CN112946355A - 一种配电终端pwm模拟采样系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种配电终端PWM模拟采样系统及方法，涉及配电自动化技术领域。该配电终端PWM模拟采样系统包括处理模块和采样模块，处理模块生成的PWM脉冲信号的波形周期是等间隔的，采样模块根据接收到PWM脉冲信号进行采样，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，每一个波形周期进行一次采样，因此不会存在中断延迟的情况，进而采样就不会受到中断延迟的影响，从而采样得到的采样数据就不会有偏差，保证了采样数据的精准性，提高了数据的有效性，从而提高了采样精度。也不需要在采样中断后手动启动采样，提高了采样的效率。

Description

一种配电终端PWM模拟采样系统及方法

技术领域

本发明涉及配电自动化技术领域，具体而言，涉及一种配电终端PWM模拟采样系统及方法。

背景技术

在配电自动化领域，经常需要采集电压、电流等数据。因为采样精度要求比较高(一般是千分之五以内)，所以通常是使用外部的模拟数字转换器(Analog to DigitalConverter，ADC)采样芯片进行采样。这种采样一般是根据一个周波采样多少个点来确定采样间隔。比如，一个周波采样128点，那么采样间隔是156.25us。因为一个周波是20ms，所以采样一个点的间隔是20000us/128＝156.25us。这种采样一般是这样实现的：首先由采样点数，比如128个点，确定采样间隔。其次根据采样间隔，设置一个周期与采样间隔相等的定时器中断。在定时器中断中，启动ADC转换，转换完成后，读取ADC数据。在使用过程中，因为定时器中断存在延迟，导致每次转换的间隔有可能有偏差，采样的周期可能就不一定是等间隔的，从而导致采样有偏差，使得采样精度降低，影响数据的有效性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种配电终端PWM模拟采样装置及方法，用以改善现有技术中定时器中断存在延迟的问题，提高了采样精度，保证了数据的有效性。

第一方面，本申请实施例提供一种配电终端PWM模拟采样系统，其包括处理模块和采样模块，其中：

处理模块，用于生成PWM脉冲信号；

采样模块，与处理模块相连，以用于根据PWM脉冲信号进行采样，以得到采样数据。

上述实现过程中，处理模块生成的PWM脉冲信号的波形周期是等间隔的，采样模块根据接收到PWM脉冲信号进行采样，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，每一个波形周期进行一次采样，因此不会存在中断延迟的情况，进而采样就不会受到中断延迟的影响，从而采样得到的采样数据就不会有偏差，保证了采样数据的精准性，提高了采样精度，保证了数据的有效性。并且PWM脉冲信号是连续的，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，因此也不需要在采样中断后手动启动采样，提高了采样的效率。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，处理模块包括接口单元，用于接收采样数据。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，采样模块为模数转换芯片AD7616。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，模数转换芯片AD7616的SER/PAR管脚与上拉电阻相连，将模数转换芯片AD7616的接口设置为串行接口。

基于第一方面，在本发明的一些实施例中，模数转换芯片AD7616的CONVST管脚与处理模块相连，以接收PWM脉冲信号。

上述实现过程中，通过模数转换芯片的CONVST管脚与处理模块相连，就可以通过接收的PWM脉冲信号控制采样，只需要连接一个管脚就可以实现传输控制采样转换信号和转换完成通知信号，而不需要分别设置两个管脚，从而简化了线路，使电路连接更加简单。

第二方面，本申请实施例提供一种配电终端PWM模拟采样方法，包括以下步骤：

生成PWM脉冲信号；

根据PWM脉冲信号进行采样，以得到采样数据。

上述实现过程中，通过设置PWM的周期和占空比生成PWM脉冲信号，该PWM脉冲信号的波形周期是等间隔的，根据接收到PWM脉冲信号进行采样，每一个波形周期进行一次采样，因此不会存在中断延迟的情况，因此采样就不会受到中断延迟的影响，从而采样得到的采样数据就不会有偏差，保证了采样数据的精准性，提高了采样精度，保证了数据的有效性。并且PWM脉冲信号是连续的，因此也不需要在采样中断后手动启动采样，提高了采样的效率。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，生成PWM脉冲信号的步骤包括以下步骤：

