基于單片機控制的帶鎖相環三路智能同步采集卡設計

從圖3可知：VCO的輸出可以經由一除法器進行N分頻后，再送至相位比較器Ⅰ，并進而與VI進行相位比較，最后使f2′=f1，二者的相位差恒定，從而實現鎖相。由于f2′=f2/N=f1，可推得：f2=Nf1，由此表明：盡管從局部看使用除法器完成的是分頻，但就鎖相環整體而言卻是實現N倍頻。本文作者正是利用CD4046的這一特性并配以三片可編程計數器芯片MC14522　構成120倍頻器(見圖4)，從而實現三路信號在一個周波內完成120點同步采集。

2 系統設計

2.1 硬件設計

結合上述圖1所示的系統硬件結構組成框圖及測試性能要求，本系統選用當前較為流行的集成度較高的嵌入式8位單片機87C196NT作為主控器(并擴展了一片EPROM-2764)，A/D轉換器采用性價比較高且內含由三態緩沖器和鎖存器的12位AD1674集成芯片通過三片采樣/保持器新片LF398以及多路轉換開關CD4051和CD4052的有機組合實現三路信號的同步采集以及AD1674分時轉換和量程的自動改變120倍頻器由CD4046集成鎖相環芯片和整型放大器4069及三片可編程計數器MC14522組成;另外在通訊接口的設計上選用了當前較為流行的CAN串行通信接口。其硬件接線結構圖見圖4。

2.2 120分頻器設計

根據系統要求(在一個周期內完成三路共120點采集)，本系統選用了鎖相環芯片CD4046和三片可編程計數器芯片(MC14522)，其中三片MC14522按圖5所示接線圖連接。圖中個位所示計數器芯片的輸入端(CP端)接從第三路取樣后經4069放大器放大、濾波、整形后的輸出信號而其輸出接4046的PHI1端。總的分頻系數N=100N1+10N2+N3，因此，只需給三片計數器置以相應的計數值便可實現相應的分頻系數。本系統要求N=120，根據接線圖可以分別向百位/十位/個位置計數值1、2、0(即通過單片機向其數據輸入端送二進制0001、0010、0000)便可實現120倍的分頻，而對于整個鎖相環來說則實現了120倍頻。

2.3 軟件設計

系統軟件部分主要是系統主程序、采集子程序、通訊子程序和數字濾波子程序等設計，其中采集子程序作為中斷子程序存在;數字濾波采用遞推中值算法;所有程序采用C語言編寫。

數據采集技術作為一門基礎性和綜合性相結合的技術，在當今迅速發展的信息時代里起著“基礎性和導向”作用，而隨著信息技術、計算機技術、微電子技術、控制技術的快速發展在大力推動數據采集技術發展和大范圍應用的同時，也對實現數據采集技術的載體——數據采集子系統提出新的和更高的要求：使其進一步朝著微型化、智能化、柔性化方向發展。為此，結合電力系統參數測試的特點和要求，本文作者在設計“三路快速、高精度同步采集卡”過程中，圍繞以提高系統性能的目標從系統結構和采集技術兩方面都進行了大膽的探索和嘗試。經過測試表明：該“智能采集卡”性能穩定可靠，并具有較好的柔性和智能性，較好地滿足了設計指標和測試的要求。