基于MK61的配网终端交流同步采集系统设计

刘思宇

摘 要：本文设计了一种以Freescale MK61- M4微处理器为核心，高精度MAX11046为模数转换器件的配电终端交流同步采集系统。详细论述了信号调理，GPS同步时钟产生，数据处理与传输等关键技术及设计思想。经实践证明，该系统具有采集精度高、数据采集速度快、数据存储量大、实时性好等优点。

关键词：同步采集；配电终端；MK61

随着我国电网综合自动化的不断发展，对电网自动化监测系统的要求不再满足于功能实现，还要求保证远动数据的实时性、可靠性、正确性。传统的数据信号采集系统采样精度低、转换速率慢、采集量有限、实时性差，其性能远不能满足不断发展的自动化技术对电网监测的新要求。

本系统的主核心处理器为Freescale MK61，ARM-M4系列，含有浮点运算核（FPU），相当于高精度的DSP。MK61功耗低、内置资源丰富。本系统主要设计了以MK61微处理器为核心的交流同步采集系统。交流采集部分由多个精度高达16位，转换时间3uS的MAX11046器件组成，采用全球定系统（GPS）的同步采样方法实现多路交流电量的同步采集。

1 系统硬件方案

系统硬件原理包括交流信号采集板、MK61主控制板和GPS时钟同步模块放置在一个机箱中构成自动化交流同步采集终端。每块主控制板可外扩多块交流采集板，最多可采集72路交流量。主控制板以MK61微處理器为核心，外围电路包括电源管理、RTC时钟、数据存储、复位监控电路、CAN总线接口、485总线接口、以太网总线接口等。

交流信号采集单板与主控制板之间通过CAN总线通信，提高系统可靠性；同时备有485备份通道。GPS同步时钟单元为多个ADC芯片提供同步转换时钟，保证各板卡之间多路交流量同步采集；同时为通信网络提供同步信号，减少通信延时对数据分析的影响。

1.1 交流信号采集单元

为了将输电线高压大电流变换为系统可处理信号，交流信号采集板使用电压互感器（PT）和电流互感器（CT），对输电线进行隔离采样。将输电线一次互感器提供100V和5A标准交流电信号，转换成MAX11046可接受的量程范围内。

本系统前置调理电路一般可以通过低通滤波、运放、精密电阻调理后送入MAX11046芯片；也可PT、CT二次侧连接精密电阻后送入MAX11046芯片，其具有极高的输入阻抗且保证不超过PT、CT输出带负载能力。

1.2 GPS时钟同步单元

GPS模块使用外围天线接收卫星信号，利用GPS秒脉冲做为基准同步。本系统采用U-blox公司LEA-6T，该模块具有灵敏度高，低功耗等特点。

1.3 信号处理单元

先进的电力监控系统需要大约90dB的较宽动态范围内实现精确的多通道同时采样。通常要求大于16Kbps高的采样速率。本系统采用的MAX11046是一款16位、8通道、同步采样SAR ADC，能够提供优于IEC62053标准规定的0.2级精度，并满足EN50160标准规定的6KV瞬态电压要求，芯片采用并行数据总线连接。

2 系统软件方案

交流采样是按一定频率对互感器二次回路中的电流和电压信号进行采样，经过ADC处理后转换为数字量，再对数字量进行计算，从而获得电压、电流，再计算电量等值。

2.1 采样控制

交流信号采样是在GPS同步信号与MK61中断机制配合完成的。根据每周波采样点数确定采样间隔Ts，将Ts设置到GPS模块中，GPS模块定时发出控制脉冲，启动MX11046进行采样，MK61进行数据处理。

2.2 采样数据处理

MAX11046将采样的数据通过DMA送入内存，MK61对采样数据进行滤波处理，然后采用一定的算法对采样数据进行分析，计算电量的有效值等。在计算的同时，MAX11046继续采集数据，保证实时采样。

⑴数字滤波。利用数学算法对原始数据进行处理，去掉原始数据中的噪声数据，保证数据的一致性，这里采用一阶低通滤波算法。

一阶低通滤波采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到滤波有效值，使得输出对输入有反馈。

y（n）=a*x（n）+（1-a）*y（n-1） 其中a=滤波系数，x（n）=本次采样值，y（n-1）=上次滤波输出值，y（n）=本次滤波输出值

⑵交流采样算法。进行数字滤波处理后，利用交流采样算法计算出有效值。交流采样算法有很多种，正弦模型算法有最大值算法、半周期积分法等；非正弦模型算法有均方根算法、傅里叶算法等。计算精度与速度总是相互矛盾，算法的实质就是在精度与速度之间进行权衡。本文使用傅里叶算法 ，计算速度快，满足一定的精度要求。

3 结束语

本文讨论了Freescale MK61处理器外接MAX11046共同完成同步交流采样的软硬件系统设计。MK61片内外资源丰富，内嵌FTU核，MAX11046输入通道多、转换时间快、精度高等优点。本系统设计实践证明，可以完成8～32路同步采样，电压、电流精度达到0.2级，其它电量计算可达到0.5级。此系统适合配网多路同步采集计算应用，现场适用性很强。

[参考文献]

[1]K60 Sub-Family Reference Manual Freescale Semiconductor， Inc.

[2]周志宇，李裕能.基于DSP的同步交流采样技术.电力自动化设备期刊，2006，26（5）.

[3]黄纯，何怡刚.交流采样同步方法的分析与改进.中国电机工程学报，2004.1.8.