CN110187237B - 实时检测并调整晶振输出频率的电网同步采集方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及同步分布式测试仪器领域，公开了一种检测并调整晶振输出频率的电网同步采集方法及其装置，包括步骤1：实时调整晶振输出频率；步骤2：计算采样频率；步骤3：多通道同步采集电网数据；步骤4：离散傅里叶变换进行信号处理；该方法对应的装置包括主控芯片、采集芯片、GPS模块、外部晶振以及前端驱动差分放大器，主控芯片通过判断外部晶振以及GPS的抖动情况，实时更新晶振输出频率，使采样频率更加准确，采样数据更精准。本发明在GPS抖动或者外部晶振出现老化或者外部环境影响出现偏差时及时检测调整晶振输出频率，使电网同步采集数据更精准。

Description

实时检测并调整晶振输出频率的电网同步采集方法及其装置
技术领域
本发明涉及同步分布式测试仪器领域，特别涉及电网相量测量终端同步方法，具体涉及一种实时检测并调整晶振输出频率的电网同步采集方法及其采集装置。
背景技术
智能电网是一个分布式电网，需要解决分布于不同地点的各种能源的并网发电，它将对整个电网安全测试与控制提出更多要求，其中位于不同地点的发电－变电－配电站之间的同步监测与控制就是必须解决的问题之一。远程同步技术较早是用无线电信号，随着GPS同步技术出现后，开始使用GPS提供的PPS时序脉冲作为同步信号，解决2个以上站之间的同步。但是依靠GPS同步是基于同步卫星数多于3的情况，同时认为本地晶振准确的条件下可以得到很好的效果。已有的方法难以解决因失星时的测量误差的明显增加，例如GPS丢星与恢复时的误差可能达到260μs，晶振的偏差会达到25μs，晶振时钟会受到器件老化、环境温度和短期扰动等因素影响，器件老化是指晶体和振荡电路长时间工作时引起的时钟漂移，环境温度变化引发晶振内部电路特性随温度变化而改变，形成温度漂移，短期扰动则是晶振时钟每次输出时的随机变化。在这些影响中器件老化是不可逆的趋势变化，温度漂移是可逆的阶段性变化，晶振随机扰动很小，一般可以忽略，因此晶振时钟稳定度较高，而准确度会受到时间与环境的影响。如果不能准确测量这些参数，算法所产生的差误将难以满足测量要求，因此需要一种可以实时检测并调整晶振输出频率的电网同步采集装置。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术中存在的问题，提供一种实时检测并调整晶振输出频率的电网同步采集方法及其装置，根据外部晶振与GPS模型互补的特性设计授时方案，实现在GPS接收正常时授时提供准确时钟，而在丢失GPS信号外部晶振授时也能得到很高的精度。
本发明的技术解决方案是：该实时检测并调整晶振输出频率的电网同步采集方法包括如下步骤：
步骤1：实时检测调整晶振输出频率值
(A)判断GPS是否丢星：在每一次同步信号到来时进入中断，读取GPS模块的星数据状况；当发现星数多于3时就认为数度不需要调整，同时用PPS测量本地时钟记录准确性；当发现星数少于3时，则要用本地时钟作为同步信号生成的采样时钟；
(B)当GPS抖动或外部晶振受时间、环境影响出现晶振输出频率出现偏差时，利用主控芯片和外部晶振实时检测调整晶振输出频率值；
步骤2：生成采样频率
GPS模块提供的1PPS上升沿用来同步，1PPS到来时主控芯片定时器复位，以消除上一秒PPS累积的误差，根据步骤1中的晶振输出频率，通过主控芯片分频得到采样频率；
步骤3：多通道高精度同步采集
采集芯片工作时，采集芯片多通道同时采样，根据步骤2中设置好的采样频率，每来一个PPS下降沿，采集芯片准备好信号触发同步采集数据一次；
步骤4：离散傅里叶变换DFT进行信号处理
将采集到的受谐波影响的交流信号通过离散傅里叶变换DFT将其基波提取出来，在每个采样周期内对交流信号进行采样，计算出相应于当前采样周期的基波向量，傅里叶变换后的各次谐波向量包括幅度和相位。
优选的，所述步骤1中，当主控芯片中的控制模块发现外部晶振受时间、环境影响出现晶振输出频率偏差时，主控芯片定时器的最大定时时间以及实际晶振输出频率为：
Figure BDA0002092652700000021
Figure BDA0002092652700000022
