CN106100782A - 一种信号同步采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号同步采集系统，由多个信号采集仪和一个主控制器构成，每个信号采集仪记录其采集的信号，并经A/D转换成数字信号传送给主控器处理。主控制器和信号采集仪之间通过电力网线通信，通信期间信号采集仪依靠并接于单片机电源滤波电容的可充电电池供电。

Description

一种信号同步采集系统

(一)技术领域：

本发明涉及一种信号同步采集系统，由多个信号采集仪和一个主控制器构成，每个信号采集仪记录其采集的信号，并经A/D转换成数字信号传送给主控器处理。主控制器和信号采集仪之间通过电力网线通信，通信期间信号采集仪依靠并接于单片机电源滤波电容的可充电电池供电。

(二)背景技术：

由电力网提供电源的控制系统，其各电子设备或模块间都是通过专用线路通信，来纠正各电子设备或电子模块的计时时间，达到同步运行目的。由于采用专用线路通信使布线复杂化并增加成本，如果计时时间不通过线路通信纠正，则由于传统计时误差，运行数小时后，其累积计时误差会使系统控制动作不一致，可能造成系统崩溃，在一些经常变更设计，布线工程量大的场合其产品应用受到限制。

(三)发明内容：

本发明涉及一种信号同步采集系统，由多个信号采集仪和一个主控制器构成，每个测量位置设置一个信号采集仪，每个信号采集仪包含一个或数个测量该信号的传感器，信号采集仪记录其采集的信号，并经A/D转换成数字信号，在设定的同步时间传送给主控制器处理。各信号采集仪和主控制器均接于同一电力网线上，在总开关之后安装一个电子开关，主控制器交流电源接于电子开关与总开关之间，在主控制器和每个信号采集仪的通信电路中各安装一个通信电子开关，每个信号采集仪的交流电源输入端设置隔离电子开关。通信时，主控制器关断电子开关并接通其通信电子开关，各信号采集仪也在设定的同步时间检测不到电力网周波信号时，接通各自通信电子开关，关断隔离电子开关，通过电力网线通信，通信结束后，关断所有通信电子开关，再接通电子开关和隔离电子开关，这时，同步计时器清零后重新开始计时并获得纠正，以保持系统同步，并记同步计时的累加值，通信期间依靠并接于单片机电源滤波电容的可充电电池供电，并经二极管与原整流电路隔离，可充电电池的充电电路，具备充电保护功能。各信号采集仪的面板装有3至5只不同颜色LED，信号采集仪在刚开机后的一段设定时间，依序显示不同颜色LED组合(例如：红、绿、蓝、红绿、蓝绿、红蓝、红绿蓝)，各组合均与编号的号码对应，选择显示不同颜色LED组合时，关机得到相对应的编号并保存，它是在编号时段当检测不到电网周波信号时，单片机依靠其电源电容的储能将编号数据存入非易失存储器中。

本发明利用电力网周波的正半周上升段，取三个甄别点实现对周波信号的识别判定，再利用周波时间建立同步时间，实现系统中主控制器和各信号采集仪的同步运行。

主控制器和各信号采集仪的周波甄别电路结构示意图如图2所示，由二个采用滞回比较器的电压比较器组成，每个电压比较器中均包含滤波电路，其电压比较器的基准电压由稳压电路提供。系统设置时钟计时器和同步计时器。如果检测到相临的两个周波信号均为真，则取出该两个相邻的周波信号过零之间的时钟计时器计时时间，按序存入周波时间存储单元中，该周波时间存储单元可存放100个周波时间，存满时每存入一个周波时间，均先移除最先存入的一个周波时间，并计算存入的周波时间的平均值Tz并保存，利用Tz值鉴别待识别周波信号，以降低电力网频率波动的影响，同时采用三个甄别点降低误判可能性。

