C8051F021型单片机实现数据采集系统

ADC转换器采用片内12位、100ks/s的ADC，每次转换仅需10μs，完全满足系统对实时性和快速性的要求。F021型单片机ADC有8个外部输入，基准电压可由内部或外部提供(2.5V)，可编程为单端输入或差分输入且带可编程放大器增益，本采集卡使用6路单端输入以完成对3相电压、电流的同步采集。因为ADC采用单端输入时只能对0～2.5V的信号进行AD转换，所以对由PT、CT送来的-2.5V～+2.5V正弦交流信号需在A/D转换的前置通道加一直流偏置电压2.5V，使得输入信号幅值为0V～5V，该信号现经片内可编程增益入大器衰减为0V～2.5V，进而完成A/D转换。采集时通过采集程序发出采样保持命令使采样/保持器保持采集瞬间的值，采集的瞬时信号经过模拟通道开关选择进入衰减电路，再经过A/D转换器转换成12位并行数据输出到双口RAM供上位机读入处理。

双口RAM采用的是32k、8位高速IDT7007S，单片机和上位机可分别从双口RAM两边同时进行读写操作(但不可同时对同一地址单元写数据)，且该双口RAM的存取操作时间最长仅需55ns，因此，通过双口RAM极大地提高了单片机与上位机交换数据的速度，从而为该数据采集卡在电力系统测控领域中的应用提供了保证。

PCI接口主要由PCI接口CH365完成。CH365是一个连接PCI总线的通用接口电路，支持I/O端口映射、存储器映射、扩展ROM及中断。本采集卡主要使用CH365的存储器映射功能，将32位高速PCI总线转换为8位数据、16位地址主动并行接口。CH365可以通过双端口存储器与外部的单片机或者DSP交换数据，然后将数据传送到上位机做进一步处理。如果将CH365的读写选通脉冲的宽度设定为30ns，并且使用双字为单位进行数据交换，则数据传输的实测速度可以达到每秒7M字节。PCI总线与其他主流总线相比，速度更快、实时性更好、可控性更佳，所以CH365特别适用于高速实时I/O控制卡、通讯接口卡和数据采集卡等。

除了上述有关数据采集处理的速度、精度、实时传送等方面的考虑外，本采集卡还考虑了各路依赖的异地同步采集，在设计中采用了GARMIN公司的GPS接收板(GPS Receiver Board)GPS15L,通过卫星精密授时功能，由卫星提供的精确秒脉冲实现异地同步采集。该接收板最少接收11颗卫星的信号，专用集成电路和处理软件能从接收到的信息中提取并输出二种时间信号：一是秒脉冲1PPS，其与协调世界时UTC(国际标准时间)的同步误差不超过1μs;二是经串行口输出的与1PPS脉冲前沿对应的标准时间码(年、月、日、时、分、秒)，即1PPS的“时间标记”。电力系统内部的各个送端和受端的分布广泛分散，基顺各端安装一台GPS接收机，则GPS的全球性和高精度就能保证各地时间信号与UTC的相对误差都不超过1μs。这种全球范围内的高精度时间同步在电力系统检测和测量中有极高的利用价值。本数据采集卡就是通过GPS接收板提供的秒脉冲和其时间标记来进行异地同步数据采集的，实践证明其效果是理想的。

4 采集卡软件设计

本采集卡的软件程序主要包括与GPS接收板的串口通信程序、与上位机通信的PCI接口程序及数据采集和处理程序。软件流程图如图4所示。

采集卡可通过双口RAM与上位机通信以改变采样点数、采样频率，将一个工频周期等分成40～256个点进行采样，然后对采样点进行数值转换处理并发送上位机进一步处理，如电压、电流及功角的幅值、曲线显示监视及进而在系统发生故障时及时作出相应的控制措施。本采集卡的特点如下：

·由于采用二阶滤波电路，因此采集卡可以较好的屏蔽高次谐波对A/D转换的影响。C8051F021属于高速混合信号机型，在12MHz的外部晶振下，其时钟周期为83ns，因此采样频率大范围可调。可广泛应用于各种采样速率要求较高的交流采样测控装置。

·可同时输入8路单输入或4路差分输入PT/CT信号，进行高精度、高速度采样。

·采用片内12位分辨率、100ks/s转换速度的逐次逼近式A/D转换器和外围滤波采样保持电路，能进行快速模/数转换。

·通过接收GPS的秒脉冲和时标，可以保证异地信号的同步采集。

·双口RAM和专用PCI接口使得上下位机的通信和交换数据更加快捷。

5 结束语

实践证明，采用C8051F021型单片机实现的采集系统不仅能够满足电力系统测控装置的需求，还具有较好的性价比，非常适用于各种电压等级的输电系统测控装置和仪器仪表的测量部分。