其中，ft为晶振输出的频率，fosc为x位主控芯片的晶振标定值，tmax为主控芯片定时器的最大定时时间，P为主控芯片系统倍频数，A1和A2为相邻两个PPS中断计数器的值；当tmax小于1秒时，定时器自动清0并且重启模式，每来一次PPS信号控制模块就对ft进行一次更新，将有效的消除晶振频率偏移对同步采样的影响。
优选的，读取GPS的PPS信号，在每一次同步PPS信号到来时进入主控芯片中断，当主控芯片控制模块发现PPS信号出现抖动时，设采用连续n个PPS秒脉冲作为时间基准，主控芯片定时器的最大定时时间以及实际晶振输出频率为：
Figure BDA0002092652700000031
Figure BDA0002092652700000032
其中，Gn是n个PPS间主控芯片定时器溢出的次数，P是主控芯片系统倍频数，A1和A2为相邻两个PPS中断计数器的值，fosc为x位主控芯片的晶振标定值，x为主控芯片位数，其中tnmax为主控芯片定时器的最大定时时间。
该实时检测并调整晶振输出频率的电网同步采集装置，它包含GPS模块、主控芯片、采集芯片、外部晶振以及前端驱动差分放大器，所述GPS模块、外部晶振与所述主控芯片信号连接，所述主控芯片与所述采集芯片信号连接，所述前端驱动差分放大器与所述采集芯片相信号连接。
优选的，所述主控芯片的型号为LPC1788。
优选的，所述采集芯片的型号为ADS1278。
优选的，还包括4G模块，所述4G模块与所述主控芯片连接，将采集到的数据通过4G模块进行无线通讯。
优选的，还包括内存容量缓存区，与所述主控芯片相连，用于临时存放采集数据。
本发明的有益效果是：
1、使用ADS1278采集芯片，多通道同时采集三相电压、三相电流以及中心点电流，实现电网数据的同步采集；
2、在主控芯片中通过接口嵌有控制模块，通过主控芯片的控制模块实时检测并调整晶振的输出频率，根据两种不同的情况实时调整；当GPS出现抖动的情况下，利用多个PPS秒脉冲作为时间的基准，加长主控芯片定时器的时间，实时调整晶振输出频率，使实际晶振输出频率更加偏向于外部晶振的标定值；当外部晶振因为环境、时间的影响出现晶振输出频率偏差时，以每次1PPS信号为基准，利用PPS信号，每来一次PPS信号就对晶振输出频率进行一次更新，这样晶振的输出频率更加趋于标定值，使得采集频率更标准，采集的数据更准确；
3、本装置还通过使用4G模块，将原来的以太网数据通讯改进成现在4G模块的无线通讯，将采集到的数据实时传输到上位机，实现实时检测作用；
4、本装置在主控芯片上增加内存容量缓存区，由于采样率特别高，数据量又比较大，无法实现每一点的离散傅里叶变换后的结果都能及时的发送，为了防止数据丢失，采用缓存的方式，扩展了主控芯片的SDRAM作为缓存区，用于存放DFT计算结果，缓存区满一次就通过4G模块传给上位机。
附图说明
图1为本发明的电网同步采集装置结构示意图；
图2为以每1PPS信号为基准的晶振输出频率实时检测调整流程图；
图3为n个1PPS秒脉冲作为时间基准的晶振输出频率实时检测调整流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的介绍，但不能理解为是对技术方案的限制，在此基础上的适应性改进皆属于本发明的保护范围。
实施例：首先判别GPS是否丢星，判别GPS是否丢星的具体方法是：GPS有两个秒脉冲输出，将第二个TIMEPLUSE2作为GPS是否正常运行的参考标准，在GPS不丢星的情况下，每秒冲的误差大概只有1us,如果出现丢星情况，每秒冲的误差就会达到55us甚至更大，因此将第二个TIMEPLUSE2信号接入LPC1788的定时器T0，假设两个PPS秒脉冲的之间为计数1000，即1000ms,定时计数器从第一个TIMEPLUSE2开始计数，到第二个TIMEPLUSE2到来时截止，如果能够计数满1000或者存在±0.1％的误差范围之内都判定为不存在丢星的情况，则采用PPS的秒脉冲作为同步时钟的信号；如果超出上述技术的范围则视为存在丢星情况，则采用实时检测输出频率的算法校准本地时钟。
