专利名称：一种gps秒基实时自适应均匀间隔采样同步数据采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种秒基均勻间隔的实时自适应同步采样装置，适用于以GPS秒脉冲有效沿(秒标)为基准的采样点同步的分布式测量等场合，如电力系统广域测量系统， 或对测量同步有特殊要求的设备系统。
背景技术：
现代数据采集系统中，均以微控制器MCU为核心、以全球定位系统GPS为统一授时，获取具有时标的精确同步信息数据。在广域测量系统中，需要在统一时标上进行数据的分析。例如电力系统电参数测量中，需要采集不同地域多个端点的数据，且需要各端点的采样点都能以GPS秒标为基准的同步。多端点采样同步方法一般采用基准秒脉冲输入锁相环，锁相环输出倍频获得等间隔脉冲，锁相环在低频段一般入锁比较慢，且相位跟踪性能很难满足实际要求，参数调整不易。另一种方法是采样环节以高频振荡源Fosc的标称频率经MCU(Micro Controller Unit) 内部分频之后的Fm的时钟脉冲为基础信号，以N点/每秒为依据，通过固定计数值分频后形成采样周期脉冲，高频振荡源i^osc的精度及工作环境条件变化对采样周期脉冲间隔造成偏差并形成累积，致使各端点的采样数据不同步。这种在标准1秒时间中的不同步产生的影响，一是由于各采样装置i^osc的分散性致使采样点的时间偏差，采样点越靠近秒基则由累积所形成的偏差越大；二是可能出现1秒时间内采样点大于或小于N的情况。因此需要解决的问题是采样脉冲精确与秒基脉冲同步、秒基中采样点恒定、采样间隔均勻准确。
发明内容本实用新型的目的在于为了同步广域多个端点装置之间的采样点，提供一种 GPS秒基实时自适应均勻间隔采样同步数据采集装置。本实用新型由前置处理电路、模数转换器、GPS及天线模块、MCU微控制器构成。前置处理电路将被测电流或电压信号采样再经电流或电压器放大整流后分别送至模数转换器的信号输入端，模数转换器为6路模拟输入的16位同步采样模数转换器，其数据I/O端口 DB8-15的8位数据线对应连接到MCU微控制器的数据线Pl 口，转换开始输入脚23、22、 21并接后与MCU微控制器的P0. 2 口，MCU的P0. 4连接到ADC的片选线/CS上，MCU微控制器的P0. 6 口接到模数转换器的读线/RD上，模数转换器的BUSY与MCU的P0. 3相连；GPS及天线模块接收高频信号和解码并产生秒基PPS信号，其作为微控制器的秒基信号和用于测量每秒的MCU工作时钟频率Fm，与MCU微控制器的外部中断P3. 6相连接，当每秒脉冲PPS 上跳沿时MCU产生中断，获得实时秒信号，用于产生秒同步采样信号，PPS信号线接入MCU 的 P0. 1。本实用新型所述前置处理电路由电压变换器、电流变换器、第一、第二反向比例运算放大器及第一至第八电阻构成，电压变换器两个输出端分别串接第一、第二电阻后与第一反向比例运算放大器的输入负端及正端连接，第一反向比例运算放大器的输出端串接第四电阻后连接模数转换器(A/D)的Vl引脚，第三电阻跨接于第一反向比例运算放大器的输入负端及输出端间；电流变换器两个输出端分别串接第五、第六电阻后与第二反向比例运算放大器的输入负端及正端连接，第二反向比例运算放大器的输出端串接第八电阻后连接模数转换器(A/D)的V4引脚，第七电阻跨接于第一反向比例运算放大器的输入负端及输出端间。本实用新型以GPS的每秒脉冲PPS为基准，在每个GPS秒脉冲有效触发沿测量工
作时钟Fat频率(或者时钟数)值，根据给定的秒间采样点数，计算每个采样间隔需要的时
钟计数值，然后根据余数计算需均衡调整的补偿采样点位置，对补偿采样点以实时修正，以补偿采样间隔值，这些调整修正以满足采样周期的均勻性和间隔偏差为最小，实现秒基采样脉冲的精准同步。这种调整为实时自适应方式，对装置工作时钟源的精度和偏差(与工作环境有关)予以修正，保证采样周期误差都小于设定范围。实时自适应实现秒基同步采样均勻间隔脉冲的产生，由嵌入式微控制器、MCU、ARM (Advanced RISC Machines),FPGA (Field Programmable Gate Array)>CPLD (Complex Programmable Logic Device)的功能设置禾口相应的算法实现。