设置PWM的时钟；

设置PWM的参数；

根据PWM的时钟和PWM的参数生成PWM脉冲信号。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，根据PWM脉冲信号进行采样，以得到采样数据的步骤包括：

使能PWM脉冲信号；

根据PWM脉冲信号进行采样，并得到采样数据；

当PWM脉冲信号中断时，结束采样，得到完整的采样数据。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，设置PWM的参数的步骤包括：

确定采样间隔和预计采样时间；

根据采样间隔设置PWM的参数中的采样周期；

根据预计采样时间设置PWM的参数中的高电平时间。

基于第二方面，在本发明的一些实施例中，高电平时间大于预计采样时间。

上述实现过程中，采样是上升沿采样时，通过将高电平时间设置成大于预计采样时间，可以保证每次中断进行采样的时候，采样转换已经完成，可以进行数据读取，进而保证了采样数据的准确性。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

本发明实施例提供一种配电终端PWM模拟采样系统和方法，通过处理模块生成波形周期等间隔的PWM脉冲信号，采样模块根据接收到PWM脉冲信号进行采样，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，每一个波形周期进行一次采样，因此不会存在中断延迟的情况，进而采样就不会受到中断延迟的影响，从而采样得到的采样数据就不会有偏差，保证了采样数据的精准性，提高了采样精度，保证了数据的有效性。并且PWM脉冲信号是连续的，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，因此也不需要在采样中断后手动启动采样，提高了采样的效率。并且只需要连接一个管脚就可以实现传输控制采样转换信号和转换完成通知信号，而不需要分别设置两个管脚，从而简化了线路，使电路连接更加简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种配电终端PWM模拟采样系统框图；

图2为本发明实施例提供的一种配电终端PWM模拟采样方法流程图；

图3为本发明实施例提供的PWM脉冲信号示意图。

图标：1-处理模块；2-采样模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。

实施例

请参看图1和图3，图1为本发明实施例提供的一种配电终端PWM模拟采样系统框图，图3为本发明实施例提供的PWM脉冲信号示意图。该配电终端PWM模拟采样系统，包括处理模块1和采样模块2，其中：

处理模块1，用于生成PWM脉冲信号；处理模块1可以选择使用具有处理功能的芯片或是电路模块，例如可以为ARM处理器，如型号为NUC980DF71YC的ARM处理器，还可以是型号为MPC8313CVRAFFC的微处理器。处理模块1通过设置PWM的周期与占空比，从而可以得到需要的PWM脉冲信号。周期包括高电平时间T1和低电平时间T2，通过周波与采样点数可以确定周期，通过预计采样时间可以设置高电平时间T1，进而通过高电平时间T1与周期的比值得到占空比。

例如，一个周波是20ms，一个周波采样的点数为128，那么需要采样的间隔是156.25us，可以设置PWM的周期为156.25us，根据采样通道预计采样时间为8.32us，则可以将PWM脉冲的高电平时间T1设置为10us，PWM脉冲的低电平时间T2为146.25us，占空比为6.4％。一个周波是30ms，一个周波采样的点数为256，那么需要采样的间隔是117.19us，可以设置PWM的周期为117.19us，根据采样通道预计采样时间为7.98us，则可以将PWM脉冲的高电平时间T1设置为10us，PWM脉冲的低电平时间T2为107.19us，占空比为8.5％。

采样模块2，与处理模块1相连，以用于根据PWM脉冲信号进行采样，以得到采样数据。通过PWM脉冲信号启动采样模块2进行采样，在一个PWM脉冲信号的波形周期中，PWM脉冲信号启动一次中断，采样模块2进行一次采样，得到一个采样点的采样数据，例如，采样模块2是在上升沿时开始采样，当采样模块2接收到的PWM脉冲信号为上升沿时，启动中断，采样模块2开始采样。可以根据需要采样点的数量设置PWM脉冲信号周期数，以得到需要的采样点数，当所有周期执行完成，则采样过程完成，得从而到完整的采样数据。采样模块2可以选择模拟数字转换器，ADC采样芯片进行采样。例如可以采用型号为AD7616模数转换芯片进行采样，还可以是型号为ADS125H02的模数转换芯片进行采样。

