專利名稱：通過內(nèi)插法使用固定頻率模數(shù)轉(zhuǎn)換量化所采樣的輸入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中所公開的方面大體上涉及功率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且特別涉及借助內(nèi)插法通過在固定頻率模數(shù)轉(zhuǎn)換器上獲得的數(shù)據(jù)更有效地處理來自電壓或電流信號(hào)的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。背景基于微處理器的電力系統(tǒng)積累關(guān)于它們被連接到的配電系統(tǒng)以及電力設(shè)備本身的大量信息?，F(xiàn)今的公用設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為終端用戶提供了借助自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置遠(yuǎn)程地監(jiān)測(cè)各種設(shè)備的能力。當(dāng)補(bǔ)償系統(tǒng)以減少諧波含量以及用于其它故障檢修目的時(shí)，頻譜信息被使用。典型的監(jiān)測(cè)裝置，例如數(shù)字功率計(jì)，使用模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和微處理器，并且因此，所有的分析在離散的時(shí)域或數(shù)字域中完成。輸入信號(hào)(如電流或電壓)被A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，該A/D轉(zhuǎn)換器以由可調(diào)的頻率數(shù)字時(shí)鐘確定的采樣率工作。為了采樣信號(hào)的一個(gè)整數(shù)數(shù)量的周期(假設(shè)采樣率在采樣窗口期間保持恒定)，必要的是，采樣率和信號(hào)的頻率被整體地相關(guān)。通過測(cè)量輸入信號(hào)的頻率并然后使該頻率乘以某個(gè)整數(shù)使得滿足Nyquist要求和其它系統(tǒng)約束，由此確定所需的采樣率。因?yàn)榭烧{(diào)的采樣時(shí)鐘不具有無限的精度，所以對(duì)于某些輸入頻率，不可能將該可調(diào)的采樣時(shí)鐘設(shè)定為所需的頻率。通過識(shí)別功率信號(hào)的波形的零交叉點(diǎn)并確定這些零交叉點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，可以測(cè)量系統(tǒng)電壓的基本周期。該基本周期的倒數(shù)是所測(cè)量的頻率，且所需的采樣頻率是所測(cè)量的頻率的倍數(shù)。然而，實(shí)際的采樣頻率由可調(diào)頻率的數(shù)字時(shí)鐘控制，所述可調(diào)頻率的數(shù)字時(shí)鐘不是無限可變的并且不能夠被很容易地使用必要的精確的程度來控制，以實(shí)現(xiàn)在最大允許誤差內(nèi)(例如，±0.03%)的實(shí)際的采樣頻率。主要有兩種方法被用于采樣電力系統(tǒng)中的電壓和電流，以便進(jìn)行功率/能量測(cè)量和電力質(zhì)量測(cè)量(諧波等)。一種方法是以恒定的采樣率操作模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器并對(duì)電壓和電流樣本加窗(window)，以便在一定程度上減輕非同步采樣的影響。這些影響主要包括不準(zhǔn)確的RMS值(以及因此的不準(zhǔn)確的功率和能量)和以相對(duì)于采樣率的某些頻率的不準(zhǔn)確的諧波測(cè)量結(jié)果。另一種方法是通過使用硬件或固件來控制采樣，以同步地采樣輸入。加窗的方法需要使每個(gè)電壓和電流通道上的每個(gè)樣本乘以該采樣索引處的窗函數(shù)值。隨著采樣率增加，這需要大量的處理器帶寬和存儲(chǔ)能力。同步采樣可使用硬件或固件實(shí)現(xiàn)。與固件解決方案相比時(shí)，控制硬件中的采樣通常會(huì)增加成本，除非處理器上的負(fù)載需要更昂貴的處理器。有兩種通過固件的使用實(shí)現(xiàn)同步采樣的方式。一種方式是處理器控制A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率。另一種方式是以恒定的采樣率操作A/D轉(zhuǎn)換器并重新采樣固件中的數(shù)據(jù)。例如，某些設(shè)備中的采樣率的硬件控制取決于A/D轉(zhuǎn)換器的使用，例如Σ-Λ型A/D轉(zhuǎn)換器，且采樣時(shí)鐘必須在約IMHz和4MHz之間工作。因此，通過固件獲得時(shí)鐘的高精度控制是困難的。使用Σ-Λ模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供同步采樣證明比使用逐次逼近(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器明顯更復(fù)雜。