图1为本实用新型结构原理框图；图2为本实用新型第i次采样后计算I1间隔时间自动重装CLK数的操作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本实用新型进一步说明。参见图1，本实用新型由前置处理电路2、模数转换器(A/D) 3、GPS及天线模块4、 MCU微控制器5构成。前置处理电路2将被测电流或电压信号1采样再经电流或电压器放大整流后分别送至模数转换器3的信号输入端，由电压变换器U、电流变换器I、第一、第二反向比例运算放大器Al、A2及第一至第八电阻R1-R8构成。电压变换器U两个输出端分别串接第一、第二电阻R1、R2后与第一反向比例运算放大器Al的输入负端及正端连接，第一反向比例运算放大器Al的输出端串接第四电阻R4后连接模数转换器(A/D》的Vl引脚，第三电阻R3跨接于第一反向比例运算放大器Al的输入负端及输出端间；电流变换器I两个输出端分别串接第五、第六电阻R5、R6后与第二反向比例运算放大器A2的输入负端及正端连接，第二反向比例运算放大器A2的输出端串接第八电阻R8后连接模数转换器(A/D) 3的V4引脚，第七电阻R7跨接于第一反向比例运算放大器Al的输入负端及输出端间。第一反向比例运算放大器Al、第二反向比例运算放大器A2用以实现阻抗和信号的匹配，电压变换器U、流变换器I分别采用为电压变换器(TR3121)和电流变换器 (TR2110),将被测电压和电流变换为0-3V有效值电压。模数转换器3采用型号为AD7675芯片，为6路模拟输入的16位同步采样模数转换器，可接入6路双极性模拟电信号，其数据I/O端口 DB8-15的8位数据线对应连接到MCU 微控制器5的数据线Pl 口，转换开始输入脚23、22、21并接后与MCU微控制器5的P0. 2 口，MCU的P0. 4 (51脚)连接到ADC的片选线/CS上，MCU微控制器5的P0. 6 口接到模数转换器的读线/RD上，模数转换器的BUSY (18脚)与MCU的P0. 3 (52脚)相连；MCU微控制器5 可以对每路模拟转换的数据分两次读取组成16位的转换结果数据，连续读取6路信号的转换值，存放到具有时间标度的存贮器中，使广域分布的测量系统能在统一时间标度下分析数据。GPS及天线模块4提供微控制器的工作基本时钟，通过接收高频信号和解码并产生秒基PPS信号，其作为微控制器的秒基信号和用于测量每秒的MCU工作时钟频率Fm，与 MCU微控制器5的外部中断(INT6) P3. 6相连接，当每秒脉冲PPS上跳沿时MCU产生中断， 获得实时秒信号，用于产生秒同步采样信号，PPS信号线接入MCU的P0. 1。同时PPS信号线接入MCU的P0. 1 脚)捕捉控制信号，获得以Fm频率脉冲计数的1秒钟计数值，用于产生精确的定时采样信号。MCU微控制器5型号为C8051F021，用于进行以GPS秒标为基准的采样点同步计算和控制。由振荡器i^osc产生微控制器的工作时钟源作为基本时钟。通过P0. 2 (53脚)输出采样脉冲启动模数转换(A/D)进行模数转换。MCU微控制器5具备人机接口及内在扩展接口。本实用新型的工作过程及原理为(1)秒基采样同步由GPS获得PPS中断信号有效边沿并通过微控制器发出的采样脉冲控制输出信号启动模数转换器采样。(2)秒基PPS时间中的i'i频率(CLK)测量由微控制器的计数器门控信号允许信号CLK到计数器，PPS有效边沿控制输出将微控制器的计数器的计数值进入微控制器的捕获寄存器，微控制器的CPU响应PPS中断，读取每秒1值，即每秒的CLK数值X。(3)计算每秒采样N点的采样间隔所需的CLK基数M，基值为M、65M6-M。由微控制器的CPU获取的每秒CLK数值X和给定的每秒采样点N做除法计算 XjN=M■.….