CN103424608A - 一种低成本快速高精度交流电压信号采样系统 - Google Patents
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Abstract
一种低成本快速高精度交流电压信号采样系统，它包括AD采样单元、DMA控制器、数字滤波器和MCU处理器，所述的DMA控制器上设有两个DMA通道和对应的两块DMA缓存区，AD采样单元的信号输入端与低压配电网内待测配电线路的火线L、零线N相连，AD采样单元的两信号输出端分别通过两个DMA通道发送至DMA控制器的相应缓存区，DMA控制器的信号输出端与数字滤波器的信号输入端相连，数字滤波器的信号输出端与MCU处理器的信号输入端相连，MCU处理器输出完整周波的采样信号。本发明结构简单、成本低，能够实现快速高精度交流电压信号采样。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电压质量监测装置中低成本、高可靠性实现快速高精度交流电压信号采样的方法。
背景技术
目前，随着我国经济的发展，电力系统中非线性负载日益增多，这些非线性负载的应用产生大量的谐波电流，造成电力系统的电压畸变，同时这些负载还带有很大的冲击型负荷功率，给电力系统带来不规则的电压波动，降低了供电质量，对电力系统的设备也产生很大的危害。随着电能质量问题的日益严重及广大用户对电能质量要求的不断提高，建立电能质量监测与分析系统，对其进行正确的检测、评估和分类就显得十分必要。电压质量属于电能质量中很重要的组成部分，各种在线的电压监测装置在整个电能质量监测体系中，有着广泛的应用。
电压监测装置对测量的精度的要求越来越高，对瞬态变化过程要能准确的捕捉，因此对电压信号要求能快速高精度的A/D采样，高性能器件的堆砌固然能满足要求，但成本也限制了此类装置的推广与应用。要在有限的成本基础上，实现快速高精度交流电压信号的采样，必须采用新的方法。
发明内容
本发明的目的是针对快速高精度交流电压信号采样的问题，提出一种低成本快速高精度交流电压信号采样系统。
本发明的技术方案是：
一种低成本快速高精度交流电压信号采样系统，它包括AD采样单元、DMA控制器、数字滤波器和MCU处理器，所述的DMA控制器上设有两个DMA通道和对应的两块DMA缓存区，AD采样单元的信号输入端与低压配电网内待测配电线路的的火线L、零线N相连，AD采样单元的两信号输出端分别通过两个DMA通道发送至DMA控制器的相应缓存区，DMA控制器的信号输出端与数字滤波器的信号输入端相连，数字滤波器的信号输出端与MCU处理器的信号输入端相连，MCU处理器输出完整周波的采样信号。
本发明的DMA控制器上设有两块DMA缓存区，各DMA缓冲区分别分配一个DMA通道，每个DMA缓冲区能够缓存128个采样点，通过DMA方式将AD采样单元采样的数据传送至DMA控制器，双DMA通道中，当一个DMA通道缓存满，切换到另一个DMA通道。
本发明的低压配电网内待测配电线路的火线L、零线N与AD采样单元之间串接过流过压保护电路、PT隔离电路和Π型滤波器。
本发明的数字滤波器采用限幅滤波和一阶RC滤波相结合的方法，它包括以下步骤：限幅滤波的步骤：设定连续两次采样值允许的最大偏差值A，如果本次采样值与上次采样值之差小于或等于A，则本次采样值有效；如果大于A，则本次采样值无效，用上次采样值代替本次采样值；
一阶RC滤波的步骤：将本次采样数字滤波输出与上次采样数字滤波输出采用下述公式进行加权，得到有效滤波值；
Y(n) = a×X(n)+(1-a)Y(n-1)
其中：Y(n)为本次采样数字滤波输出值，a为滤波系数，取值0～1；X(n)为本次采样值限幅滤波后的输出值；Y(n-1)为上次采样数字滤波输出值。
本发明的滤波系数a取值0.8。
本发明的MCU处理器对滤波后的采样数据进行过零点检测，该方法采用如下步骤：
（1）、在滤波后的采样数据中查找第一个过零点，并记录采样数据的变化趋势，包括上升趋势或下降趋势；
（2）、对于第一个过零点，以固定周波偏移量d，在偏移量d内顺序查找下一个反趋势过零点，然后再偏移d，在偏移量d内顺序查找下一个相同趋势过零点，如果找到连续三个过零点，则为一个完整的周波，记录前述周波；如果没有找到连续三个过零点，则没有一个完整周波，删除头部偏移量d个采样点，重新查找；
找到一个完整的周波后，删除该周波的所有采样点，继续查找下个周波，如果剩余数据不是一个完整周波，数据保留，等待新的A/D采样点填充，然后再查找。
本发明的查找过零点的方法是：电压信号为某一固定频率正弦波，基于0点两侧，采样数据的变化趋势相反，其一侧幅值全大于0点幅值，另一侧幅值则全低于0点幅值的原则，查找波形的过零点。
