一种基于RS485的相位计设计
日期：2006-9-19 22:25:19 来源： 中国自动化网
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1 引言
为了适应实验室开发的基于RS485的继电综合保护系统的需要，我们根据“填脉冲式”相位测量原理设计一种以Atmega8为主控制器、使用RS485通信的工频相位计，作为一个总线端点连接在综合保护系统中。
Atmega8工作在16MHz的晶振频率下，其AVR内核可以达到接近16MIPS的性能，定时器可以工作在16MHz，带有输入捕获功能，片内集成了8KB的FLASH，512B的EEPROM和1KB的SRAM，一个串行的USART接口，可以大大简化系统外围电路的设计，能够适应该相位计的需要。
2 电路原理
2.1 技术路线
过零检测是普遍采用的相位测量方法。本文采用双向过零检测，即在输入的正向过零点和负向过零点同时检测相位，利用误差的互补性，进行平均后可以使误差减到最小。
为了使通讯线路与输入端的强电隔离，在输入端先进行过零检测，再通过光耦隔离、调理后送入ATmega8的捕获引脚。
2.2 电路原理
图1为相位计的输入电路示意图，双电压比较器LM393的输入用二极管限制电压幅度在 V。其中J2和J3为电压输入。两路输入的过零检测结果进行异或，变换为宽度在0－180度的正脉冲，通过光耦隔离后再进行检测。输入电压的相位超前、滞后关系由D触发器74HC74检测。当输入1超前输入2时，D触发器的输出为高电平，反之为低电平。输入端的电源供给用A0505D隔离，由单片机端的＋5V电源提供，两路输入通道之间也是相互隔离的。A0505D的输出没有经过稳压，所以逻辑芯片采用2－6V电源的HC系列。
Atmega8采用16MHz的晶振，需要将其熔丝CKSEL3:0编程为1111，将CKOPT编程为0。复位端使用CAT809L，具有上电复位功能，电压超过阈值（4.63V）140ms后取消复位信号，增加系统的可靠性。系统还预留了10针的ISP接口，可以通过并口下载线等工具在系统更新程序。
3 软件设计
3.1 通信协议
相位计与上位机的通信采用字符命令，所有的数字、字符等都以ASCII码传送，指令的长度不固定，指令以特殊字符开头，表示不同意义，都以回车（0DH）结束。
在综合保护系统中的每个测量控制模块都有一个唯一的模块地址，相位计的初始模块地址设置为00H，它可以被上位机修改成需要的模块地址。
该相位计中用到的两条命令如下：
（1）读数据
发送：?
接收：!
（2）修改地址
发送：>
接收：<
其中ADDR为地址，长度为2字节的ASCII码，如00发送时表示为30H、30H，DATA为4字节的数据，3字节整数的ASCII码即3位整数，1字节的小数，小数也用16进制表示。修改地址中NEW ADDR为新设定的地址的ASCII码，OLD ADDR分别为原来的地址。
3.2 程序设计
程序主要分为相位的测量和通信两部分。
（1）相位测量。相位测量中对相位连续测量，总是保存最新的结果，上位机读数据时也是读取到最新的数据。使用T/C1定时器的捕获功能测量预处理后的脉冲宽度，将连续测量到的两脉冲宽度进行平均，即可实现双向过零检测。T/C1为16位定时器，使用16MHz工作频率时的最大溢出时间为4.096ms，ICP1引脚上的信号的最大脉冲宽度为10ms，因而需要在T/C1的溢出中断程序中记录溢出的次数。当捕获到的输入的下降沿后, Atmega8将测量到的数据通过计算转换为角度保存。下降沿时刻（包括溢出次数）减去上升沿时刻，得到计数值，再转换为角度，计算公式为：
对于相位的超前和滞后关系由PD7上的状态得到。当为高时表示输入1超前输入2，将结果转换为1－360度的范围保存。主程序中对相位差为0度和180度的情况作出判断。当相位差为0度或180度时，捕获端为单一电平，没有脉冲变化。当为高电平相位差为180度，为低电平时相位差为0。在主程序中设置一个大于10ms的延时，当延时程序结束输入信号还没有变化即可判断相位差为0度或180度。程序对没有输入的情况没有给出判断。
（2）通信程序设计。串口中断程序中，只有当接收到的字符为回车符时才进行判断，其他字符产生的中断只是将接收到的字符保存在缓冲区中。
4 误差分析
ATmega8采用16MHz的晶振，每个时钟周期为62.5ns，即工频的0.001125度电角度，这个误差是数字系统固有的误差，要减小这个误差只能是提高系统的时钟频率，只是对于该相位计的分辨率0.1度来说可以忽略。
输入通道采用四电压比较器LM393，LM393对上升沿和下降沿的响应延迟时间不对称。典型的上升沿延迟时间和下降沿延迟时间在5mV输入为0.8us和1.6us。LM393的输入端的阈值为5mV，在不同的输入电压下，过零点的检测存在不同的误差。在单向过零检测中这些误差都必然存在。该相位计采用双向过零检测技术，可以把上述延迟时间和阈值点的误差抵消掉。同时在输入电压有一定畸变时，如输入电压附加有直流成分等，仍能保持较高精度。如图3所示，ui1和ui2为输入电压，理论上的LM339的输出和异或门的输出如曲线uo1、uo2、u1所示，如果输入电压附有直流分量U，由图中可以看出，异或门的输出u1’经过平均后与理论曲线等效。D触发器的输出如u2所示，此时为高电平。
