基于光信號同步的相位測量方法

1、基于光信號同步的相位測量方法        摘   要：本文介紹了一種用光信號同步的相位測量方法，著重描述了這種方法的特點、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理和實現(xiàn)方法。運用這種方法可以構(gòu)成一種新型的實用儀器。  引言在電力繼電保護系統(tǒng)中，相位測量是一個經(jīng)常性項目，從傳統(tǒng)的“過零”法測量的情況看，要測量兩個交流信號的相位角，通常的做法是將兩個交流信號進行放大、整形，成為在過零點變化的方波，同時還要在一個回路中進行比較，進而測量出同頻信號的相位差(tx)這一主要參數(shù)。但是往往現(xiàn)場測量需要接入的信號比較多

2、，這很容易引起接線的錯誤。此外，對線路進行相位測量時有多個回路信號接入設備，倘若在現(xiàn)場出現(xiàn)接線錯誤，或者儀器內(nèi)部通道之間的隔離出現(xiàn)問題，很容易引起回路之間的短路，導致事故發(fā)生?；谝陨锨闆r，必須從原理上改變傳統(tǒng)的測量方式以適應測試過程的需要。      圖1  測量部件的電路原理框圖       圖2  數(shù)據(jù)通信的序關(guān)系用光信號同步的間接測量方法和結(jié)構(gòu)本設計采用了一種間接的測量方法，不需要將2個現(xiàn)場交流信號引入到同一個設備，即測量過程是分別在各個

3、信號的回路獨立進行的。這種間接的測量方法的條件是必須有一個同步信號作為測量基準，這樣才能在各個獨立回路的測量回路之間建立起關(guān)聯(lián)，以便最后測量出tx和T0。在這里采用的是紅外光信號進行同步相位測量的方法，利用光信號作為同步信號源，不需要在電路上的連接關(guān)系就可以進行同步，同時還可以利用它作為數(shù)據(jù)通信的載體。本系統(tǒng)包含一個主機和幾個測量部件。主機是系統(tǒng)的核心部分，而測量部件的數(shù)量取決于實際測量的需要(例如在測量六角圖時，就應該是6個測量部件)，主機是由MCS-51系列的AT89C51單片機為主體的部分，外圍電路比較簡單。它主要依靠一個光發(fā)射器和一個光接收器構(gòu)成通信接口，單片機的輸出端經(jīng)過反相器驅(qū)動以

4、后控制光發(fā)射器向測量部件發(fā)出調(diào)制光信號。而單片機的輸入直接與光接收器相連，光接收器把測量部件發(fā)來的調(diào)制光信號進行解調(diào)，單片機則可以通過程序識別編碼信號。光發(fā)射器主要用來啟動測量過程，而光接收器則實現(xiàn)主機與測量部件之間的數(shù)據(jù)通信。每個測量部件也是一個由AT89C51單片機為核心的智能化的測量電路，其外圍部分主要包括光發(fā)射器、光接收器和測量電路(如圖1所示)。測量電路是由OP07組成的放大電路和LM311組成的整形電路組成，主要功能是將交流信號轉(zhuǎn)換為相應的方波信號。方波的輸出與單片機的I/O線相連接，利用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器，可以測量到相關(guān)的時間值，進而計算出相位角。光發(fā)射器和光接收器的作用主

5、要是實現(xiàn)測量,同時完成與主機的雙向通信。 間接測量法的原理主機一方面控制測量過程，向各個測量部件發(fā)出紅外光同步信號啟動測量，另一方面各個部件完成測量以后，通過紅外光通信將各個部件的測量數(shù)據(jù)匯總到主機，然后進行計算以確定被測參數(shù)，即引入三維變量的間接測量方式取代直接測量法。這種間接測量方式不再需要直接測量時差，只需建立每個參數(shù)和光同步信號之間的時間關(guān)系，再通過計算求出時差?；芈凡辉傩枰陔娐飞系倪B接，僅僅依靠一個光同步信號就能夠間接地測量到多個測量回路參數(shù)之間的相位關(guān)系。這種方式的優(yōu)點在于：各個測量回路不再需要參考點的連接，回路相對獨立，分別測量各自的交流信號過零時刻與光同步信號之間的