如图1所示，是具有GPS同步的远程监测终端，即实时检测并调整晶振输出频率的电网同步采集装置，它包括GPS模块、主控芯片、采集芯片、外部晶振以及前端驱动差分放大器，外部晶振与主控芯片连接，三相电压电流通过互感器将交流信号以差分形式输入到前端驱动差分放大器，前端驱动差分放大器的型号为THS4524，前端驱动差分放大器THS4524获得的信号通过差分的方式输出给采集芯片ADS1278，由采集芯片ADS1278完成三相电压、三相电流及中心点电流的采集，采集芯片ADS1278包含多通道采集入口，本实施例中采用7通道同时采集，分别采集三相电压、三相电流及中心点电流，其采集时序与GPS模块产生的PPS进行同步，将GPS模块输出秒脉冲PPS的引脚接到主控芯片T2_CAP0引脚，当每来1PPS信号主控芯片LPC1788中的控制模块触发一次中断，主控芯片LPC1788中的定时器T2捕捉到PPS信号进入中断程序，主控芯片内部还有一个定时器T0，在定时器T0减到0时，定时器T0的输出TOUT产生一个时钟脉冲，把这个TOUT信号给主控芯片中的A/D数-模转换触发转换；在定时器T0中断函数中通过同步串行口发送当前时标，1PPS进入外部中断，在中断程序中要重载定时器T0，重新产生TOUT输出，同时新的1PPS到来，程序中断时间变量清0，重新开始新的计数；进入中断后主控芯片LPC1788中的控制模块通过信号控制采集芯片ADS1278开始采集数据，采集芯片ADS1278采集的数据通过SPI方式与主控芯片LPC1788通讯，采集芯片ADS1278的MCLK脚与主控芯片PWM1_6引脚相连，采集芯片ADS1278的SCLK引脚与主控芯片SSP1_SCK引脚相连，采集芯片ADS1278的DIN引脚一直为低电平，相当于采集芯片ADS1278一直被主控芯片LPC1788使能控制，采集芯片ADS1278的数据输出口DOUT1脚与主控芯片SSP1_MISO引脚连接，采集芯片ADS1278数据准备好信号DRDY与主控芯片的普通I/O口连接，采集芯片ADS1278的MODE[1:0]和FORMAT[2:0]与主控芯片的普通I/O连接，采集芯片ADS1278的MODE[1:0]控制ADS1278的工作模式为高速模式，FORMAT[2:0]控制ADS1278的数据输出的方式为SPI模式，利用主控芯片和高精度的外部晶振产生全网同步且频率可调的采样触发脉冲即采集芯片ADS1278的采样频率，该采样频率要在一个采样周期内将所有数据读走，每当数据准备好DRDY信号来时同步采集数据一次，再将采集的数据通过离散傅里叶变换DFT进行信号处理，将采集到的受谐波影响的交流信号通过离散傅里叶变换DFT将其基波提取出来，在每个采样周期内对交流信号进行采样，计算出相应于当前采样周期的基波向量，傅里叶变换后的各次谐波向量包括幅度和相位；GPS同步每次采样点，就测得各个测量单元每一个相同时刻的相位。
由于采样频率特别高，数据量又比较大，无法实现每一点的离散傅里叶变换DFT后的结果都能及时的发送，因此采用缓存的方式，扩展了主控芯片的SDRAM作为缓存区，采用两片W9825G6DH并联组成64M的内存容量缓存区，与主控芯片连接，用于存放DFT计算结果，缓存区满一次就传给上位机，发送结束又继续计算存储。
本装置还包括一个4G模块，4G模块采用SIM7600CE，4G模块的发送数据接口TXD与接收数据接口RXD分别与主控芯片的U1_TXD脚连接，将原来的以太网数据通讯改进成现在4G模块的无线通讯，采用SIM7600CE模块在硬件上得以升级，通过串口的形式实现终端与上位机无线数据通讯。
本装置主控芯片LPC1788的存储程序代码量较大，采用K9F1G08U0A扩展FLASHROOM用来存储程序代码，其与主控芯片LPC1788连接。
在本实施例中，外部晶振就是普通的12M晶振，就是普通的无源晶振，使用石英晶振直插两脚HC-49S无源钟振晶体12MHz，其与主控芯片LPC1788的XTAL1和XTAL2引脚连接。
在采集芯片ADS1278工作时，其采样频率尤其重要，能不能将数据在采样周期内全部读走取决于采集芯片的采样频率MCLK，而采样频率MCLK由主控芯片和高精度的外部晶振产生，因此外部晶振的正常工作尤为重要，但是外部晶振随着工作时间增加和外界环境的温度变化，输出的频率将偏离标定值；而基于GPS的PPS信号作为同步采样信号，外部晶振的输出频率直接决定同步采样的间隔，如果实时检测晶振输出频率，则能提高采样间隔控制的准确性。