采样模块2可以通过一个转换通道与处理模块1相连，用以接收处理模块1生成的PWM脉冲信号，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，在一个波形周期中，PWM脉冲信号启动中断，采样模块2进行一次采样，得到一个采样点的采样数据，可以根据需要采样点的数量设置PWM脉冲信号周期数，以得到需要的采样点数，当所有周期执行完成，则采样过程完成，得从而到完整的采样数据。采样模块2可以通过接口与处理模块1相连，也可以与其他模块相连，用于传输得到的采样数据。采样模块2设有模拟通道，用于接收外部模拟信号。

例如：在馈线终端中，处理模块1采用ARM处理器NUC980DF71YC，采样模块2采用AD7616模数转换芯片，一个周波是20ms，一个周波采样128个点，那么采样一个点的间隔是156.25us，设置PWM的周期是156.25us；由于AD7616采样是上升沿开始采样，并且具有16个采样通道，采样16个通道大概需要8.32us，可以将PWM脉冲的高电平时间T1设置为10us，低电平时间T2设置为146.25us，这样PWM产生中断时，可以确保模数转换完成，进而可以进行数据读取。

上述实现过程中，处理模块1通过设置PWM的周期和占空比以生成PWM脉冲信号，生成的PWM脉冲信号的波形周期是等间隔的，采样模块2根据接收到PWM脉冲信号进行采样，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，每一个波形周期进行一次采样，因此不会存在中断延迟的情况，进而采样就不会受到中断延迟的影响，从而采样得到的采样数据就不会有偏差，保证了采样数据的精准性，提高了采样精度，保证了数据的有效性。并且PWM脉冲信号是连续的，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，因此也不需要在采样中断后手动启动采样，提高了采样的效率。

其中，处理模块1包括接口单元，用于接收采样数据。处理模块1可以通过接口单元接收采样模块2采样得到的采样数据。处理模块1的接口单元可以是通过总线形式与采样模块2的总线连接并进行数据传输。总线形式可以是并行或是串行，串行可以选用SPI接口。例如，处理模块1的SPI接口与采样模块2相连。

在本发明的一些实施例中，采样模块2为模数转换芯片AD7616。比如在馈线终端一般使用AD7616采样芯片进行采样。AD7616是一款双通道、同步采样、16通道、16位逐次逼近寄存器(SAR)型模数转换器(ADC)。AD7616具备一系列针对保护和测量应用而设计的特性，例如低漂移的集成式可编程增益放大器、高输入阻抗、高度灵活的可编程序列器和最高128倍过采样功能。

其中，模数转换芯片AD7616的SER/PAR管脚与上拉电阻相连，将模数转换芯片AD7616的接口设置为串行接口。通过将片AD7616的SER/PAR管脚与上拉电阻连接，可以使SER/PAR管脚信号拉高，从而将芯片的接口方式选择为串行接口方式。

其中，模数转换芯片AD7616的CONVST管脚与处理模块1相连，以接收PWM脉冲信号。

上述实现过程中，通过模数转换芯片的CONVST管脚与处理模块1相连，就可以通过接收的PWM脉冲信号控制采样，只需要连接一个管脚就可以实现传输控制采样转换信号和转换完成通知信号，而不需要分别设置两个管脚，从而简化了线路，使电路连接更加简单。

基于同样的发明构思，本发明还提出一种配电终端PWM模拟采样方法，请参看图2和图3，图2为本发明实施例提供的一种配电终端PWM模拟采样方法流程图。该配电终端PWM模拟采样方法，包括以下步骤：

步骤S110：生成PWM脉冲信号；通过设置PWM的周期和占空比就能得到需要的PWM脉冲信号。周期包括高电平时间T1和低电平时间T2，通过周波与采样点数可以确定周期，通过预计采样时间可以设置高电平时间T1，进而通过高电平时间T1与周期的比值得到占空比。