數(shù)字時(shí)鐘定時(shí)器不容許無限的采樣時(shí)間間隔分辨率。所得到的分辨率是相對(duì)差的，且誤差根據(jù)采樣頻率與電源頻率的比值的分?jǐn)?shù)部分的大小而增加。因此，具有提供了同步采樣同時(shí)有效地使用計(jì)算和內(nèi)存資源的準(zhǔn)確的采樣協(xié)議將是有益的。發(fā)明簡(jiǎn)述跟蹤系統(tǒng)頻率中的小的偏移例如在以60Hz供給交流電的電力系統(tǒng)中是重要的，以確保由該系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量到的電流或電壓與頻率偏移同步。當(dāng)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果未跟蹤系統(tǒng)頻率時(shí)，誤差可能在整個(gè)系統(tǒng)中傳播，影響基于原始數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果的進(jìn)一步計(jì)算和分析的完整性。本公開提出做一些反直覺的措施——以使模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘頻率被固定并獨(dú)立于系統(tǒng)頻率。因此，采樣率總是固定的。本公開提出使用內(nèi)插算法對(duì)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器按所述采樣率產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的子集重新采樣。根據(jù)一個(gè)實(shí)例，公開了一種將監(jiān)測(cè)裝置中所量化的采樣的數(shù)據(jù)同步到系統(tǒng)頻率的方法。在以根據(jù)固定頻率時(shí)鐘的固定頻率采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中接收可變頻率輸出信號(hào)。以固定頻率采樣輸出信號(hào)，以產(chǎn)生相應(yīng)的高速樣本。在預(yù)定的時(shí)間段期間來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一組初始的高速樣本被暫時(shí)存儲(chǔ)。所述一組初始的高速樣本被內(nèi)插，以從初始組的高速樣本產(chǎn)生預(yù)定的時(shí)間段期間的一組較少的低速樣本。所述一組低速樣本被存儲(chǔ)為可變頻率輸出信號(hào)的代表。另一實(shí)例是一種用于對(duì)由監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量到的可變頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采樣的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括固定頻率時(shí)鐘和耦合到所述固定頻率時(shí)鐘的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器以固定頻率采樣由監(jiān)測(cè)裝置接收到的可變頻率輸出信號(hào)，所述固定頻率由所述固定頻率時(shí)鐘確定。控制器被耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端。所述控制器在預(yù)定的時(shí)間段期間從由模數(shù)轉(zhuǎn)換器從可變頻率輸出信號(hào)中獲得的樣本中獲取一組初始高速樣本點(diǎn)?？刂破鲝脑摮跏冀M的高速樣本點(diǎn)生成一組低速樣本點(diǎn)。所述一組低速樣本點(diǎn)少于所述一組高速樣本點(diǎn)，且通過內(nèi)插在所述一組高速樣本點(diǎn)之間而生成。另一實(shí)例是具有所存儲(chǔ)的用于同步監(jiān)測(cè)裝置中的所量化的采樣的數(shù)據(jù)的指令的非臨時(shí)性機(jī)器可讀介質(zhì)。所述監(jiān)測(cè)裝置包括以固定頻率采樣可變頻率輸出信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述介質(zhì)包括機(jī)器可執(zhí)行代碼，當(dāng)由至少一個(gè)機(jī)器執(zhí)行時(shí)，所述可執(zhí)行代碼使所述機(jī)器在預(yù)定的時(shí)間段期間存儲(chǔ)來自所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一組初始高速樣本。所述代碼使所述機(jī)器內(nèi)插所述一組初始高速樣本，以從初始組高速樣本生成所述固定的時(shí)間窗口期間的一組較少的低速樣本。所述代碼使所述機(jī)器將所述一組低速樣本存儲(chǔ)為可變頻率輸出信號(hào)的代表。鑒于參照附圖對(duì)各種實(shí)施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述及另外的方面對(duì)本領(lǐng)域那些普通技術(shù)人員來說將是明顯的，附圖的簡(jiǎn)述將在下面被提供。附圖簡(jiǎn)述在閱讀以下詳細(xì)描述并參照附圖后，本發(fā)明的上述及其它優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。