本发明的固定周波偏移量d适应工频频率的偏差，小于1/2周波。
本发明的固定周波偏移量d为1/3周波。
本发明的DMA控制器是集成在MCU处理器内部的装置或者MCU处理器外部的独立器件。
本发明的有益效果：
本发明首先通过双通道DMA实时动态切换，保证了A/D采样速率与采样精度，后续通过系列数字滤波方法，完成对采样波行的滤波平滑处理，进一步确保采样信号的精确度，滤波后的采样数据，加入循环存储缓冲区，确保所有采样点的完整性，然后进行过零点检测，得到完整周波后再进行相关运算。采样、滤波、运算异步进行，充分保证采样的实时性以及运算的效率，具有高可靠性，同时该方法基于常规的32位嵌入式处理器，均带有多路DMA控制器，A/D采样芯片可以根据系统需要，可选MCU内置A/D采样或外置A/D采样芯片均可，可以很好的控制整机设备的成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的A/D采样流程图。
图3是本发明的数字滤波处理流程图。
图4是本发明的过零检测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种低成本快速高精度交流电压信号采样系统，它包括MCU处理器（型号可为STM32F207）、AD采样单元（型号可为MAX197）、DMA控制器（STM32F207内置）、数字滤波器（型号可为AN-344），所述的DMA控制器上设有两个DMA通道和对应的两块DMA缓存区，AD采样单元的信号输入端与低压配电网内待测配电线路的的火线L、零线N相连，AD采样单元的两信号输出端分别通过两个DMA通道发送至DMA控制器的相应缓存区，DMA控制器的信号输出端与数字滤波器的信号输入端相连，数字滤波器的信号输出端与MCU处理器的信号输入端相连，MCU处理器输出完整周波的采样信号。
本发明的DMA控制器上设有两块DMA缓存区，各DMA缓冲区分别分配一个DMA通道，每个DMA缓冲区能够缓存128个采样点，通过DMA方式将AD采样单元采样的数据传送至DMA控制器，双DMA通道中，当一个DMA通道缓存满，切换到另一个DMA通道。
本发明的低压配电网内待测配电线路的火线L、零线N与AD采样单元之间串接过流过压保护电路（型号可为复合压敏保护器213F）、PT隔离电路（型号可为申科1HKW.505.062.2）和Π型滤波器（LC滤波电路）。
本发明的方法，可采用单片高精度A/D对电压通道进行模拟量采样，双通道DMA，每通道配置独立的128采样点缓冲区，配置A/D芯片，DMA使能，当一个ADC转换完成，发出ADC DMA请求；DMA接收一次数据后，设备地址禁止后移，关闭接收一次数据后，目标内存地址后移，设置DMA循环写入模式，BUF写满后，触发中断，切换到另外一个DMA通道用于储存A/D采样数据，双DMA通道交替存取，数据传输完全由DMA控制器控制，不占用CPU时间，不但大大提高了数据采集的速度，而且弥补了数据采集中可能丢失数据的缺陷。A/D采样流程见附图2。
一个DMA缓冲区存储满后，由后台程序将128点采样数据拷贝至后台缓冲区，DMA缓冲区在另一DMA通道存储满后，继续接受A/D转换数据。后台多任务系统协同完成数据采样处理。后台数字滤波任务对此128采样点执行数字滤波运算，先执行限幅滤波，过滤脉冲干扰，然后执行一阶RC滤波，消除周期性干扰，对采样波形做平滑处理，然后将滤波后的采样数据存储到运算循环缓冲区，由后台运算任务执行相关运算。数字滤波流程见附图3。
后台运算任务从循环缓冲区起始位置开始，执行过零检测，连续三次过零检测成功，并且相临两个过零点方向相反，即得到一个完整周波，然后执行FFT运算或均方根等运算，运算完毕，从缓冲区移走当前周波数据，继续处理下一个周波，直到缓冲区数据全部处理完毕。过零检测及运算流程见附图4。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是它包括AD采样单元、DMA控制器、数字滤波器和MCU处理器，所述的DMA控制器上设有两个DMA通道和对应的两块DMA缓存区，AD采样单元的信号输入端与低压配电网内待测配电线路的的火线L、零线N相连，AD采样单元的两信号输出端分别通过两个DMA通道发送至DMA控制器的相应缓存区，DMA控制器的信号输出端与数字滤波器的信号输入端相连，数字滤波器的信号输出端与MCU处理器的信号输入端相连，MCU处理器输出完整周波的采样信号。
