專利名稱：一種交流采樣計算的新方法和基于此方法的“真有效值”采樣集成電路的制作方法
1、本發(fā)明所屬領(lǐng)域單片機(jī)，集成電路，交流采樣，智能儀表，測量與控制，RMS轉(zhuǎn)換器件2、本發(fā)明的技術(shù)背景在電力系統(tǒng)中，對交流電量的測量，早期普遍采用直流采樣，即對經(jīng)過整流后的直流量進(jìn)行采樣測量。此方法軟件設(shè)計簡單，計算方便，對采樣值只需作比例變換即可得到被測量的數(shù)值。但直流采樣方法存在一定問題測量精度直接受整流電路的影響，而整流電路參數(shù)調(diào)整困難，受波形因素影響大，尤其是測量滯后，實(shí)時性差等。由于存在這些問題，大大限制了直流采樣方法的應(yīng)用。
另一種得到廣泛應(yīng)用的方法，是交流采樣法，在交流采樣法中，對于如何計算有效值，則又有多種方法其一，用一個周期內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的最大值(如果采樣點(diǎn)足夠多，可以認(rèn)為采樣值為峰值)乘0.707得到有效值；其二，以半周期內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的平均值乘1.11得到有效值。但是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，隨著電力系統(tǒng)中各種調(diào)速、調(diào)功設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)電源的質(zhì)量開始變壞、波形畸變、協(xié)波分量增大，上述兩種方法已不能準(zhǔn)確計算有效值，為此，已在國際上引起廣泛重視，并開始采用一種新的計算有效值的方法，即計算所謂“真有效值的”的方法，該方法的實(shí)質(zhì)在于通過把交流周期信號離散成若干點(diǎn)值，再通過離散積分計算其均方根值(RMS)或“真有效值”。
計算均方根值(RMS)或“真有效值”的交流采樣方法，近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，雖已獲得越來越多的應(yīng)用，但該方法在采樣精度和處理速度方面，仍存在嚴(yán)重問題。決定該方法采樣精度的因素主要有以下兩點(diǎn)1、每一個離散點(diǎn)的采樣精度；2、每一個信號周期內(nèi)被離散的采樣點(diǎn)的數(shù)量。前一個制約因素取決于A/D轉(zhuǎn)換的精度(位數(shù))，后一個因素則取決于微處理器的運(yùn)行速度，這是已被人們認(rèn)識到的。然而，每一個離散點(diǎn)的采樣精度的提高或位數(shù)的增多，同樣需要消耗相對多一點(diǎn)的時間，這說明該方法在采樣精度和處理速度方面，或在準(zhǔn)確性和實(shí)時性方面，仍存在嚴(yán)重限制。其實(shí)更耗費(fèi)時間的還在于，要對大量的采樣結(jié)果進(jìn)行數(shù)值處理，這些處理包括對大量離散量值求平方，和求一個數(shù)的平方根。計算一個數(shù)的平方根，更是需要耗費(fèi)大量時間。有一種已被廣泛應(yīng)用而且相對較快的方法用于計算一個數(shù)的平方根，即牛頓-拉夫森(Newton-Raphson)方法，盡管這種方法在數(shù)學(xué)計算上可以很快，但它需要進(jìn)行大量反復(fù)的除法運(yùn)算。正是因為存在這些問題，人們不得不選用具有更高運(yùn)行速度的微處理器，或者專用的數(shù)字處理器件(DSP)以及各種各樣的專用的所謂“真有效值”(RMS)轉(zhuǎn)換器件。
理論和實(shí)際應(yīng)用證明，本發(fā)明方法較之現(xiàn)有方法可提高速度數(shù)千倍。
3、本發(fā)明的內(nèi)容本方法的特征之一是，它是一種交流采樣計算的新方法，并且根據(jù)這種方法可以制造出一種新型的“真有效值”(RMS)轉(zhuǎn)換器件。該方法是一種借助高級計算機(jī)(如個人計算機(jī)，PC)完成采樣結(jié)果的數(shù)值處理，而單片微處理器或微控制器只作數(shù)值地址的索引查找，或只作量值比較判斷的計算方法。本發(fā)明方法的原理在于認(rèn)識到，盡管被測電量的值實(shí)際上可能是無限多的，但對于給定的單片計算機(jī)或模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)器件來說，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)值的個數(shù)則是完全確定的只能有有限多個，這一數(shù)值的個數(shù)，對于8位A/D來說是256個，對于10位A/D來說是1024個，對于12位A/D來說，則是4096個，等等。同樣，其“真有效值”的個數(shù)也一定是完全確定的只能有有限多個，而且同樣分別是256個，1024個和4096個，等等。
按照該方法，當(dāng)假定相鄰兩次采樣的時間間隔相等的情況下，電壓或電流的有效IRMS=1NΣi=1NXi2]]>值可由下式表示(以電流的有效值為例)式中Xi..........第i個時間間隔電流采樣的瞬時值N..........一個周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)按照本發(fā)明所提出的算法，將上式改寫成IRMS=X12N+X22N+······+XN2N]]>于是，本發(fā)明--------一種交流采樣計算的新方法，包含以下步驟1、連續(xù)采樣N點(diǎn)，并保存各點(diǎn)采樣值，X1，X2，.......Xn。
2、求出根號內(nèi)各項，即各個采樣瞬時值的平方的N分之一。因為對于確定的A/D轉(zhuǎn)換器件，由于其位數(shù)是確定的，因此X1，X2，.......Xn的值也必是完全確定的，以8位精度A/D為例，它們必是0到255，或16進(jìn)制的0到FF。所以本發(fā)明提供一個用計算機(jī)高級語言編寫的輔助計算程序，它可以迅速給出從各個采樣瞬時值X1，X2，......Xn查找其平方的N分之一，即X12N,X22N,······,XN2N]]>3、單片機(jī)或其它微控制器根據(jù)步驟2通過查表或量值比較求出各個采樣瞬時值的平方的N分之一值，并完成其N個子項的加法求和。
4、單片機(jī)或其它微控制器根據(jù)步驟3所求出的和以及本發(fā)明所提供的一個用計算機(jī)高級語言編寫的輔助計算程序所給出的一個數(shù)與其平方根的對照表通過查表或量值比較求出本次電流采樣的“真有效值”或均方根值(RMS)。
本方法的特征之二是，它包括一個計算機(jī)應(yīng)用程序，該程序用VB或VC寫成(應(yīng)用程序界面見附

圖1)。該程序提供一個界面，當(dāng)用戶選定A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)(8，10，12，...等)，并輸入一個周期內(nèi)采樣點(diǎn)的個數(shù)(N)后，該程序?qū)⒖煞謩e給出1、一次采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換值Xi與該值的平方的N分之一(1/N*(Xi*Xi))的16進(jìn)制值對照表；2、一個數(shù)與它的平方根的16進(jìn)制值的對照表。該對照表，將被用于單片機(jī)或其它微控制器(MCU)，并使之可以迅速求出交流信號的“真有效值”或均方根值(RMS)。
本方法的特征之三是，基于本方法可以制成一種具有更高性價比的“真有效值”或均方根值(RMS)采樣集成電路。這種集成電路是一種包含模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)模塊和固化有本專利算法的微控制器(MCU)模塊的混合集成電路。
本方法的特征之四是，本發(fā)明方法對于多字節(jié)數(shù)據(jù)表實(shí)施的一種快速查找法，即對于多字節(jié)數(shù)實(shí)施分字節(jié)查找，并且從高字節(jié)向低字節(jié)查找的方法。以查找雙字節(jié)數(shù)的平方根為例，下表中，右側(cè)一列是一個16進(jìn)制的雙字節(jié)數(shù)，左側(cè)一列是其對應(yīng)的根
； 0toFFH平方(H)0x01 ；0x10x02 ；0x40x03 ；0x90x04 ；0x100x05 ；0x190x06 ；0x240x07 ；0x310x08 ；0x400x09 ；0x510x0A ；0x640x0B ；0x790x0C ；0x900x0D ；0xA90x0E ；0xC40x0F ；0xE10x10 ；0x1000x11 ；0x1210x12 ；0x1440x13 ；0x1690x14 ；0x1900x15 ；0x1B90x16 ；0x1E40x17 ；0x2110x18 ；0x2400x19 ；0x2710x1A ；0x2A40x1B ；0x2D9從以上數(shù)表可以看出，當(dāng)高字節(jié)為零時，它的根的值的范圍是0x01到0x0F，而當(dāng)高字節(jié)為1時，它的根的值的范圍是0x10到0x16，當(dāng)高字節(jié)為2時，它的根的值的范圍則是0x17到0x1B。
若單片機(jī)采用量值比較進(jìn)行查找時，首先比較高字節(jié)以確定根的范圍，再比較低字節(jié)找到確定的根值。
以下結(jié)合附圖1對本專利方法作進(jìn)一步的說明。
附圖1“A/D位數(shù)”右側(cè)的下拉框是供用戶選取A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)的，用戶可以選擇8位、10位、12位，等?！安蓸狱c(diǎn)數(shù)/周期；”右側(cè)的文本框是供用戶輸入設(shè)置每周期采樣點(diǎn)數(shù)用的。程序界面的左下角的幾個按鈕，則可以分別完成不同的計算。程序界面右側(cè)的大文本框中顯示的則是當(dāng)A/D位數(shù)為8，每周期采樣點(diǎn)數(shù)為40時，按“Xi←---→(Xi*Xi)/N”按鈕后，程序自動生成的可供美國微芯(MicroChip)公司PIC系列微控制器(MCU)芯片直接調(diào)用的表格。以下是此表格的部分內(nèi)容；8位A/D，N＝40時的數(shù)據(jù)表；Xi*Xi/N(H) ；Xi(H) Xi(D)Xi*Xi/N(D)retlw 0x00；0x01 1 .025retlw 0x00；0x02 2 .1retlw 0x00；0x03 3 .225retlw 0x00；0x04 4 .4retlw 0x01；0x05 5 .625retlw 0x01；0x06 6 .9
retlw 0x01 ；0x07 7 1.225retlw 0x02 ；0x08 8 1.6retlw 0x02 ；0x09 9 2.025retlw 0x02 ；0x0A 10 2.5retlw 0x03 ；0x0B 11 3.025retlw 0x04 ；0x0C 12 3.6retlw 0x04 ；0x0D 13 4.225retlw 0x05 ；0x0E 14 4.9retlw 0x06 ；0x0F 15 5.625retlw 0x06 ；0x10 16 6.4retlw 0x07 ；0x11 17 7.225retlw 0x08 ；0x12 18 8.1retlw 0x09 ；0x13 19 9.025retlw 0x0A ；0x14 20 10retlw 0x0B ；0x15 21 11.025retlw 0x0C ；0x16 22 12.1retlw 0x0D ；0x17 23 13.225retlw 0x5DD ；0xF5 2451500.625retlw 0x5E9 ；0xF6 2461512.9retlw 0x5F5 ；0xF7 2471525.225retlw 0x602 ；0xF8 2481537.6retlw 0x60E ；0xF9 2491550.025retlw 0x61A ；0xFA 2501562.5retlw 0x627 ；0xFB 2511575.025retlw 0x634 ；0xFC 2521587.6retlw 0x640 ；0xFD 2531600.225retlw 0x64D ；0xFE 2541612.9retlw 0x65A ；0xFF 2551625.625從表中可以看出，在信號比較小時，若“Xi*Xi/N”以16進(jìn)制數(shù)表示，由于取整而誤差較大，當(dāng)注意到這一點(diǎn)時，單片機(jī)程序應(yīng)在信號比較小時讀取十進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)，再在對其N項求和后將其轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)。
程序界面中的“均方和與它的根”是當(dāng)單片機(jī)或其它微控制器根據(jù)步驟2通過查表或量值比較求出各個采樣瞬時值的平方的N分之一值，并完成其N個子項的加法求和后，把此均方和作為一個數(shù)去求取它的根，這個根便是最終結(jié)果“真有效值”，或均方根值(RMS)。
權(quán)利要求
1.一種交流采樣計算的新方法和基于此方法的“真有效值”采樣集成電路，其特征在于，本方法是一種借助高級計算機(jī)(如個人計算機(jī)，PC)完成采樣結(jié)果的數(shù)值處理，而單片微處理器或微控制器只作數(shù)值地址的索引查找，或只作量值比較判斷的計算方法。
2.權(quán)利要求1所述的一種交流采樣計算的新方法，其特征在于，它包括一個計算機(jī)應(yīng)用程序，該程序用VB或VC寫成。該程序提供一個界面，當(dāng)用戶選定A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)(8，10，12，...等)，并輸入一個周期內(nèi)采樣點(diǎn)的個數(shù)(N)后，該程序?qū)⒖煞謩e給出1、一次采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換值Xi與該值的平方的N分之一(1/N*(Xi*Xi))的16進(jìn)制值對照表；2、一個數(shù)與它的平方根的16進(jìn)制值的對照表。該對照表，將被用于單片機(jī)或其它微控制器(MCU)并使之可以迅速求出交流信號的“真有效值”或均方根值(RMS)。
3.權(quán)利要求1所述的一種交流采樣計算的新方法，其特征在于，基于本方法可以制成一種具有更高性價比的“真有效值”或均方根值(RMS)采樣集成電路。這種集成電路是一種包含模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)模塊和固化有本專利算法的微控制器(MCU)模塊的混合集成電路。
4.權(quán)利要求1所述的一種交流采樣計算的新方法，其特征在于，對于多字節(jié)數(shù)據(jù)表實(shí)施的一種快速查找法，即對于多字節(jié)數(shù)實(shí)施分字節(jié)查找，并且從高字節(jié)向低字節(jié)查找的方法。
全文摘要
對交流電量的測量，早期普遍采用直流采樣，在交流采樣法中，有一種計算所謂“真有效值的”的交流采樣法，該方法的實(shí)質(zhì)在于通過把交流周期信號離散成若干點(diǎn)值，再通過離散積分計算其均方根值(RMS)或“真有效值”。計算均方根值，需要耗費(fèi)大量時間。理論和實(shí)際應(yīng)用證明，本發(fā)明方法較之現(xiàn)有方法可提高速度數(shù)千倍。本發(fā)明是一種交流采樣計算的新方法，并且根據(jù)這種方法可以制造出一種新型的“真有效值”(RMS)轉(zhuǎn)換器件。該方法是一種借助高級計算機(jī)(如PC機(jī))完成采樣結(jié)果的數(shù)值處理，而單片微處理器或微控制器(MCU)只作數(shù)值地址的索引查找，或只作量值比較判斷的計算方法。
文檔編號G06F17/00GK1566965SQ0312941
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月19日
發(fā)明者張若愚 申請人:張若愚