短期内晶振输出的频率是正常的，设外部晶振输出的频率ft，以每次1PPS信号为基准，测量相邻两个1PPS信号之间的脉冲数得到主控芯片定时器T0的计数频率，定时器T0计数的频率是由外部晶振经过倍频得到的，所以外部晶振的工作频率等于计数器T0频率除以倍频数；由此设x位主控芯片的晶振标定值为fosc，定时器T0的最大定时时间为tmax，
Figure BDA0002092652700000061
式中，P为主控芯片系统倍频数；当tmax小于1秒时，定时器T0自动清0并且重启模式；以PPS信号的上升沿为外部中断信号，读取相邻两个PPS中断计数器的值为A1和A2，则外部晶振的实际输出频率为：
Figure BDA0002092652700000062
其中G为主控芯片定时器T0溢出重启的次数，P为主控芯片系统倍频数，A1和A2为相邻两个PPS中断计数器的值；利用PPS信号，每来一次PPS信号就对ft进行一次更新，将有效的消除晶振频率偏移对同步采样的影响，如图2所示，对晶振的输出频率进行实时检测的流程图。
而实际中PPS信号也会存在一定的误差，短期内PPS会有一些抖动，为了减少PPS短期内的抖动对晶振的影响，利用多个PPS秒脉冲作为时间的基准，也就是将主控芯片定时器T0的时间延长；设采用连续n个PPS秒脉冲作为时间基准，那么晶振实际输出频率为：
Figure BDA0002092652700000071
其中Gn是n个PPS间定时器T0溢出的次数，如图3，n个1PPS秒脉冲作为时间基准，加长定时器T0的时间，算出晶振的实时频率的流程图，其中tnmax为n乘以tmax，当tnmax小于n秒时，定时器T0自动清0并且重启模式。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.实时检测并调整晶振输出频率的电网同步采集方法，其特征是所述同步采集方法包括如下步骤：
步骤1：实时检测调整晶振输出频率值
(A)判断GPS是否丢星：在每一次同步信号到来时进入中断，读取GPS模块的星数据状况；当发现星数多于3时就认为数度不需要调整，同时用PPS测量本地时钟记录准确性；当发现星数少于3时，则要用本地时钟作为同步信号生成的采样时钟；
(B)当GPS抖动或外部晶振受时间、环境影响导致晶振输出频率出现偏差时，利用主控芯片与外部晶振实时检测调整晶振输出频率值；
读取GPS的PPS信号，在每一次同步PPS信号到来时进入主控芯片中断，当主控芯片控制模块发现PPS信号出现抖动时，设采用连续n个PPS秒脉冲作为时间基准，主控芯片定时器的最大定时时间以及实际晶振输出频率为：
Figure FDA0002652096710000011
Figure FDA0002652096710000012
其中，Gn是n个PPS间主控芯片定时器溢出的次数，P是主控芯片系统倍频数，A1和A2为相邻两个PPS中断计数器的值，fosc为x位主控芯片的晶振标定值，x为主控芯片位数，其中tnmax为主控芯片定时器的最大定时时间；
当主控芯片中的控制模块发现外部晶振受时间、环境影响出现晶振输出频率偏差时，主控芯片定时器的最大定时时间以及实际晶振输出频率为：
Figure FDA0002652096710000013
Figure FDA0002652096710000014
其中，ft为晶振输出的频率，fosc为x位主控芯片的晶振标定值，tmax为主控芯片定时器的最大定时时间，P为主控芯片系统倍频数，A1和A2为相邻两个PPS中断计数器的值；当tmax小于1秒时，定时器自动清0并且重启模式，每来一次PPS信号控制模块就对ft进行一次更新，将有效的消除晶振频率偏移对同步采样的影响；
步骤2：生成采样频率
GPS模块提供的1PPS上升沿用来同步，1PPS到来时主控芯片定时器复位，以消除上一秒PPS累积的误差，根据步骤1中的晶振输出频率，通过主控芯片分频得到采样频率；
步骤3：多通道高精度同步采集
采集芯片工作时，采集芯片多通道同时采样，根据步骤2中设置好的采样频率，每来一个PPS下降沿，采集芯片准备好信号触发同步采集数据一次；
步骤4：离散傅里叶变换DFT进行信号处理
将采集到的受谐波影响的交流信号通过离散傅里叶变换DFT将其基波提取出来，在每个采样周期内对交流信号进行采样，计算出相应于当前采样周期的基波向量，傅里叶变换后的各次谐波向量包括幅度和相位。
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