A New Design of Automatic Synchronism Equipment Based 0n AVR Single-chip Processor
摘要：本文介紹了如何使用Atmega128單片機去設計自動準同期裝置。簡單介紹了系統方案、功能。對于壓差、頻率和相差計算中應該注意的問題給予了說明，并給出了系統的軟件流程。
關鍵詞：Atmega128 頻率跟蹤 PID調節
Abstract: The way how to design Automatic Synchronism Equipment using the ATMEGA128 Single-chip Processor is proposed in the article. The system plan and the functions are simply illustrated. Problems should be paid special attention in calculation of voltage difference 、frequency difference and phase difference are explained and the software flow of the system is demonstrated ,too.
Key words: Atmega128 Frequency track PID adjustment
前言
自動準同期裝置在電力系統并網中有著十分重要的作用。本文采用ATMEGA128單片機為處理器，開發一種主要用于機組同期操作的自動準同期裝置，該裝置能自動檢測系統側和對象側的壓差、頻差和相差，進行同期操作。如果采用一個同期點配備一個裝置的方式，則能大大提高整個系統的同期可靠性。
1 系統的總體設計和硬件框圖
作為準同期裝置，首先必須要準確地測量系統側和待并側的同期參數。也就是精確測量兩側的電壓、頻率，以及相位差。在這個基礎上，裝置要進行準確的同期動作以及和上位機的通信。因此，系統的硬件設計和軟件流程圍繞這三個方面展開。為了減少干擾和便于操作，硬件分為CPU板、信號板和顯示按鍵板。下面的硬件框圖（圖1）清楚地表示了三者之間的連接關系和信號的流動情況。單片機89C58主要負責識別和保存按鍵值（中斷方式），以及直接驅動LCD。Atmega128單片機有兩個串行口，通過串口0和89C58通訊，通過串口1和上位機進行數據交換。
2 頻率、電壓和相差的計算
ATMEGA128單片機的定時器1和定時器3具有輸入捕獲的功能。因此頻率（周期）的計算可以完全依賴硬件來實現。只需要設計一個轉換電路將正弦波變換成為方波即可。方波兩個上升沿（或下降沿）之間的時間間隔即是系統側或對象側的周期，這樣就可以準確地測量出周期。注意，定時器1和定時器3中的計數值盡量不要采用軟件清零。筆者剛開始的思路
是每隔一次輸入捕獲中斷將TCNT1或TCNT3的值清零，然后下一次的計數值乘以計數間隔時間就是系統側或是對象側周期長度。但是這樣的辦法很容易受到其他中斷的影響。當外部事件發生的時候（上升沿或下降沿來到），硬件自動將計數值捕捉到相應的捕獲寄存器，但如果此時有更高級中斷同時到來的話，就必然會推遲一會才可以進入輸入捕獲中斷程序，則軟件必然會推遲清零，因此所測的周期會偏小、頻率會偏大。特別是當更高優先級的中斷程序
執行時間較長時，所測周期根本無法使用。正確的做法是：在初始化時將定時器1和定時器3按照同樣的分頻系數同時開放，然后就不要對這兩個定時器進行清零或其他操作。對于這兩個16位定時器的溢出問題，可以通過在定時器1和定時器3的溢出中斷程序中設置分別的溢出標志來解決。本裝置所設計的波形轉換電路如圖2 所示。VAA1為對象側或系統側經過初步處理的交流信號。
圖1 系統硬件框圖
電壓的測量和計算涉及到交流采樣技術。交流采樣，就是直接對交流電氣信號的瞬時值進行采樣，再用一定的數值算法求得所關心的信號參數或信息。交流采樣有異步采樣和同步采樣兩種，其中后者應用較多。同步采樣又可以分為硬件同步（PLL鎖相環技術）和軟件同步。軟件同步就是利用處理器的中斷性能跟蹤周期的變化且均勻地采樣。這就是所謂的頻率跟蹤。在數據處理方面，本文采用將正弦周期信號展開成為傅立葉級數的形式，然后再離散化，進而求出電壓有效值。
圖2 正弦波方波變換電路
根據公式18，可求出相差。為了更高精度，可以展開成為高階級數。
3 同期過程流程圖
圖 3同期操作軟件流程圖
筆者所設計的同期裝置的同期過程見上圖（圖3）所示。其中，頻率要優先調節。頻差在要求范圍內時，才可以轉去調節電壓。每次同期操作要設定同期時限，在規定時間內各項指標不能達到定值要求，則此次同期操作失敗。
總結
本文介紹的準同期裝置設計方案最大程度利用了硬件資源，減少了軟件誤差。裝置投入使用后經過測試可以達到機組開關的同期要求，有一定推廣價值。
本文作者創新點：
（1）頻率測量完全依賴于硬件的輸入捕獲電路，精確測量系統側和待并側的周期。
（2）相差計算采用小范圍泰勒級數展開的方法，依據兩側電壓幅值（計算得到）和瞬時采樣值直接計算相差。對于精度要求不高的場合，作者也提出了完全依賴硬件、比較系統側和待并側信號上升沿的方法；對于精度要求高的場合，可以展開成高階級數進行運算。因此，本文的方案為不同應用提供了計算辦法。
（3）同期流程中考慮到了導前時間，并進行了同期時限判斷，有很高的可靠性。
參考文獻
[1] 陳利玲、李杭生，傅立葉變換在交流采樣中的應用[J]，電子測量與儀器學報，2005年增刊
[2] 馬 潮，高檔8位單片機ATmega128原理與開發應用指南（上）[M]，北京航空航天大學出版社，2004
[3] 萬宇杰 基于AVR單片機的水泥比表面積測定儀設計[J]，微計算機信息, 2006 No.8 P.33-35,83
作者簡介
1．趙新寬 (1982-)，男（漢族）,湖北鐘祥人，湖南大學電氣與信息工程學院控制理論與控制工程碩士研究生，研究方向:單片機與嵌入式系統的應用
2 彭楚武（1949-），男（漢族），湖南長沙人，湖南大學電氣與信息工程學院教授，研究方向：單片機與嵌入式系統的應用
3．陳燕東（1979- ），男（漢族），湖南澧縣人，工程師，碩士，研究方向：智能控制與電力電子
通訊地址：湖南大學電氣與信息學院彭楚武轉趙新寬（或者湖南大學第十四學生宿舍226房間趙新寬）郵編：410082
