基于AT89S5l單片機(jī)和GPS OEM板實(shí)現(xiàn)功角測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

作者：孫丙香，溫春雪，嚴(yán)國志，楊同忠

1 引言

電力系統(tǒng)中的功角穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、頻率動(dòng)態(tài)變化及其穩(wěn)定性是相互誘發(fā)、相互關(guān)聯(lián)的，其中，發(fā)電機(jī)功角狀況是電力系統(tǒng)運(yùn)行的主要狀態(tài)變量．也是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的標(biāo)志。因此，實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)電機(jī)的功角是電力系統(tǒng)穩(wěn)定監(jiān)視和控制的關(guān)鍵。

電力系統(tǒng)內(nèi)部各送端、受端的分布廣泛而分散，若在各端安裝一臺(tái)GPS接收機(jī)，則GPS的全球性和高精度就能保證各地時(shí)間信號(hào)與UTC的相對(duì)誤差都不超過 lμs。這種全球范圍內(nèi)的高精度時(shí)間同步在電力系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)量中具有極高的利用價(jià)值。文中設(shè)計(jì)了基于GPS的功角測(cè)量裝置，可通過GPS接收板提供的秒脈沖和其時(shí)間標(biāo)記來進(jìn)行異地同步數(shù)據(jù)采集，實(shí)踐證明其效果很理想。

2 GPSOEM接收GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間

2．1 GPS OEM接收板

該GPS接收模塊采用GARMIN公司的GPSOEM板，型號(hào)為GPSl5L。它采用+5V電源供電．有12通道，最多可同時(shí)跟蹤12顆衛(wèi)星，如開通秒脈沖，可同時(shí)跟蹤11顆衛(wèi)星。

接收板自動(dòng)捕獲衛(wèi)星信息時(shí)間小于2s，熱啟動(dòng)時(shí)間約為15s（所有數(shù)據(jù)已知），冷啟動(dòng)時(shí)間約為45s（初始位置和時(shí)間未知）。自動(dòng)定位需要5min（歷書已知，初始位置和時(shí)間未知）。

NMEA0183信息更新輸出間隔從1s到900s可調(diào)，RS-232輸出，輸入可為RS-232或者具有RS-232極性的TTL電平。波特率從300bps~38400bps可選。

GPS OEM接收板在任意時(shí)刻能同時(shí)接收其視野范圍里4~11顆衛(wèi)星的信號(hào)，其內(nèi)部硬件電路和軟件通過對(duì)接收到的信息進(jìn)行解碼和處理，能從中提取并輸出二種時(shí)間信號(hào)：一是間隔為1s的同步脈沖信號(hào)1PPS（電平為3V），其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1μs：二是包括在串口輸出信息中的UTC （Coordinate Universal Time協(xié)調(diào)世界時(shí)）絕對(duì)時(shí)間（年、月、日、時(shí)、分、秒），它是與1PPS脈沖相對(duì)應(yīng)的，如圖1所示。

2．2 GPS OEM接收板的串行數(shù)據(jù)格式

GPS接收板的串口通信協(xié)議為：串口的傳輸率可調(diào)．默認(rèn)值為4800bps。無奇偶校驗(yàn)，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位。GARMIN的GPS 0EM板輸出的數(shù)據(jù)是以美國國家海洋電子協(xié)會(huì)（National Marine Electromcs Association）的NMEA0183 ASCII碼接口協(xié)議為基礎(chǔ)的。輸出為多條語句，內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、速度、方位角、高度、世界時(shí)、星歷等信息。輸出秒脈沖（1PPS）的精度高達(dá)± 1μs。

NMEA0183輸出語句的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中以ASCII碼為輸出形式的NMEA 0183的RMC語句如下：