例如，一个周波是20ms，一个周波采样的点数为128，那么需要采样的间隔是156.25us，可以设置PWM的周期为156.25us，根据采样通道预计采样时间为8.32us，则可以将PWM脉冲的高电平时间T1设置为10us，PWM脉冲的低电平时间T2为146.25us，占空比为6.4％。一个周波是30ms，一个周波采样的点数为256，那么需要采样的间隔是117.19us，可以设置PWM的周期为117.19us，根据采样通道预计采样时间为7.98us，则可以将PWM脉冲的高电平时间T1设置为10us，PWM脉冲的低电平时间T2为107.19us，占空比为8.5％。

步骤S120：根据PWM脉冲信号进行采样，以得到采样数据。

根据PWM脉冲信号进行采样，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，在一个波形周期中，PWM脉冲信号启动中断，进行一次采样，得到一个采样点的采样数据，可以根据需要采样点的数量设置PWM脉冲信号周期数，以得到需要的采样点数，当所有周期执行完成，则采样过程完成，得从而到完整的采样数据。

例如：一个周波是20ms，一个周波采样128个点，那么采样一个点的间隔是156.25us，设置PWM的周期是156.25us；在接收到上升沿信号时开始采样，并且具有16个采样通道，采样16个通道大概需要8.32us，可以将PWM脉冲的高电平时间T1设置为10us，低电平时间T2设置为146.25us，这样PWM产生中断时，可以确保模数转换完成，进而可以进行数据读取。

上述实现过程中，生成的PWM脉冲信号的波形周期是等间隔的，根据接收到PWM脉冲信号进行采样，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，每一个波形周期进行一次采样，因此不会存在中断延迟的情况，进而采样就不会受到中断延迟的影响，从而采样得到的采样数据就不会有偏差，保证了采样数据的精准性，提高了采样精度，保证了数据的有效性。并且PWM脉冲信号是连续的，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，因此也不需要在采样中断后手动启动采样，提高了采样的效率。

其中，通过设置PWM的周期和占空比就能生成需要的PWM脉冲信号，具体来说，生成PWM脉冲信号的步骤包括以下步骤：

首先，设置PWM的时钟；例如，使用NUC980DF71YC处理器生成PWM脉冲信号时，设置PWM的时钟包括使能PWM的时钟，并且设置时钟分频。比如，使能PWM的时钟，然后设置PWM的时钟分频为1。

然后，设置PWM的参数；PWM的参数包括有周期和高电平等。其中，设置PWM的参数的步骤包括：

确定采样间隔和预计采样时间；

根据采样间隔设置PWM的参数中的采样周期；采样周期包括高电平时间T1和低电平时间T2。

根据预计采样时间设置PWM的参数中的高电平时间T1。从而进一步可以得到占空比，占空比为高电平时间T1与周期的比值。高电平时间T1设置后，采样周期减去高电平时间T1就是低电平时间T2。

根据PWM的时钟和PWM的参数生成PWM脉冲信号。

例如：一个周波是20ms，一个周波采样128个点，那么采样一个点的间隔是156.25us，因此可以确定采样间隔为156.25us，从而设置PWM的采样周期是156.25us；预计采样时间大概需要8.32us，可以将PWM脉冲的高电平时间T1设置为10us，由此可以得到一个PWM脉冲信号，PWM脉冲信号的周期是156.25us，一个周期中的高电平时间T1为10us，低电平时间T2为146.25us。一个周波是30ms，一个周波采样的点数为256，那么需要采样的间隔是117.19us，因此可以确定采样间隔为117.19us，从而可以设置PWM的周期为117.19us，预计采样时间为7.98us，则可以将PWM脉冲的高电平时间T1为10us，由此可以得到一个PWM脉冲信号，PWM脉冲信号的周期是117.19us，一个周期中的高电平时间T1为10us，低电平时间T2为107.19us。