圖1是使用了由固定頻率時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的監(jiān)測(cè)裝置的功能框圖；圖2是示出了由圖1中的監(jiān)測(cè)裝置使用的較高的采樣率和內(nèi)插的較低的采樣率數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲線圖；圖3A-3B是根據(jù)本文中所公開的方面用于內(nèi)插來自從固定時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器中獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的示例性算法的流程圖；圖4A-4B是根據(jù)本文中所公開的方面用于內(nèi)插來自從固定時(shí)鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器中獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的另一示例性算法的流程雖然本發(fā)明可能有各種修改和替代形式，但是特定的實(shí)施方式已借助實(shí)例在附圖中被示出并且將在本文中被詳細(xì)描述。然而，應(yīng)理解，不旨在將本發(fā)明限制于所公開的特定形式。相反，本發(fā)明是要覆蓋落入如所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等價(jià)和替換。詳細(xì)描述圖1示出了監(jiān)測(cè)裝置100，其是用于測(cè)量電氣系統(tǒng)102中的電氣特性的儀表。在該實(shí)例中，監(jiān)測(cè)裝置100可以是功率計(jì)或電路監(jiān)測(cè)器。該實(shí)例中的電氣系統(tǒng)102是被監(jiān)測(cè)裝置100監(jiān)測(cè)的公用設(shè)施系統(tǒng)，在該實(shí)例中，其可以是由首字母簡(jiǎn)略詞WAGES特指的或水、通風(fēng)、燃?xì)?、電或蒸汽五個(gè)公用設(shè)施中的任一種。所測(cè)量到的特性，其可包括電流、電壓、頻率、功率、能量、每分鐘的體積、體積、溫度、壓力、流速或水、通風(fēng)、燃?xì)狻㈦娀蛘羝迷O(shè)施中的其它特性，被記錄為與這樣的測(cè)量結(jié)果有關(guān)的輸出數(shù)據(jù)。裝置100能夠?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在板載存儲(chǔ)器中，并且能夠通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)通信以將測(cè)量到的特性傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集系統(tǒng)用于顯示、存儲(chǔ)、報(bào)告、報(bào)警及其它功能。監(jiān)測(cè)裝置100測(cè)量公用設(shè)施的特性，例如電壓信號(hào)，并且將這些特性量化成可由軟件進(jìn)一步分析的數(shù)據(jù)。在電氣背景下，監(jiān)測(cè)裝置100可以是從施耐德電氣公司可得到的PowerLogic 系列 3000/4000 電路監(jiān)測(cè)器或 PowerLogic 10N7550/7650 功率和能量?jī)x或PM5XXX系列儀表，或任何其它合適的監(jiān)測(cè)裝置，例如智能電子裝置(IED)、計(jì)量裝置或功率計(jì)。監(jiān)測(cè)裝置100包括控制器104、閃存106、DRAM存儲(chǔ)器108、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 110、輸入端口 112、以太網(wǎng)接口 114和時(shí)鐘116。以太網(wǎng)接口 114具有一個(gè)或多個(gè)板上以太網(wǎng)端口，例如，一個(gè)用于10/100兆的TX雙絞線連接，而另一個(gè)用于100兆的FX連接。以太網(wǎng)接口 114可以耦合到網(wǎng)絡(luò)，用于傳輸從監(jiān)測(cè)裝置100測(cè)量到的數(shù)據(jù)。同樣地，來自系統(tǒng)例如圖1中的電氣系統(tǒng)102的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可被耦合到耦合于輸入端口 112的線。