足，得商M为采样间隔的CLK基数M。K为余数。(4)以M为基数的采样间隔脉冲发生微控制器的计数定时器以CLK为计数脉冲做“加1”计数，到计满(65536)溢出为定时时间到的标志。微控制器的计数定时器(基值M' = 65 6-i/)和自动重装载寄存器 (基值ΑΤ=β5336-M )组成的自动重装载定时计数器，以微控制器的CLK脉冲控制计数定时器从JT=fiS536-M加M个脉冲后回零，产生计数器溢出信号，通过控制装载信号将自动重装载寄存器的基值ΑΤ = 65536-M载入计数定时器中，计数器溢出信号作为采样间隔时间到由微控制器的CPU发出采样脉冲控制信号。( 5)实时自适应计算获得N均勻间隔采样脉冲在N点中均勻分布K点修正采样间隔计数基数为M+1,基值为 i/^65536-(Af+l)。由每次采样时的模型算法获得实时自适应的N个均勻间隔采样周期，通过写入
权利要求1.一种GPS秒基实时自适应均勻间隔采样同步数据采集装置，其特征在于由前置处理电路、模数转换器、GPS及天线模块、MCU微控制器构成；前置处理电路将被测电流或电压信号采样再经电流或电压器放大整流后分别送至模数转换器的信号输入端，模数转换器为 6路模拟输入的16位同步采样模数转换器，其数据I/O端口(DB8-15)的8位数据线对应连接到MCU微控制器的数据线(Pl) 口，转换开始输入脚(23、22、21)并接后与MCU微控制器的(P0. 2) 口，MCU的(P0. 4)连接到ADC的片选线/CS上，MCU微控制器的(P0. 6) 口接到模数转换器的读线/RD上，模数转换器的BUSY与MCU微控制器的(P0. 3)相连；GPS及天线模块接收高频信号和解码并产生秒基PPS信号，其作为微控制器的秒基信号和用于测量每秒的MCU工作时钟频率Fm，与MCU微控制器的外部中断(P3. 6)相连接，当每秒脉冲PPS上跳沿时MCU微控制器产生中断，获得实时秒信号，用于产生秒同步采样信号，PPS信号线接入 MCU微控制器的(P0. 1)。
2.如权利要求1所述的GPS秒基实时自适应均勻间隔采样同步数据采集装置，其特征在于前置处理电路由电压变换器、电流变换器、第一反向比例运算放大器、第二反向比例运算放大器、及第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、 第八电阻构成，电压变换器两个输出端分别串接第一电阻、第二电阻后与第一反向比例运算放大器的输入负端及正端连接，第一反向比例运算放大器的输出端串接第四电阻后连接模数转换器的(Vl)引脚，第三电阻跨接于第一反向比例运算放大器的输入负端及输出端间；电流变换器两个输出端分别串接第五电阻、第六电阻后与第二反向比例运算放大器的输入负端及正端连接，第二反向比例运算放大器的输出端串接第八电阻后连接模数转换器的(V4)引脚，第七电阻跨接于第一反向比例运算放大器的输入负端及输出端间。
专利摘要本实用新型公开了一种GPS秒基实时自适应均匀间隔采样同步数据采集装置，由前置处理电路、模数转换器、GPS及天线模块、MCU微控制器构成。前置处理电路将被测信号采样再经放大整流后分别送至模数转换器的信号输入端，模数转换器为6路模拟输入的16位同步采样模数转换器，GPS及天线模块接收高频信号和解码并产生秒基PPS信号，其作为微控制器的秒基信号和用于测量每秒的MCU工作时钟频率FCLK，用于产生秒同步采样信号。本实用新型可对补偿采样点以实时修正，以补偿采样间隔值，从而满足采样周期的均匀性和间隔偏差为最小，实现秒基采样脉冲的精准同步，对工作时钟的精度和偏差予以修正，保证了采样周期误差都小于设定范围。
文档编号G01R19/25GK202256483SQ20112041181
公开日2012年5月30日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者万宇, 严国志, 何萍, 刘成庆, 孙其寿, 帅玲玲, 张承学, 李俊, 段志远, 毛鹏, 温钱明, 胡志坚 申请人:江西省电力公司超高压分公司