6、時間差，以作為相位測量的基本參數(shù)。它們之間的關(guān)聯(lián)不是靠電路形式的連接，而是依靠光信號，這樣就可以杜絕回路之間的短路發(fā)生，另外，還可以減少儀器的連線。光信號除了作為同步信號外，還作為數(shù)據(jù)傳輸通道，各個測量回路將測量數(shù)據(jù)通過光的傳輸，集中在主機部分最終完成參數(shù)的數(shù)值顯示。 工作過程在一個測量周期開始，由主機控制光發(fā)射器發(fā)出一個同步紅外光信號，測量部件的光接收器都能在同一時刻接收到這一信號，各個測量部件的單片機會同時啟動進行各自的測量過程，完成測量過程后，再由各個部件的單片機依次將測量數(shù)據(jù)傳送回主機，主機單片機通過光接收頭，依次接收到各個測量部件的數(shù)據(jù)并匯總這些基本數(shù)據(jù)，最后通過計算后主機

7、就顯示相應的數(shù)字值，至此完成一個測量周期。主機部分第一階段，主機光發(fā)射器發(fā)出同步光信號，啟動各個測量部件同時進入測量狀態(tài)，此時，單片機的P3.4/T0引腳設置為輸出狀態(tài)，當工作時會產(chǎn)生調(diào)制信號，經(jīng)過反相器74LS04驅(qū)動光電發(fā)送器，按照程序的約定這個信號是表示“啟動”的光信號，即通過該光信號向每個測量部件傳送開始測量的同步信號。第二階段，每個測量部件同時進入測量，測量完成后再由各個部件依次將測量數(shù)據(jù)傳送回主機。主機對P3.3/INT1引腳的脈沖進行測量和程序識別，經(jīng)過解碼確定測量部件所發(fā)出的信號，完成“取回數(shù)據(jù)”的工作。測量部分每個測量部件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中以UA1(OP07)為主的部分

8、是信號放大器，例如在以鉗形電流作為對電流信號的測量時，輸入的電信號一般比較小，必須經(jīng)過放大處理。而以UA2(LM331)為主的部分則是過零比較電路，主要用于將信號轉(zhuǎn)換為過零變化的方波，這個方波的上升沿表示交流信號的過零點。在圖1中還包含光電耦合器SA1(TIL117)，它一方面進行電路隔離，同時還將方波信號轉(zhuǎn)換為TTL電平以便在單片機的P3.2(INT0)上進行測量，這個引腳設置為輸入狀態(tài)，利用軟件很容易對方波信號的上升(或下降)沿進行測量。與現(xiàn)有電路比較，其測量部分簡化了很多，傳統(tǒng)電路是對兩個回路的交流信號進行處理即將兩個信號的過零點在一個設備中進行直接比較以確定出相位差(tx)。而該電路不

9、再基于對兩個信號之間直接進行比較，且測量方法也發(fā)生了很大的改變，它是采用一個公共的光脈沖作為測量同步信號。測量完成后由測量部件單片機的P3.4/T0引腳輸出開關(guān)量信號，經(jīng)過反相器74LS04驅(qū)動光電發(fā)送器，然后通過光信號向主機傳送每個測量部件的測量數(shù)據(jù)。由于對每個測量部件都進行了編號，各個測量部件的工作程序會依據(jù)本身序號依次向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。工作時序圖2描述了進行數(shù)據(jù)通信的時序關(guān)系，當光接收器輸出信號出現(xiàn)下降沿(即Ps=0)時，表示接收到主機的信號，上升沿到來時開始計時，而且以后的數(shù)據(jù)傳送也是以這個上升沿為參照標準。測量時間Txi +T0i 和Txj+T0j不大于40ms。對于第一個測量部件在同步信號啟動測量以后再延時TM1Txi +T0i就可以傳送數(shù)據(jù)了。為了可靠，本設計取TM1=50ms作為測量過程的延遲時間。設每次傳送數(shù)據(jù)的時間為TN，那么第二個測量部件傳送數(shù)據(jù)的延時就是第一個延遲時間加上TN，即：TM2= TM1+TN，后面的延時TM的計算依次類推。主機會根據(jù)這個過程在其內(nèi)部存儲區(qū)依次保存各個部分的測量數(shù)據(jù)，以便后來的計算和顯示。