摘 要：介绍了交流采样的基本原理，提出了intel80c196kc为核心处理单元来实现对电力电网的多路参数的智能测量，并给出了整个系统的软硬件设计方案。设计中采用外设事物服务器pts来响应a/d转换，大大减少了a/d转换时间，从而提高cpu的效率。
关键词：交流采样，单片机，a/d转换
随着电力系统自动化水平的日益提高，电力参数的获取和管理变得越来越重要。微机技术在电力系统中的普及应用，使电力系统的测量和监控技术得到了快速发展。从品种繁多的传统仪表获取电力参数已不能满足系统的要求，研制高精度、多参数、多功能、数字化的模块化电力仪表已成为当今的一个热门课题。我们通过对多种实现方案的分析比较，又根据现场需求的特点，最后选择了以intel80c196kc为核心处理单元的双cpu协同处理的硬件方案，以汇编语言和c语言混合编写软件，开发了一种新型的智能电力参数测试仪。
1 测试原理
交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值，相对于经过直流整流后再进行采样测量的直流采样更精确。我们应用80c196kc为仪表智能核心部件，采用芯片内部a/d变换器作为数据采集器，对电信号进行逐点瞬间采样，再由单片机计算出电压、电流有效值，有功功率，视在功率，功率因数，信号频率等。
若将电压有效值公式离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内的连续变化的电压函数值，计算式如式（1）。同时，电流有效值计算公式如式（2）。
其中，n为一个周期内的采样点数。
功率的计算从连续周期信号有效值的定义和功率的定义出发，用数值积分近似代替连续积分。有功功率的计算公式如式（3）
计算无功功率有多种算法，采用数字移相法微机计算量较小，数据处理实时性好。因为有功功率p和无功功率q仅在电压和电流相位上差90°，所以将无功功率写成
式中i(k+n/4)表示第(k+n/4)次的电流采样值（移相90°后的采样值），当(k+n/4)大于n时，(k+n/4)取为(k-3n/4)。
在三相四线制中用三表法，离散后求功率的表达式如下：
在三相三线制中用两表法，离散化后求功率的公式如下：
式中uuvk,uvwk分别表示1个周期内两个线电压的第k次采样值。
视在功率s及功率因数λ可以用以下公式求出：
将有功功率和无功功率分别对时间积分就可以求出有功电能和无功电能。
2 硬件设计
硬件电路如图1所示，我们采用数据采集、通信显示双cpu技术，很好地解决了电力电网的实时监测问题。
16位单片机80c196kc主要完成数据采集和管理控制程序。80c196kc运算速度快，主频可运行到20mhz，用高速输入/输出（hsio）结构进行事件控制，利用pts来响应a/d变换过程，可大大缩短a/d变换时间，非常适合对电力参数的多变量实时监测。8位单片机at89c2051完成通讯、显示和键盘功能，减轻了数据采集芯片的负担。
2.1 数据采集单元
为了降低成本，大信号的三相电流使用电流互感器得到交流小信号（小于±5v），而大信号的三相电压则用隔直电路隔掉直流，经过电阻分压得到交流小信号。考虑到电流输入的动态范围大，选用准确度合适的霍尔电流/电压互感器、跟随器及用高精度运放构建的i/u变换电路。三相交流电流经过电流互感器，再经过i/u变换电路，变换为低幅值的交流电压信号。为防止电网信号的混叠效应及高频干扰，对变送出来的交流信号要经过低通滤波。采用五阶巴特沃斯滤波器及阻容元件构成。
2.2 跟踪频率单元
使用离散算法必须满足每周波的n个采样点是均匀分布在每个工频周期内。通常采样频率多是通过设置cpu定时器分频系数来完成的，采样频率因而是固定的。但电力系统的频率是有变化的，因此，按照固定的采样频率采集的数据，计算结果也必然会出现误差，有可能引起测量精度的下降或自动装置的误动作。
我们考虑到电力工频变化不是很快，为提高测量精度，在正式采样之前先测得电力工频前一周期对应的计数值tc,然后实时计算出来样周期ts=tc/n,即可实现采样频率对电力工频的实时跟踪。电力工频采样电路图如图2所示。采样电压和电流经过降压隔离、低通滤波，由零比较器整形成方波，经光耦送到80c196kc的高速输入接口hsi.1和hsi.2，利用方波的上升沿触发高速输穰断his-mode，测得tc。经过单片机的分析计算得到采样间隔时间ts,以此设置80c196内的软件定时器中断，在软件定时器中断中进行数据采集和a/d转换的控制，完成采样频率的实时跟踪。
2.3 外部通信接口单元
由rs-485接口电路、高速光隔电路和rs-485控制电路组成。可以将测量数据上传到上位机（pc机），也可由上位机经串口下传设定系统参数。下位机（测试仪）与上位机之间的数据传送经过