二个比较器分别用于甄别点1、甄别点2，如图1所示。在周波正半周上升段的周波过零处，即甄别点0设置电压过零检测模块，它采用周波正半波信号经电阻分压、二极管进一步隔离负半周、信号调理后送入D触发器的时钟端CLK，D触发器的Q端接单片机外部中断口，该外部中断口设置成电平触发，D触发器的D端接地，S端接单片机I/O口，平时该I/O口置1。当周波正半波过零信号到来时，紧接其后的周波信号上升沿使D触发器Q端为0，单片机外部中断口低电平，从而产生中断，在中断服务程序中执行指令：所述I/O口置0、关中断、计时、所述I/O口置1、开中断。其余二个比较器分别设置在周波正半周上升段，峰值电压的35％至50％处的甄别点1和50％至70％处的甄别点2。

周波信号判定：单片机在设定时间开中断后，时钟计时器清零并开始计时，当周波电压过零时，设置在甄别点0的电压过零检测模块V0中D触发器的输出电压跳变为零，产生中断，记录其过零点中断时间Th0；此后，单片机扫描甄别点1处电压比较器﹙V1﹚的输出电压，当周波电压达到﹙V1﹚的阈值电压时，输出电压从高到低跳变，扫描记录其跳变时间Th1；同样扫描记录甄别点2处电压比较器﹙V2﹚输出电压跳变时间Th2，将Th0与电压过零检测模块V0的输出电压跳变时间设定值Ts0作比较；Th1与电压比较器﹙V1﹚的输出电压跳变时间设定值Ts1以及Th2与电压比较器﹙V2﹚的输出电压跳变时间设定值Ts2分别作比较，如果在允许误差范围内，则检测到的该甄别信号为真，否则为假。上述判定甄别信号为真时，计算本次周波信号过零与相邻前一次甄别信号为真时的周波信号过零间的时钟计时器计时时间Tzu，将其与周波时间的平均值Tz作比较，如果不超过设定周波时间误差Tzv则周波信号为真，这时保存Tzu并取20ms与同步计时器计时时间相加，将相加的值存入同步计时器中。

当时钟计时器以周波电压过零开始计时，则计时到16ms至18.5ms间的开中断时间设定值Tk时开中断，时钟计时器计时到25ms至27ms间的关中断时间设定值Tn时关中断。

系统开机后，时钟计时器开始计时，当检测到第一个周波电压过零时，设置在甄别点0的电压过零检测模块V0的输出电压跳变，从而产生中断，取出周波电压过零点的时间T0保存，将时钟计时器清零并开始计时，这时周波电压过零时间Th0为0，同时单片机按上述方法扫描并判定甄别信号。由于检测的是第一个周波，时钟计时器是在周波电压过零时开始计时，其Th0、Th1和Th2的值均须加上周波时间20ms减去开中断时间设定值Tk的差值，如果三个甄别信号为真，取出的周波电压过零点的时间T0作为初始时间存入同步计时器中，下一次即第一次开中断时间取Tk。否则为假时，此时时钟计时器时间须加上T0，继续检测。

当检测到第一个和相邻的第二个周波电压过零时，由于未保存检测的周波时间，因此两次周波信号过零间的时钟计时器计时时间是与周波时间20ms作比较，判定周波信号为真时，则是取20ms减Th0的差值与同步计时器计时时间相加，即第一次保存标准周波时间20ms，需扣除其Th0值，这是因为此后每次检测到周波信号为真时，均在开中断时将时钟计时器清零后重新开始计时，并且是在开中断时将标准周波时间计入同步计时器中,开中断后时钟计时器清零，否则判定周波信号为假时，此时时钟计时器时间须加上T1＝T0+Tk，继续按上述方法重新检测第一个周波。当检测第一个周波信号为真后，恢复以上所述的周波信号判定。

如图1所示，如果检测到周波信号为假，下一次开中断时间均在本次开中断时间后，经延时周波时间的平均值Tz时开中断，并在开中断后延时Tns时关中断，设置关中断时间是当周波信号在甄别点0时没有产生中断，这时须在超过Ts0允许误差范围的设定时间点开始扫描，以及扫描甄别点1和甄别点2时，电压比较器输出电压没有产生跳变，都在关中断时间Tns关中断和停止扫描，Tns为:

Tns＝Tn－Tk

如果检测到周波信号为真，则下一周波开中断时间Tks为:

Tks＝Tk+Th0

即从第一次开中断时间取Tk之后，时钟计时器均是计时到Tks开中断，并清零后重新开始计时，计时到Tns时关中断，从而使同步计时器时间受到周波电压过零时间的纠正。

重复上述过程。如果所述检测到的上一周波信号为真，本周波判定时，甄别信号为假，或检测到的周波时间与周波时间的平均值Tz比较超过设定周波时间误差Tzv，或时钟计时器计时到关中断时间设定值Tns时，电压过零检测模块V0输出电压未跳变，没有产生中断，则在时钟计时器计时到Tns时关中断，这时记未计周波数N为1并存储，下一次开中断时间是在上次开中断时间经过Tz后开中断，此后每次判定周波信号真伪，如为假或本次检测甄别信号虽为真但上次为假，则取N，将N+1后回存于存储器，时钟计时器在开中断后不清零继续计时，这时，设定的下一周波开中断时间暂时改用开中断时间临时设定值Tkz：

Tkz＝(N+1)×Tz

同时，下一周波关中断时间暂时改用关中断时间临时设定值Tnz：

Tnz＝Tkz+Tns

当时钟计时器计时到Tkz后，扫描甄别点的时间可通过简单计算获得。如果这时检测到周波信号为真，则取出存储器中N保存，并将存储器中N置零，使时钟计时器计时值Ts为：(Ts－Tkz)→Ts，这时取(N+1)×20ms的值加于同步计时器中，并恢复使用设定值Tks与Tns，恢复时钟计时器在开中断后清零。

系统同步时间为同步计时器的时间，再加上当前正在计时的时钟计时器的时间。

判定甄别点信号真伪时，Th0、Th1、Th2是通过与电压比较器输出电压跳变时间设定值Ts0、Ts1、Ts2作比较看是否超差，来判定甄别点信号真伪，可以选择：Th0、Th1、Th2均为真时该周波甄别信号为真，或者Th0为真，同时Th1、Th2之一为真时，或者Th1、Th2为真时，该周波甄别信号为真，视对判定周波信号真伪不同要求而定。

如果电力网故障，当N大于25至70间的一个设定值时，由于系统中主控制器和各信号采集仪，其检测的Tz值和N值可能不同，这时，电力网频率累积误差，可能造成同步计时器时间无法通过检测到真实周波信号时得到纠正，当检测到周波信号为真时，采用时钟计时器在Tkz处的计时值直接加于同步计时器中，以减少系统的不同步时间，电力网正常运营情况下N远小于25。

允许的周波时间误差Tzv和电压比较器输出电压的翻转时间设定值，由试验评估取其平均值获得。

(四)附图说明：

图1是周波甄别数据关系示意图；

图2是周波甄别电路结构示意图；

图3是一种信号同步采集系统的电路结构方框图。

(五)具体实施方式：

图3是一种信号同步采集系统的电路结构方框图，包括:主控制器﹙10﹚、通信电子开关﹙11﹚、周波甄别电路﹙12﹚、信号采集仪﹙13﹚、传感器﹙14﹚、电子开关﹙15﹚，其中通信电子开关﹙11﹚、周波甄别电路﹙12﹚和图2中单片机﹙U0﹚均分别包含在信号采集仪﹙13﹚与主控制器﹙10﹚中。通信电子开关﹙11﹚和电子开关﹙15﹚均使用双向可控硅作为开关。

图2是周波甄别电路﹙12﹚的结构示意图，由：输入电路﹙S0﹚、电压过零检测模块﹙V0﹚、电压比较器﹙V1﹚和电压比较器﹙V2﹚构成。单片机﹙U0﹚是指信号采集仪﹙13﹚与主控制器﹙10﹚中的单片机。输入电路﹙S0﹚用于将电力网交流电压通过电阻和二极管的分压，转换为电压比较器合适的稳定的输入电压。电压比较器﹙V1﹚、电压比较器﹙V2﹚均使用专用的电压比较器LM393，单片机﹙U0﹚采用89C55WD，其基准电压是采用稳压管的稳压电路来稳定电压比较器的阈值电压。当电力网交流电压周波信号过零时，电压过零检测模块﹙V0﹚的输出电压跳变，单片机﹙U0﹚产生中断，记录中断时间，同时单片机﹙U0﹚还用于扫描电压比较器﹙V1﹚和电压比较器﹙V2﹚的输出电压，当输出电压跳变时记录跳变时间，用于判定电力网周波信号从而产生同步时间。

