，图中的ＭＡＸ１１５需要正、负电源供电。此外，ＭＡＸ１１５的Ａ／Ｄ输出是１２位的，而此时８０Ｃ１９６ＫＢ的总线工作方式应是１６位的，故当ＭＡＸ１１５片选有效时ＣＳ为低，其总线宽度控制信号ＢＵＳＷＩＤＴＨ＝１总线宽度是１６位，否则读取的数据将不正确；ＭＡＸ１１５的通道选择是由Ａ０～Ａ３决定的，并可在采样初始化时确定。在本模块中，读数时序可由ＨＳＩ．０控制。启动转换则可通过向一地址内写入数据来实现。

４．２ 复位电路设计

本系统设计有软件看门狗功能。但在程序实际运行时，光靠软件看门狗防止程序运行死锁或“跑飞”是不安全的，还需要有硬件看门狗电路来保证系统的安全复位和正常运行。硬件看门狗复位电路如图２所示。

图中，当系统上电时，三极管Ｔ１饱和导通，其集电极输出低电平复位信号。而当系统稳定后，电容Ｃ１充电完毕，Ｔ１基极电流逐渐减小，直至Ｔ１截止，其集电极变为高电平，复位信号消失，系统进入正常工作状态，此后，转换器每次启动转换都要对计数器４０２４复位；而当系统出现故障，ＭＡＸ１１５不再转换时，复位信号将无法对计数器４０２４复位，于是计数器开始计数，计满后右边的与非门Ｕ１２Ｂ将输出高电平以使Ｔ２饱和导通，进而使集电极变为低电平，从而产生复位信号使系统复位。这样，在程序运行出错时就可很快地得到纠正。

５　软件设计

图３所示是本系统的软件流程图。程序运行时，可先用以下两条语句启动看门狗：

ＬＤＢ ＷＡＴＣＨＤＯＧ，＃１ＥＨ

ＬＤＢ ＷＡＴＣＨＤＯＧ，＃０Ｅ１Ｈ

然后判断信号是否同步，不同步时等待，同步则启动转换，只要选中系统给ＭＡＸ１１５分配的地址即可。转换结束后，由ＣＰＵ读出结果并存放在外存储器中，再进行下一次采样转换。这样转换三相电的一个周期信号后，便可计算出其电压有效值、电流有效值、有功功率和无功功率，最后由单片机的串行口输出计算结果。之后再进行下一个周期的处理，如此循环下去。

６　结束语

对电网参数进行监测是电力调度自动化管理系统不可缺少的组成部分。随着电子元器件制造工艺水平的提高，各种新器件不断涌现，芯片的功能也不断增强，这使得提高系统工作的实时性成为可能。本文所述的基于ＭＡＸ１１５的电网数据采集和模／数转换是对已使用多年的系统的改进。实验结果表明，改进后系统的实时效果明显增强，维护起来也更加方便。