2.根据权利要求1所述的低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是DMA控制器上设有两块DMA缓存区，各DMA缓冲区分别分配一个DMA通道，每个DMA缓冲区能够缓存128个采样点，通过DMA方式将AD采样单元采样的数据传送至DMA控制器，双DMA通道中，当一个DMA通道缓存满，切换到另一个DMA通道。
3.根据权利要求1所述的低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是低压配电网内待测配电线路的火线L、零线N与AD采样单元之间串接过流过压保护电路、PT隔离电路和Π型滤波器。
4.根据权利要求1所述的低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是数字滤波器采用限幅滤波和一阶RC滤波相结合的方法，它包括以下步骤：限幅滤波的步骤：设定连续两次采样值允许的最大偏差值A，如果本次采样值与上次采样值之差小于或等于A，则本次采样值有效；如果大于A，则本次采样值无效，用上次采样值代替本次采样值；
一阶RC滤波的步骤：将本次采样数字滤波输出与上次采样数字滤波输出采用下述公式进行加权，得到有效滤波值；
Y(n) = a×X(n)+(1-a)Y(n-1)
其中：Y(n)为本次采样数字滤波输出值，a为滤波系数，取值0～1；X(n)为本次采样值限幅滤波后的输出值；Y(n-1)为上次采样数字滤波输出值。
5.根据权利要求4所述的低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是滤波系数a取值0.8。
6.根据权利要求1-5之一所述的低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是MCU处理器对滤波后的采样数据进行过零点检测，该方法采用如下步骤：
（1）、在滤波后的采样数据中查找第一个过零点，并记录采样数据的变化趋势，包括上升趋势或下降趋势；
（2）、对于第一个过零点，以固定周波偏移量d，在偏移量d内顺序查找下一个反趋势过零点，然后再偏移d，在偏移量d内顺序查找下一个相同趋势过零点，如果找到连续三个过零点，则为一个完整的周波，记录前述周波；如果没有找到连续三个过零点，则没有一个完整周波，删除头部偏移量d个采样点，重新查找；
找到一个完整的周波后，删除该周波的所有采样点，继续查找下个周波，如果剩余数据不是一个完整周波，数据保留，等待新的A/D采样点填充，然后再查找。
7.根据权利要求6所述的低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是查找过零点的方法是：电压信号为某一固定频率正弦波，基于0点两侧，采样数据的变化趋势相反，其一侧幅值全大于0点幅值，另一侧幅值则全低于0点幅值的原则，查找波形的过零点。
8.根据权利要求6所述的低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是固定周波偏移量d适应工频频率的偏差，小于1/2周波。
9.根据权利要求6所述的低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是固定周波偏移量d为1/3周波。
10.根据权利要求1所述的低成本快速高精度交流电压信号采样系统，其特征是DMA控制器是集成在MCU处理器内部的装置或者MCU处理器外部的独立器件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Qidong City, Jiangsu province 226200 Nantong City Lin Yang Lu No. 666 Applicant after: JIANGSU LINYANG ENERGY CO., LTD. Applicant after: Nanjing Linyang Electric Power Technology Co.,Ltd. Address before: 210019, the 2 floor of Metro Science Park, No. 69 Olympic Sports Avenue, Jianye District, Jiangsu, Nanjing Province, China, 5 Applicant before: Jiangsu Linyang Electronics Co., Ltd. Applicant before: Nanjing Linyang Electric Power Technology Co.,Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |