基于MK61的配網終端交流同步采集系統設計

劉思宇

摘 要：本文設計了一種以Freescale MK61- M4微處理器為核心，高精度MAX11046為模數轉換器件的配電終端交流同步采集系統。詳細論述了信號調理，GPS同步時鐘產生，數據處理與傳輸等關鍵技術及設計思想。經實踐證明，該系統具有采集精度高、數據采集速度快、數據存儲量大、實時性好等優點。

關鍵詞：同步采集；配電終端；MK61

隨著我國電網綜合自動化的不斷發展，對電網自動化監測系統的要求不再滿足于功能實現，還要求保證遠動數據的實時性、可靠性、正確性。傳統的數據信號采集系統采樣精度低、轉換速率慢、采集量有限、實時性差，其性能遠不能滿足不斷發展的自動化技術對電網監測的新要求。

本系統的主核心處理器為Freescale MK61，ARM-M4系列，含有浮點運算核（FPU），相當于高精度的DSP。MK61功耗低、內置資源豐富。本系統主要設計了以MK61微處理器為核心的交流同步采集系統。交流采集部分由多個精度高達16位，轉換時間3uS的MAX11046器件組成，采用全球定系統（GPS）的同步采樣方法實現多路交流電量的同步采集。

1 系統硬件方案

系統硬件原理包括交流信號采集板、MK61主控制板和GPS時鐘同步模塊放置在一個機箱中構成自動化交流同步采集終端。每塊主控制板可外擴多塊交流采集板，最多可采集72路交流量。主控制板以MK61微處理器為核心，外圍電路包括電源管理、RTC時鐘、數據存儲、復位監控電路、CAN總線接口、485總線接口、以太網總線接口等。

交流信號采集單板與主控制板之間通過CAN總線通信，提高系統可靠性；同時備有485備份通道。GPS同步時鐘單元為多個ADC芯片提供同步轉換時鐘，保證各板卡之間多路交流量同步采集；同時為通信網絡提供同步信號，減少通信延時對數據分析的影響。

1.1 交流信號采集單元

為了將輸電線高壓大電流變換為系統可處理信號，交流信號采集板使用電壓互感器（PT）和電流互感器（CT），對輸電線進行隔離采樣。將輸電線一次互感器提供100V和5A標準交流電信號，轉換成MAX11046可接受的量程范圍內。

本系統前置調理電路一般可以通過低通濾波、運放、精密電阻調理后送入MAX11046芯片；也可PT、CT二次側連接精密電阻后送入MAX11046芯片，其具有極高的輸入阻抗且保證不超過PT、CT輸出帶負載能力。

1.2 GPS時鐘同步單元

GPS模塊使用外圍天線接收衛星信號，利用GPS秒脈沖做為基準同步。本系統采用U-blox公司LEA-6T，該模塊具有靈敏度高，低功耗等特點。

1.3 信號處理單元

先進的電力監控系統需要大約90dB的較寬動態范圍內實現精確的多通道同時采樣。通常要求大于16Kbps高的采樣速率。本系統采用的MAX11046是一款16位、8通道、同步采樣SAR ADC，能夠提供優于IEC62053標準規定的0.2級精度，并滿足EN50160標準規定的6KV瞬態電壓要求，芯片采用并行數據總線連接。

2 系統軟件方案

交流采樣是按一定頻率對互感器二次回路中的電流和電壓信號進行采樣，經過ADC處理后轉換為數字量，再對數字量進行計算，從而獲得電壓、電流，再計算電量等值。

2.1 采樣控制

交流信號采樣是在GPS同步信號與MK61中斷機制配合完成的。根據每周波采樣點數確定采樣間隔Ts，將Ts設置到GPS模塊中，GPS模塊定時發出控制脈沖，啟動MX11046進行采樣，MK61進行數據處理。

2.2 采樣數據處理

MAX11046將采樣的數據通過DMA送入內存，MK61對采樣數據進行濾波處理，然后采用一定的算法對采樣數據進行分析，計算電量的有效值等。在計算的同時，MAX11046繼續采集數據，保證實時采樣。

⑴數字濾波。利用數學算法對原始數據進行處理，去掉原始數據中的噪聲數據，保證數據的一致性，這里采用一階低通濾波算法。

一階低通濾波采用本次采樣值與上次濾波輸出值進行加權，得到濾波有效值，使得輸出對輸入有反饋。

y（n）=a*x（n）+（1-a）*y（n-1） 其中a=濾波系數，x（n）=本次采樣值，y（n-1）=上次濾波輸出值，y（n）=本次濾波輸出值

⑵交流采樣算法。進行數字濾波處理后，利用交流采樣算法計算出有效值。交流采樣算法有很多種，正弦模型算法有最大值算法、半周期積分法等；非正弦模型算法有均方根算法、傅里葉算法等。計算精度與速度總是相互矛盾，算法的實質就是在精度與速度之間進行權衡。本文使用傅里葉算法 ，計算速度快，滿足一定的精度要求。

3 結束語

本文討論了Freescale MK61處理器外接MAX11046共同完成同步交流采樣的軟硬件系統設計。MK61片內外資源豐富，內嵌FTU核，MAX11046輸入通道多、轉換時間快、精度高等優點。本系統設計實踐證明，可以完成8～32路同步采樣，電壓、電流精度達到0.2級，其它電量計算可達到0.5級。此系統適合配網多路同步采集計算應用，現場適用性很強。

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