基于STM8的交流實時鎖相實現

摘 要：本文介紹了一種基于利用STM8內部資源實現VCO數字鎖相方法。通過STM8單片機內部定時器定時中斷，對交流輸入信號源與參考信號進行比較，并將該誤差值進行PID鎖相運算，從而達到VCO鎖相的目的。

關鍵詞：VCO；交流鎖相；單片機

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）30-0125-02

引 言

在電力控制設備運行中，控制設備往往需要對電網的電能參數進行實時采樣信號處理分析及計算，再根據電能參數值進行相應功能塊實現控制，從而達到自動控制目的。

當前單片機對電能參數的采樣技術可以分為直流采樣、交流采樣兩大類。直流采樣是把交流信號濾波整流成直流信號才輸入給單片機，這種方法存在誤差大、響應速度慢等缺陷。交流采樣直接將信號無損輸入給單片機，最大限度地保留了交流信號的實時性、完整性。交流采樣技術又可以細分為交流同步采樣、交流非同步采樣，交流同步采樣也稱為交流跟蹤采樣，即采樣頻率始終與輸入實時交流信號保持固定比例關系。交流非同步采樣也稱為交流異步采樣或交流定時采樣，即采樣頻率始終保持固定值，該值不隨輸入交流信號改變而改變。交流同步采樣以其精度高、響應快、穩定好等優勢逐步成為交流采樣處理的主流趨勢。交流同步采樣必須要對交流信號進行實時跟蹤鎖相，本文采用STM8單片機作為單片機，通過STM8內部硬件寄存器對交流信號進行兩種不同方式的實時同步跟蹤實現。

1 VCO鎖相原理

VCO鎖相原理如圖1所示，VCO鎖相是一個負反饋單元環路的閉環控制系統。鑒相器PD對輸入信號和反饋單元信號進行比較，產生一個誤差信號，該誤差信號輸入到低通濾波器LPF進行系統校正，校正后的信號再輸入到壓控振蕩器VCO進行控制處理，使得輸出信號與輸入信號一致，從而實現鎖相目的。

2 VCO鎖相的實現

STM8實現交流鎖相是在定時器里面實現，實現流程如圖2所示。STM8啟動后初始化鎖相環的參考基準值REF，接著初始化交流輸入信號源SAM，最后初始化TIM2定時器做鎖相環處理，由于國內電網頻率為50Hz，因此這里配置的TIM2起始中斷可以為20ms每次。當STM8的TIM2發生中斷時，讀取輸入信號源的信號值SAM，SAM與參考基準值REF進行比較，產生一個誤差值ERR，該誤差值通過PID校正計算進而產生響應的校正值Uk。這時就可以計算出TIM2定時器下一中斷時間的中斷值MR。如果PID選取合適，那么TIM2定時器每次中斷執行將使得參考值逐步趨近于輸入信號源，并最終達到同步鎖相的目的。

3 交流鎖相的具體實現方法

電網電能信號一般都是50Hz正弦波形強電范疇，STM8單片機想要獲取電網信號并實現鎖相，就必須設計一系列硬件采樣電路將電網信號降至弱電范圍，然后才能輸入到STM8取樣引腳。硬件電路有很多種，這里不做考究。如圖3所示，WAVE1波形為經過硬件電路處理過的取樣交流信號源，WAVE1波形包含了兩個信息：交流信號源，過零點電壓。將WAVE1波形的交流信號與零點電壓經過比較器可以進一步得到交流過零脈沖信號WAVE2。對于沒有ADC采樣的單片機，可以通過WAVE2波形進行鎖相實現。由于STM8單片機內部包含了ADC采樣和引腳中斷，因此這里擬分為兩種方式來實現鎖相。

3.1 交流信號的鎖相實現

STM8單片機內部包含ADC1和ADC2，均是10位逐次比較型模擬數字轉換器，支持單次和連續的轉換模式。STM8的ADC在單次采樣中需要延遲等待轉換時間，這勢必對鎖相過程產生影響，因此這里采用的是連續轉換模式的ADC。鎖相實現流程為：ADC2采樣過零電壓，作為參考值REF。ADC1采樣實時的交流信號，作為信號源SAM，通過兩者采樣值的比較產生誤差值，并計算校正值，根據校正值設置TIM2的MR值。TIM2逐次迭代后，將能夠實現實時鎖相的目的。

3.2 交流過零脈沖信號的鎖相實現

通過交流過零脈沖信號實現鎖相的思路是：如圖3所示，假定定時器TIM2產生待同步的內部中斷信號WAVE3，通過內部中斷信號與實際的交流過零脈沖信號比較，產生反饋值FBSign，該反饋值FBSign與參考值REF保持穩態同步即可實現鎖相。

實現的流程如圖4所示，程序初始化時，配置交流過零脈沖信號為下降沿中斷，配置TIM1為計數定時器器。當交流過零脈沖信號發生中斷時，讀取當前TIM1計數器對應的TC值，記為IOTC。當TIM2定時器發生中斷時，讀取TIM1計數器的TC值，記為TIM1TC。IOTC與TIM1TC比較值即為反饋FBSign值。余下TIM2實現步驟與上述交流信號鎖相實現類似。

4 結 語

本文利用STM8單片機內部定時器來實現對電網交流同步采樣的鎖相，并給出了兩種具體鎖相實現流程方式，較好地解決了單片機多種方式下的同步采樣鎖相問題。

參考文獻

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收稿日期：2018-9-13

作者簡介：周宜儐（1986-），男，廣西崇左人，工程師，工學學士，主要從事電力設備研發工作。