頻率和電壓是電力系統(tǒng)中的兩個重要電氣量。提出了一種基于80C196單片機(jī)HSI的頻率測量方法，并依據(jù)測量的頻率來改變電壓的采樣時間間隔，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤功能。該方法頻率測量精度高，實(shí)行頻率跟蹤采樣，提高了電壓計算精度。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)，80C196，頻率測量，頻率跟蹤，電壓計算

1　引　言
　　在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是反應(yīng)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的兩個重要參數(shù)。同時，在繼電保護(hù)行業(yè)，電壓和頻率也是繼電保護(hù)、測控、同期合閘等裝置進(jìn)行相應(yīng)動作的重要判據(jù)。
　　電力系統(tǒng)中，一般為了節(jié)省測頻回路，頻率的測量傳統(tǒng)上都是利用電壓的采樣瞬時值來計算頻率〔2〕〔3〕，這種方法由于采樣精度和諧波的原因，雖然采用了各種補(bǔ)償措施，實(shí)際測量精度仍然不能滿足像自動準(zhǔn)同期等以頻率或頻差作為動作判據(jù)的裝置的要求。電壓的計算，傳統(tǒng)上一般采用傅立葉算法。傅立葉算法有著把基波及各次諧波分量分離的優(yōu)點(diǎn)，可以得到各分量的大小，從而得到了廣泛的應(yīng)用。但是這種算法中相關(guān)系數(shù)固定，當(dāng)被測信號頻率變化時，會帶來較大的測量誤差。對于這種情況，有采用鎖相倍頻采樣觸發(fā)電路〔4〕〔5〕的方法，來保證每一信號周期內(nèi)獲取相同的采樣點(diǎn)數(shù)，提高計算精度，但同時，這種專門的鎖相倍頻采樣觸發(fā)電路增加了設(shè)計成本和調(diào)試難度。
　　本文提出了一種利用80C196的HIS（High SpeedInput，高速輸入）對信號進(jìn)行頻率測量的方法，測量精度高，通過測得的頻率相應(yīng)地改變電壓采樣頻率，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，很好地提高電壓計算精度。這種方法既簡化了電路設(shè)計，又在得到高精度頻率測量的同時提高了電壓計算精度。
2　硬件設(shè)計
2．1　硬件構(gòu)成
電力系統(tǒng)中，三相電壓頻率是一樣的，任選其中一相作為頻率測量的信號。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　測頻信號需要實(shí)行濾波和整形電路。濾波是為了濾除諧波和紋波，為整形提供較好的檢測信號。整形電路將濾波后的正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號。電壓測量不需要濾波，以便保留更多的波形信息。
2．2　濾波整形電路
　　因為測量頻率只需要周期信號，而無需相位信息，所以，整形電路無須過零檢測，考慮到這一點(diǎn)，整形電路實(shí)現(xiàn)就比較方便。實(shí)際設(shè)計中，為了簡化電路，濾波電路與整形電路功能采用一片集成芯片MC1489來完成。MC1489是單片集成四路電平轉(zhuǎn)換器，其中每一路都可實(shí)現(xiàn)整形功能，外加電容起到濾波的作用。電路如圖2所示。
3　軟件實(shí)現(xiàn)
3．1　測頻原理及誤差分析

　　用HSI事件實(shí)現(xiàn)測頻，實(shí)際上是測量周期的方法，對于80C196單片機(jī)來說，即，在觸發(fā)的時間內(nèi)，每8個晶振周期對信號周期的計數(shù)。當(dāng)晶體振蕩頻率為20 MHz時，內(nèi)部晶振周期為0．1μs（因為內(nèi)部經(jīng)過了2分頻），每0．8μs計數(shù)一次。從這可以看出，測量絕對最大誤差為信號前后邊界共1．6μs，對于周期為20 ms的50 Hz的信號，最大誤差折算到頻率約為0．004 Hz，所以，頻率測量精度可達(dá)到0．01 Hz。當(dāng)晶體振蕩頻率越高或被測信號周期越長時，相對誤差就越小。
3．2　頻率測量的實(shí)現(xiàn)思路
　　HSI事件可以采用中斷方式和查詢方式讀取，因為測頻的同時要改變采樣中斷間隔，在采樣中斷中以查詢方式實(shí)現(xiàn)更為方便簡潔。
　　查詢方式下，HSI事件主要依靠配置或讀取寄存器IOC0、HSI　MODE、IOS1、HSI　STATUS以及HSI　TIME的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)。IOC0用于事件引腳選擇。由HSI引腳輸入的外部事件有四種觸發(fā)方式，分別為負(fù)跳變觸發(fā)、正跳變觸發(fā)、正負(fù)跳變觸發(fā)、每8個正跳變觸發(fā)，各觸發(fā)方式通過HSI　MODE來設(shè)置。IOS1記錄了有HSI部件保存寄存器數(shù)據(jù)是否有效的信息。HSI　STATUS存放每個輸入引腳的兩種信息，一是說明該引腳是否有事件發(fā)生，二是記錄當(dāng)前該引腳電平狀態(tài)。HSI　TIME存放的是保持寄存器所存事件的時間值〔1〕。
　　假定HSI只用到HSI．0。初始化時，設(shè)置IOC0為01H，選擇HSI．0為事件輸入引腳。設(shè)定HSI　MODE寄存器為01H，即，每個正跳變?yōu)橐粋€事件的觸發(fā)方式。在采樣中斷中讀取時間值，先查詢IOS1．7，若該位為1，則表明保持寄存器已加載，可對HSI的事件予以讀取。讀取HSI　STATUS和HSI　TIME兩個寄存器，進(jìn)行處理。
3．3　頻率的計算及采樣跟蹤
　　此處為了闡述明了起見，給出頻率測量及頻率跟蹤程序源代碼，該程序增加了防止測頻回路出錯而導(dǎo)致采樣錯誤的功能。