在該實(shí)例中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)是可變頻率電氣輸出信號(hào)的所測(cè)量的大小。圖1中的控制器104收集、存儲(chǔ)并分配由監(jiān)測(cè)裝置100記錄的來自輸入端口 112的數(shù)據(jù)(即，其指示公用設(shè)施特性)。不同的操作指令被燒寫入閃存106中，以操作控制器104。從電氣輸出信號(hào)中獲取的所收集的數(shù)據(jù)，例如測(cè)量到的電流值或電壓值，可被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器108中的緩沖器和寄存器中并且可通過接口 114被用戶訪問。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 110將從功率信號(hào)中測(cè)量到的所采樣的輸出信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，即，由連續(xù)量例如電流或電壓表示的信號(hào)被轉(zhuǎn)換為由數(shù)字的序列表示的信號(hào)。在該實(shí)例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器Iio是Μ0Ρ3909Σ-Λ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，該A/D轉(zhuǎn)換器110為控制器104供給了在已知采樣頻率(速率)fs處的一系列原始樣本OS(I), OS (2)，OS (3)...0S (m)。時(shí)鐘116被耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器110。時(shí)鐘116以恒定或固定的頻率運(yùn)行，并且因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的采樣頻率基于時(shí)鐘116的頻率被固定。在固定的預(yù)定時(shí)間段期間，每組樣本由模數(shù)轉(zhuǎn)換器110獲取。在該實(shí)例中，控制器104根據(jù)最初從圖1中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器110中獲得的一組高速數(shù)據(jù)樣本創(chuàng)建一組低速樣本的低速樣本索引。伴隨預(yù)定的時(shí)間段，有比初始的高速樣本更少的低速樣本。低速樣本索引將準(zhǔn)確度保留為用于信號(hào)分析的輸出信號(hào)的表示，但不需要與高速數(shù)據(jù)樣本的分析和處理所需要的計(jì)算資源和存儲(chǔ)器空間一樣多的計(jì)算資源和存儲(chǔ)器空間。當(dāng)所需的低速樣本索引的點(diǎn)不與相應(yīng)的高速索引的點(diǎn)精確重合時(shí)，線性內(nèi)插法被用于確定樣本值。線性內(nèi)插法的過程可以例如根據(jù)特此通過引用并入的美國(guó)專利第7，444，249號(hào)來執(zhí)行。當(dāng)內(nèi)插的低速樣本值是需要的時(shí)，它將在所述預(yù)定的時(shí)間段期間落在兩個(gè)高速樣本的時(shí)間之間的時(shí)間。該時(shí)間通過比較基于固定采樣頻率和可變頻率輸出信號(hào)的所測(cè)量到的頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器110讀取高速樣本的時(shí)間來確定，所述測(cè)量到的頻率將所述預(yù)定的時(shí)間段分成了所需數(shù)量的低速樣本之間的時(shí)間間隔。任何給定的低速樣本可能落在兩個(gè)高速樣本的時(shí)間之間，且內(nèi)插法被用于確定低速樣本的值。使第一高速樣本的值和第二高速樣本的值之間的差值乘以反映了低速樣本出現(xiàn)的兩個(gè)高速樣本的時(shí)間之間的分?jǐn)?shù)時(shí)間的分?jǐn)?shù)值。該結(jié)果然后被添加到第一高速樣本的值以獲得內(nèi)插的值，該內(nèi)插的值被控制器104存儲(chǔ)為低速樣本的值?；诜抡娼Y(jié)果，線性內(nèi)插法提供了準(zhǔn)確度和用于建立低速索引的處理器開銷之間的良好的折衷。術(shù)語(yǔ)高速和低速分別指實(shí)際輸入采樣率和抽取率。高速樣本被暫時(shí)存儲(chǔ)，并在它們已被用于確定低速樣本的內(nèi)插法后丟棄，從而節(jié)省內(nèi)存。只有足以獲得一個(gè)低速樣本值的高速樣本的子集在給定的時(shí)間段被暫時(shí)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。由于只有較小數(shù)量的低速樣本值被存儲(chǔ)，所以丟棄大部分的高速值使存儲(chǔ)器效率最大化。在該實(shí)例中，輸入高速采樣率被假定為3.58MHz/256 (13.984KHz)，這是示例性模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的輸出數(shù)據(jù)速率。