其中，根据PWM脉冲信号进行采样，以得到采样数据的步骤包括：

首先，使能PWM脉冲信号；可以包括注册PWM中断和使能PWM中断。通过使能PWM脉冲信号来控制采样过程的启动。

然后，根据PWM脉冲信号进行采样，并得到采样数据；在PWM脉冲信号中的一个周期中进行一次采样，得到一个采样点的数据。例如，在PWM脉冲信号一个周期中的上升沿时进行采样，一共有128个周期，则需要采样128次。在PWM脉冲信号一个周期中的下降沿时进行采样，一共有256个周期，则需要采样256次。

当PWM脉冲信号中断时，结束采样，得到完整的采样数据。当PWM脉冲信号中断时，指的是整个周波完成时，整个采样过程结束，这样就完成了所有采样点的采样。例如，周波是20ms，一个周波采样128个点，因此PWM脉冲信号为128个周期，整个周波为20ms，当128个周期执行完后，整个采样结束，得到完整的采样数据。

其中，高电平时间T1大于预计采样时间。采样是上升沿采样时，通过将高电平时间T1设置成大于预计采样时间，就可以保证每次中断进行采样的时候，采样转换已经完成，可以进行数据读取，进而保证了采样数据的准确性。例如，采样是上升沿采样，预计采样时间是8.3us，可以将PWM脉冲信号中的高电平时间T1设置为10us。

综上，本申请实施例提供的一种配电终端PWM模拟采样系统及方法，该配电终端PWM模拟采样系统中的处理模块1通过设置PWM的周期和占空比以生成PWM脉冲信号，生成的PWM脉冲信号的波形周期是等间隔的，采样模块2根据接收到PWM脉冲信号进行采样，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，每一个波形周期进行一次采样，因此不会存在中断延迟的情况，进而采样就不会受到中断延迟的影响，从而采样得到的采样数据就不会有偏差，保证了采样数据的精准性，提高了采样精度，保证了数据的有效性。并且PWM脉冲信号是连续的，从采样开始转换到采样转换完成这个时间通过PWM脉冲信号中的占空比代替，因此也不需要在采样中断后手动启动采样，提高了采样的效率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种配电终端PWM模拟采样系统，其特征在于，包括处理模块和采样模块，其中：

处理模块，用于生成PWM脉冲信号；

采样模块，与所述处理模块相连，以用于根据所述PWM脉冲信号进行采样，以得到采样数据。

2.根据权利要求1所述的配电终端PWM模拟采样系统，其特征在于，所述处理模块包括接口单元，用于接收采样数据。

3.根据权利要求2所述的配电终端PWM模拟采样系统，其特征在于，所述采样模块为模数转换芯片AD7616。

4.根据权利要求3所述的配电终端PWM模拟采样系统，其特征在于，所述模数转换芯片AD7616的SER/PAR管脚与上拉电阻相连，将所述模数转换芯片AD7616的接口设置为串行接口。

5.根据权利要求3所述的配电终端PWM模拟采样系统，其特征在于，所述模数转换芯片AD7616的CONVST管脚与所述处理模块相连，以接收所述PWM脉冲信号。

6.一种配电终端PWM模拟采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成PWM脉冲信号；

根据所述PWM脉冲信号进行采样，以得到采样数据。

7.根据权利要求6所述的配电终端PWM模拟采样方法，其特征在于，所述生成PWM脉冲信号的步骤包括以下步骤：

设置PWM的时钟；

设置PWM的参数；

根据所述PWM的时钟和所述PWM的参数生成PWM脉冲信号。

8.根据权利要求6所述的配电终端PWM模拟采样方法，其特征在于，所述根据所述PWM脉冲信号进行采样，以得到采样数据的步骤包括：

使能PWM脉冲信号；

根据所述PWM脉冲信号进行采样，并得到采样数据；

当所述PWM脉冲信号中断时，结束采样，得到完整的采样数据。

9.根据权利要求7所述的配电终端PWM模拟采样方法，其特征在于，所述设置所述PWM的参数的步骤包括：

确定采样间隔和预计采样时间；

根据所述采样间隔设置所述PWM的参数中的采样周期；

根据所述预计采样时间设置所述PWM的参数中的高电平时间。

10.根据权利要求9所述的配电终端PWM模拟采样方法，其特征在于，所述高电平时间大于所述预计采样时间。

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