Claims (2)

1.本发明涉及一种信号同步采集系统,其特征是，信号采集仪记录其采集的信号，在设定的同步时间传送给主控制器处理，各信号采集仪和主控制器均接于同一电力网线上，在总开关之后安装一个电子开关，主控制器交流电源接于电子开关与总开关之间，在主控制器和每个信号采集仪的通信电路中各安装一个通信电子开关，每个信号采集仪的交流电源输入端设置隔离电子开关，通信时，主控制器关断电子开关并接通其通信电子开关，各信号采集仪也在设定的同步时间检测不到电力网周波信号时，接通各自通信电子开关，关断隔离电子开关，通过电力网线通信，通信结束后，关断所有通信电子开关，再接通电子开关和隔离电子开关，这时，同步计时器清零后重新开始计时并获得纠正，以保持系统同步，并记同步计时的累加值，通信期间依靠并接于单片机电源滤波电容的可充电电池供电；各信号采集仪的面板装有3至5只不同颜色LED，信号采集仪在刚开机后的一段设定时间，依序显示不同颜色LED组合选择显示不同颜色LED组合时，关机得到相对应的编号并保存，它是在编号时段当检测不到电网周波信号时，单片机依靠其电源电容的储能将编号数据存入非易失存储器中；

周波甄别电路是利用电力网周波的正半周上升段，取三个甄别点实现对周波信号的识别判定，再利用周波时间建立同步时间，系统设置时钟计时器和同步计时器，如果检测到相临的两个周波信号均为真，则取出该两个相邻的周波信号过零之间的时钟计时器计时时间，按序存入周波时间存储单元中，存满100个周波时间时每存入一个周波时间，均先移除最先存入的一个周波时间，并计算存入的周波时间的平均值Tz，利用Tz值鉴别待识别周波信号；

二个比较器分别用于甄别点1、甄别点2，在周波正半周上升段的周波过零处，即甄别点0设置电压过零检测模块，它采用周波正半波信号经电阻分压、二极管进一步隔离负半周、信号调理后送入D触发器的时钟端CLK，当周波正半波过零信号到来时，紧接其后的周波信号上升沿使D触发器Q端为0，单片机外部中断口低电平，从而产生中断，其余二个比较器分别设置在周波正半周上升段，峰值电压的35％至50％处的甄别点1和50％至70％处的甄别点2；

周波信号判定：单片机在设定时间开中断后，时钟计时器清零并开始计时，当周波电压过零时，设置在甄别点0的电压过零检测模块中D触发器的输出电压跳变为零，产生中断，记录其过零点中断时间Th0；此后，单片机扫描甄别点1处电压比较器﹙V1﹚的输出电压，当周波电压达到电压比较器﹙V1﹚的阈值电压时，输出电压从高到低跳变，扫描记录其跳变时间Th1；同样扫描记录甄别点2处电压比较器﹙V2﹚输出电压跳变时间Th2，所述跳变时间如果在允许误差范围内，则检测到的该甄别信号为真，否则为假，上述判定甄别信号为真时，计算本次周波信号过零与相邻前一次甄别信号为真时的周波信号过零间的时钟计时器计时时间Tzu，将其与周波时间的平均值Tz作比较，如果不超过设定周波时间误差Tzv则周波信号为真，这时保存Tzu并取20ms与同步计时器计时时间相加，将相加的值存入同步计时器中；

当时钟计时器以周波电压过零开始计时，则计时到16ms至18.5ms间的开中断时间设定值Tk时开中断，时钟计时器计时到25ms至27ms间的关中断时间设定值Tn时关中断；