在該實(shí)例中，MCP3909型式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器由固定頻率的時(shí)鐘例如按3.58MHz的固定頻率的時(shí)鐘116運(yùn)行，這是被規(guī)定用于MCP3909型式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能規(guī)格的時(shí)鐘頻率。因此，每256個(gè)時(shí)鐘周期，樣本被獲取一次。當(dāng)然，可以使用其它類型的以不同的固定時(shí)鐘頻率操作的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在該時(shí)鐘速率下，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的輸入端,每個(gè)周期的高速樣本的數(shù)量對(duì)于50Hz的頻率輸入信號(hào)為279.7，而對(duì)于60Hz的頻率輸入信號(hào)為233.1?；谒璧男阅芎吞幚砥鏖_銷，抽取后的速率可以是每個(gè)周期32、64或128個(gè)低速樣本。圖2是重新采樣算法的數(shù)據(jù)輸出和輸入的一個(gè)實(shí)例的電壓曲線圖200，該重新采樣算法被應(yīng)用于接收到的可變頻率電壓信號(hào)202，對(duì)于每周期64個(gè)樣本的低速采樣率，該接收到的可變頻率電壓信號(hào)202目前的頻率在60Hz。圖2示出了如符號(hào)204所示的多個(gè)高速樣本。如符號(hào)204所示，在該實(shí)例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器110每個(gè)周期獲取233次高速樣本。圖2還包括由符號(hào)206表示的多個(gè)以低速采樣率重新采樣的值。重新采樣的低速值206每個(gè)周期包括64個(gè)樣本。如將在下面描述的，從最接近的采樣的高速值204內(nèi)插來得到重新采樣的低速值206。高速值204以固定頻率被獲取，該固定頻率取決于被耦合到圖1中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的時(shí)鐘116的時(shí)鐘速率。輸入信號(hào)的頻率可以改變并由圖1中的控制器104周期性地確定以確定高速樣本的增量，以確定低速樣本中的每一個(gè)。因?yàn)椴槐夭捎每勺兊牟蓸宇l率，所以獲得低速樣本值的算法大大簡(jiǎn)化了Σ-Λ模數(shù)轉(zhuǎn)換器例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的使用的硬件設(shè)計(jì)。獲得更低速值的內(nèi)插法提供了與電力系統(tǒng)以及因此的輸出信號(hào)頻率有效地同步的采樣。為降低頻譜泄漏，同步采樣是重要的。該算法為系統(tǒng)頻率跟蹤提供了更精細(xì)的分辨率。更好的頻率分辨率改善了 RMS (均方根)、THD/thd (總諧波失真)和諧波識(shí)別精度。正如將由計(jì)算機(jī)、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的那些技術(shù)人員理解的，使用根據(jù)本文中所描述和示出的教導(dǎo)被編程的一個(gè)或多個(gè)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通用處理器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器、例如特定應(yīng)用集成電路(ASIC)、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件(FPLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的固定硬件裝置及類似器件，可以很方便地實(shí)現(xiàn)圖1中的控制器104。此外，兩個(gè)或多個(gè)計(jì)算系統(tǒng)或裝置可替代本文中所描述的控制器中的任何一個(gè)。因此，分布式處理的原理和優(yōu)點(diǎn)，例如冗余、重復(fù)等等，還可以如所希望的被實(shí)現(xiàn)，以提高本文所描述的控制器的魯棒性和性能。所述控制器還可以在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上被實(shí)現(xiàn)，其使用任何合適的接口機(jī)制和通信技術(shù)延伸跨越任何網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，所述通信技術(shù)包括:例如以任何合適形式(例如，語(yǔ)音、調(diào)制解調(diào)器及類似形式)的電信、公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(PDN)、互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、它們的組合和類似技術(shù)?