另外，光耦也存在上升沿和下降沿的延迟时间不对称的问题。延迟时间会随输入电流 和输出负载变化，其所产生的误差直接进入了测量通道。对于该相位计所用的6N137，负载电阻为2KΩ时，上升沿延迟时间 比下降沿延迟时间 大10ns多。由6N137的数据手册中的输入电流－延迟时间和负载电阻－延迟时间图示可以看出，两图中的 和 曲线均由一个交点，将光耦的工作点设置在该处，即输入电路为7.5mA和负载电阻大约700Ω时，可以大致消除此项误差。
5 结束语
该相位计完全可以达到设计的精度，已经被应用到继电器综合保护系统中。出于分辨率的需要，并没有采用更高的分辨率。
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2 电路原理
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2.1 技术路线
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图1为相位计的输入电路示意图，双电压比较器LM393的输入用二极管限制电压幅度在 V。其中J2和J3为电压输入。两路输入的过零检测结果进行异或，变换为宽度在0－180度的正脉冲，通过光耦隔离后再进行检测。输入电压的相位超前、滞后关系由D触发器74HC74检测。当输入1超前输入2时，D触发器的输出为高电平，反之为低电平。输入端的电源供给用A0505D隔离，由单片机端的＋5V电源提供，两路输入通道之间也是相互隔离的。A0505D的输出没有经过稳压，所以逻辑芯片采用2－6V电源的HC系列。
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3.1 通信协议
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相位计与上位机的通信采用字符命令，所有的数字、字符等都以ASCII码传送，指令的长度不固定，指令以特殊字符开头，表示不同意义，都以回车（0DH）结束。
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在综合保护系统中的每个测量控制模块都有一个唯一的模块地址，相位计的初始模块地址设置为00H，它可以被上位机修改成需要的模块地址。
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该相位计中用到的两条命令如下：
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（1）读数据
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程序主要分为相位的测量和通信两部分。
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（1）相位测量。相位测量中对相位连续测量，总是保存最新的结果，上位机读数据时也是读取到最新的数据。使用T/C1定时器的捕获功能测量预处理后的脉冲宽度，将连续测量到的两脉冲宽度进行平均，即可实现双向过零检测。T/C1为16位定时器，使用16MHz工作频率时的最大溢出时间为4.096ms，ICP1引脚上的信号的最大脉冲宽度为10ms，因而需要在T/C1的溢出中断程序中记录溢出的次数。当捕获到的输入的下降沿后, Atmega8将测量到的数据通过计算转换为角度保存。下降沿时刻（包括溢出次数）减去上升沿时刻，得到计数值，再转换为角度，计算公式为：
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4 误差分析
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输入通道采用四电压比较器LM393，LM393对上升沿和下降沿的响应延迟时间不对称。典型的上升沿延迟时间和下降沿延迟时间在5mV输入为0.8us和1.6us。LM393的输入端的阈值为5mV，在不同的输入电压下，过零点的检测存在不同的误差。在单向过零检测中这些误差都必然存在。该相位计采用双向过零检测技术，可以把上述延迟时间和阈值点的误差抵消掉。同时在输入电压有一定畸变时，如输入电压附加有直流成分等，仍能保持较高精度。如图3所示，ui1和ui2为输入电压，理论上的LM339的输出和异或门的输出如曲线uo1、uo2、u1所示，如果输入电压附有直流分量U，由图中可以看出，异或门的输出u1’经过平均后与理论曲线等效。D触发器的输出如u2所示，此时为高电平。
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另外，光耦也存在上升沿和下降沿的延迟时间不对称的问题。延迟时间会随输入电流 和输出负载变化，其所产生的误差直接进入了测量通道。对于该相位计所用的6N137，负载电阻为2KΩ时，上升沿延迟时间 比下降沿延迟时间 大10ns多。由6N137的数据手册中的输入电流－延迟时间和负载电阻－延迟时间图示可以看出，两图中的 和 曲线均由一个交点，将光耦的工作点设置在该处，即输入电路为7.5mA和负载电阻大约700Ω时，可以大致消除此项误差。
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