当检测到第一个周波电压过零时，设置在甄别点0的电压过零检测模块的输出电压跳变，从而产生中断，取出周波电压过零点的时间T0保存，将时钟计时器清零并开始计时，这时周波电压过零时间Th0为0，单片机按上述方法扫描并判定甄别信号，其Th0、Th1和Th2的值均须加上周波时间20ms减去开中断时间设定值Tk的差值，如果三个甄别信号为真，取出的周波电压过零点的时间T0作为初始时间存入同步计时器中，下一次即第一次开中断时间取Tk，否则为假时，此时时钟计时器时间须加上T0，继续检测；

当检测到第一个和相邻的第二个周波电压过零，判定周波信号为真时，则是取20ms减Th0的差值与同步计时器计时时间相加，开中断后时钟计时器清零，否则判定周波信号为假时，此时时钟计时器时间须加上T1＝T0+Tk，继续按上述方法重新检测第一个周波，当检测第一个周波信号为真后，恢复以上所述的周波信号判定；

如果检测到周波信号为假，下一次开中断时间均在本次开中断时间后，经延时周波时间的平均值Tz时开中断，并在开中断后延时Tns时关中断，设置关中断时间是当周波信号甄别为假时，在关中断时间Tns关中断和停止扫描，Tns为:

Tns＝Tn－Tk

如果检测到周波信号为真，则下一周波开中断时间Tks为:

Tks＝Tk+Th0

即从第一次开中断时间取Tk之后，时钟计时器均是计时到Tks开中断，并清零后重新开始计时，计时到Tns时关中断；

重复上述过程，如果所述检测到的上一周波信号为真，本周波判定时，甄别信号为假，则在时钟计时器计时到Tns时关中断，这时记未计周波数N为1并存储，下一次开中断时间是在上次开中断时间经过Tz后开中断，此后每次判定周波信号真伪，如为假或本次检测甄别信号虽为真但上次为假，则取N，将N+1后回存于存储器，时钟计时器在开中断后不清零继续计时，这时，设定的下一周波开中断时间暂时改用开中断时间临时设定值Tkz：

Tkz＝(N+1)×Tz

同时，下一周波关中断时间暂时改用关中断时间临时设定值Tnz：

Tnz＝Tkz+Tns

当时钟计时器计时到Tkz后，如果这时检测到周波信号为真，则取出存储器中N保存，并将存储器中N置零，使时钟计时器计时值Ts为：(Ts－Tkz)→Ts，这时取(N+1)×20ms的值加于同步计时器中，并恢复使用设定值Tks与Tns，恢复时钟计时器在开中断后清零；

系统同步时间为同步计时器的时间，再加上当前正在计时的时钟计时器的时间；

判定甄别点信号真伪时，选择：Th0、Th1、Th2均为真时该周波甄别信号为真，或者Th0为真，同时Th1、Th2之一为真时，或者Th1、Th2为真时，该周波甄别信号为真，视对判定周波信号真伪不同要求而定，如果N大于25至70间的一个设定值时，采用时钟计时器在Tkz处的计时值直接加于同步计时器中。

2.根据权利要求1所述的一种信号同步采集系统,其特征在于包括:

主控制器﹙10﹚、通信电子开关﹙11﹚、周波甄别电路﹙12﹚、信号采集仪﹙13﹚、传感器﹙14﹚、电子开关﹙15﹚，其中单片机﹙U0﹚和通信电子开关﹙11﹚、周波甄别电路﹙12﹚均分别包含在信号采集仪﹙13﹚与主控制器﹙10﹚中；

周波甄别电路﹙12﹚包含：输入电路﹙S0﹚、电压过零检测模块﹙V0﹚、电压比较器﹙V1﹚和电压比较器﹙V2﹚构成；输入电路﹙S0﹚用于将电力网交流电压通过电阻和二极管的分压，转换为电压比较器合适的稳定的输入电压，电压比较器﹙V1﹚、电压比较器﹙V2﹚均使用专用的电压比较器。