，F(xiàn)在將參照?qǐng)D1、結(jié)合圖3A-3B所示的流程圖和可選地在圖4A-4B所示的流程圖中，描述所述實(shí)例重新采樣順序的操作。圖3A-3B和圖4A-4B中的流程圖代表用于從模數(shù)轉(zhuǎn)換器以固定頻率獲取的樣本中低速采樣的示例性機(jī)器可讀指令。在該實(shí)例中，機(jī)器可讀指令包括用于由如下裝置執(zhí)行的算法:Ca)處理器，(b)控制器，和/或(c) 一個(gè)或多個(gè)其它合適的處理裝置。該算法可被體現(xiàn)在存儲(chǔ)在非臨時(shí)性機(jī)器可讀媒介介質(zhì)上的軟件中，諸如，例如，閃存、⑶-ROM、軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字視頻(通用)盤(DVD)或其它存儲(chǔ)裝置，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將很容易理解，整個(gè)算法和/或其部分可以可替代地由裝置而不是處理器執(zhí)行，并且/或者可以公知的方式被體現(xiàn)在固件或?qū)Ｓ糜布?例如，它可以由特定應(yīng)用集成電路(ASIC)、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件(FPLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、離散邏輯元件等實(shí)現(xiàn))。所述介質(zhì)存儲(chǔ)包括機(jī)器可執(zhí)行代碼的軟件，當(dāng)由至少一個(gè)機(jī)器執(zhí)行時(shí)，該機(jī)器可執(zhí)行代碼執(zhí)行如下所描述的處理中的一些或全部。例如，重新采樣順序的組分中的任何組成部分或所有組成部分可由軟件、硬件和/或固件實(shí)現(xiàn)。此外，由圖3A-3B或圖4A-4B的流程圖表示的機(jī)器可讀指令中的一些或全部可被手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。另外，雖然實(shí)例算法是參照?qǐng)D3A-3B和圖4A-4B所示的流程圖被描述的，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將很容易理解，可以可替代地使用許多其它實(shí)現(xiàn)該示例性機(jī)器可讀指令的方法。例如，框的執(zhí)行順序可被改變，和/或所描述的框中的某些框可被改變、去除或組合。圖3A-3B示出了由將高速固定頻率樣本轉(zhuǎn)換為用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單個(gè)通道的更小的組的低速樣本的算法執(zhí)行的過程。該過程對(duì)于從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收到的數(shù)據(jù)的所有通道是相同的。該算法在圖1中的控制器104上運(yùn)行?？刂破?04最初被上電，并且模數(shù)轉(zhuǎn)換器110被聯(lián)機(jī)以從電氣系統(tǒng)102中采樣電壓和電流信號(hào)(300)。存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器106中的所述算法所需的變量被控制器104初始化(302)。在該實(shí)例中，所述變量包括最后一個(gè)高速寫入字段、高速緩沖器掩碼字段、最后一個(gè)低速寫入字段、低速緩沖器掩碼字段、第一樣本標(biāo)志、偏移值、分?jǐn)?shù)值和前一周期值中的分?jǐn)?shù)。所述高速寫入字段保存從模數(shù)轉(zhuǎn)換器110中獲得的樣本的指針，且低速寫入字段保存所內(nèi)插的低速樣本的指針。所述緩沖器掩碼字段包括被存儲(chǔ)在緩沖器中的多個(gè)點(diǎn)。在該實(shí)例中，十六個(gè)高速值被存儲(chǔ)，同時(shí)低速值的128個(gè)點(diǎn)被存儲(chǔ)。所述第一樣本標(biāo)志是一個(gè)布爾值，其指示樣本是否是上電后的第一樣本。偏移值是用在前一周期的內(nèi)插法中的最后一個(gè)高速樣本的高速緩存器中的位置。它在周期的末尾處被設(shè)置為等于Pt2。分?jǐn)?shù)值是高速樣本點(diǎn)之間低速樣本被獲取的時(shí)間的分?jǐn)?shù)。在該實(shí)例中，最后一個(gè)高速寫入字段指向高速緩沖器中的最后一個(gè)時(shí)隙中的值。分?jǐn)?shù)和偏移量以及前一周期的分?jǐn)?shù)被初始化為零。第一樣本標(biāo)志被設(shè)置為YES (是)。指示讀取高速樣本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中斷由控制器104從模數(shù)轉(zhuǎn)換器110中接收(304)。