Recommended Minimum Specific GPS／TRANSIT Data（RMC）推薦定位信息

$GPRMC，《1》，《2》，《3》，《4》，《5》，《6》，《 7》，《8》，《9》，《10》，《11》，《12》*hh

$GPRMC：定位數(shù)據(jù)語句起始標(biāo)志

UTC時(shí)間，hhmmss（時(shí)分秒）格式。

《2》定位狀態(tài)，A=有效定位，V=無效定位 ……

《9》UTC日期，ddmmyy（日月年）格式 ……

2．3 GPS OEM板精確時(shí)間的提取及應(yīng)用

秒脈沖是一電平信號(hào)，且其上升沿對(duì)應(yīng)著一精確的UTC時(shí)刻。因此，可用此電平信號(hào)的上升沿對(duì)其他設(shè)備（如單片機(jī)、計(jì)算機(jī)等）進(jìn)行控制或觸發(fā)，這樣，即可記錄下秒脈沖上升沿到來的準(zhǔn)確時(shí)刻，再從RS-232接口傳輸?shù)腉PRMC語句獲取UTC時(shí)刻，經(jīng)計(jì)算處理即可求得設(shè)備的精確時(shí)鐘差，從而得到精確的UTC時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)GPS的精確授時(shí)。

用計(jì)時(shí)型單片機(jī)與GPS 0EM接收板組合，對(duì)OEM板的lPPs輸出進(jìn)行整形，用其來控制單片機(jī)的中斷和軟件計(jì)數(shù)脈沖，再把0EM板RS232口輸出的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)的串口輸入端，為單片機(jī)提供1PIPS對(duì)應(yīng)的UTC時(shí)刻值，其授時(shí)精度最高可以達(dá)10-6s以上。而且單片機(jī)具有精度高、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。用秒脈沖結(jié)合RS -232輸出的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行授時(shí)，這種方法需接收二種信號(hào)，即秒脈沖的電平信號(hào)（+3V）和RS-232格式中的UTC信號(hào)。而電平信號(hào)與RS-232格式信號(hào)不一致，因此，需分兩個(gè)端口分別接收。在本次設(shè)計(jì)中，采用AT89S51型單片機(jī)接收RS-232時(shí)間數(shù)據(jù)，每秒更新一次。對(duì)應(yīng)的UTC秒脈沖上升沿控制觸發(fā)另一C8051F021型單片機(jī)同時(shí)采集3相電壓和電流信號(hào)，然后將采集的信號(hào)和AT89S51型單片機(jī)存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行下一步分析。

2．4 GPS授時(shí)系統(tǒng)的硬件組成

GPS衛(wèi)星時(shí)鐘接收機(jī)由GPS接收天線（5MHz，3V）、GPS OEM接收板（GARMIN公司的GPSl5 L）、ADM202E、單片機(jī)（AT89S51）、鎖存器（74LS574）、雙口RAM（CY7C13l的容量為1K）組成。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由于AT89S5l型單片機(jī)的輸出為0V～5V的_TTL電平，而OEM板配置的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者的性能規(guī)范不一致，不能直接進(jìn)行通信。為使1TTL電平與RS-232標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)，采用一種雙路發(fā)送／接收集成電路（ADM202E）。該電路的功耗低，只需單電源（+5V）供電，片內(nèi)具有兩套電壓提升器構(gòu)成的4倍電壓變換器，能產(chǎn)生+10V和-10V電壓，這樣就使單片機(jī)和0EM板之間的電壓完全匹配。

在AT89S51型單片機(jī)系統(tǒng)中。當(dāng)對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作即執(zhí)行［email=MOVX@DPTR，A］MOVX@DPTR，A［/email］，A（累加器A中數(shù)據(jù)送片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器），MOVX A，@DPTR（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)送累加器A1指令時(shí)，DPTR的低8位地址在鎖存信號(hào)ALE的下降沿被鎖存在地址鎖存器中。高8位地址直接送到目標(biāo)．然后8位數(shù)據(jù)直接送往目標(biāo)器件。

雙端口。RAM最重要的特點(diǎn)是每個(gè)器件有2組數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線。只要不是同時(shí)訪問同一個(gè)存儲(chǔ)單元，就允許2個(gè)端口同時(shí)對(duì)片內(nèi)任何存儲(chǔ)單元進(jìn)行獨(dú)立的讀，寫操作而互不干擾；如果2個(gè)端口同時(shí)訪問同一個(gè)存儲(chǔ)單元．則由片內(nèi)的仲裁邏輯決定訪問哪個(gè)端口。

在硬件設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要2個(gè)設(shè)備有權(quán)訪問同一塊存儲(chǔ)區(qū)，如果使用常規(guī)的單端口存儲(chǔ)器，那么當(dāng)某一個(gè)設(shè)備正在訪問時(shí)．別的設(shè)備則無法訪問．嚴(yán)重降低了工作效率．而且不論是采用HOLD信號(hào)使某一設(shè)備“掛起”的方法．還是采用二套總線二選一的方法，都給邏輯電路的設(shè)計(jì)增添了負(fù)擔(dān)。相比之下，使用雙端口RAM的好處至少有二點(diǎn)：首先，可將2個(gè)設(shè)備的總線與雙端口RAM的2個(gè)端口分別相連，邏輯設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了；其次．只要安排得當(dāng)，雙口RAM無沖突地為2個(gè)端口服務(wù)，則可使訪問效率比常規(guī)單端口RAM提高l倍。

2．5 GPS授時(shí)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為初始化、GPS數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳送子程序3部分。軟件流程如圖4所示。

首先將GPS OEM接收板通過串口與PC連接好，接通主電源和備用電源，用自帶的接收軟件SNSRCFG設(shè)置初始化信息，只輸出一條GPRMC語句，保證每秒接收存儲(chǔ)時(shí)間信息的精度；然后轉(zhuǎn)化為NMEA格式，連接上傳，則初始化信息就自動(dòng)將被保存在板內(nèi)的永久性存儲(chǔ)器中，下次上電時(shí)將會(huì)自動(dòng)生效。如需更改則要再次修改參數(shù)和再次上傳。

系統(tǒng)上電后硬件復(fù)位，設(shè)置UART的波特率為19200b／s，數(shù)據(jù)通信格式為10位異步收發(fā)；授時(shí)接收系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，單片機(jī)（AT89S51） 通過RS-232串行方式接收GPS OEM板的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。通過查詢字頭，接收OEM板GPRMC輸出語句中的時(shí)、分、秒和年、月、日信息。沒有用的信息跳過。由于接收到的是UTC時(shí)間．出于習(xí)慣考慮，將UTC時(shí)間轉(zhuǎn)化為北京時(shí)間。

本地時(shí)間=GPS時(shí)間+時(shí)區(qū)值

北京位于第8時(shí)區(qū)，時(shí)區(qū)值為+8。將接收到的時(shí)間信息轉(zhuǎn)化為北京時(shí)間，按日、月、年、時(shí)、分、秒的順序存儲(chǔ)在片內(nèi)30H到3BH這12個(gè)單元中。然后用 MOVX指令將數(shù)據(jù)送到片外雙口RAM的0C00H到0COBH中，供另外需要時(shí)間信息的CPU調(diào)用。圖5為某次仿真結(jié)果，時(shí)間是北京時(shí)間2005年4月 15日9時(shí)lO分8秒。

3 結(jié)束語

GPS具有全球性、全天候、精度高等優(yōu)點(diǎn)，利用GPS精密授時(shí)功能可以快速、精確、同步地獲得功角測(cè)量系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)狀態(tài)。實(shí)踐證明．這種全球范圍內(nèi)的高精度時(shí)間同步在電力系統(tǒng)檢測(cè)和測(cè)量中發(fā)揮了極大的作用，GPS技術(shù)的應(yīng)用必將對(duì)電力系統(tǒng)的安全檢測(cè)、穩(wěn)定控制帶來革命性的變革，GPS技術(shù)的采用將大大促進(jìn)和帶動(dòng)電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和提高

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