來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的高速樣本被存儲(chǔ)在高速樣本的緩沖器的一個(gè)中的存儲(chǔ)器108中(306)。如果第一樣本標(biāo)志字段被設(shè)置為YES (308),則該標(biāo)志被清除并設(shè)置成NO(310)。樣本數(shù)被設(shè)置為一(312)。第一高速樣本被復(fù)制到第一低樣本字段(314)。要推進(jìn)(advance)的成比例的(scaled)高速樣本的數(shù)量被計(jì)算(316)。成比例的高速樣本的數(shù)量通過使樣本的數(shù)量乘以高速與低速采樣率的比值減去前一周期的分?jǐn)?shù)來確定。高速與低速采樣率的比值從測(cè)量到的線路頻率和固定頻率確定，模數(shù)轉(zhuǎn)換器110以該固定頻率操作。所測(cè)量到的線路頻率由控制器104通過常規(guī)方法確定。存儲(chǔ)在閃存106上的操作固件會(huì)如所需要的頻繁測(cè)量線路頻率，以產(chǎn)生用功率誤差和諧波測(cè)量結(jié)果表示的由監(jiān)測(cè)裝置100監(jiān)測(cè)的信號(hào)的所需的性能。每當(dāng)新的線路頻率被確定時(shí)，高速與低速采樣率的比值被重置。推進(jìn)所需的樣本的整體數(shù)量由控制器104確定(318)。采樣間的時(shí)間間隔的分?jǐn)?shù)部分基于樣本的整體數(shù)量和成比例的高速樣本的數(shù)量來計(jì)算(320)。第一個(gè)感興趣的點(diǎn)在高速緩沖器中的位置根據(jù)要推進(jìn)的樣本的數(shù)量被添加到偏移量且所得結(jié)果與高速緩沖器掩碼進(jìn)行邏輯AND(與)來計(jì)算(322)。控制器104確定分?jǐn)?shù)值是否小于或等于零(324)。如果該分?jǐn)?shù)值小于或等于零，則所需的低速樣本在時(shí)間上與高速樣本重合，且因此兩個(gè)高速點(diǎn)是一個(gè)并且是同一個(gè)(并且不需要內(nèi)插法)(326)。如果該分?jǐn)?shù)大于零(324)，則第二個(gè)感興趣的點(diǎn)是第一點(diǎn)之后的下一個(gè)樣本(328)。算法返回，等待來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的下一次中斷(304)。如果第一樣本標(biāo)志為NO (308)，則該算法確定最后一個(gè)高速寫入是否在第二個(gè)點(diǎn)處(330)。如果最后一個(gè)高速寫入不在所述第二個(gè)點(diǎn)處，則算法返回，并等待來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的下一次中斷(304)。如果最后一個(gè)高速值在所述第二個(gè)點(diǎn)處(330)，則所需的低速樣本通過使所述分?jǐn)?shù)值乘以點(diǎn)2處的樣本值和點(diǎn)I處的樣本值之間的差值來計(jì)算。所述結(jié)果然后被加到點(diǎn)I處的樣本的值中，以得到位于點(diǎn)I和點(diǎn)2處的高速樣本之間的低速值。控制器104確定樣本的位置是否是循環(huán)的最后一個(gè)樣本(334)。如果該樣本不是該循環(huán)中的最后一個(gè)樣本，則樣本編號(hào)加一(336)。然后，算法往下進(jìn)行，計(jì)算成比例的高速樣本的數(shù)量(316)。如果樣本編號(hào)是周期中的最后一個(gè)樣本(334)，則樣本編號(hào)被設(shè)置為一(338)，并且確定分?jǐn)?shù)是否大于零(340)。如果該分?jǐn)?shù)大于零(340)，則前一分?jǐn)?shù)周期被設(shè)置為I減去該分?jǐn)?shù)(342)。通過將偏移量設(shè)置為第二個(gè)點(diǎn)，新的偏移量被存儲(chǔ)(344)。算法往下進(jìn)行，計(jì)算成比例的高速樣本的數(shù)量(316)。如果所述分?jǐn)?shù)不大于零(340)，則前一分?jǐn)?shù)間隔被重置為零(346)，并且新的偏移量通過將偏移量設(shè)置成第二個(gè)點(diǎn)來存儲(chǔ)(344)。圖4A-4B是由圖1中的控制器104執(zhí)行以將高速固定頻率樣本轉(zhuǎn)換為用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單個(gè)通道的更小的組的低速樣本的可替代的算法的另一流程圖。控制器104最初被上電，并且模數(shù)轉(zhuǎn)換器110與輸入端口 112聯(lián)機(jī)以從電氣系統(tǒng)102中米樣電壓和電流信號(hào)(400)。存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器108中的算法所需的變量被控制器104初始化(402)。在該實(shí)例中，所述變量包括=1wSpeedBufferIndex變量，該變量是低速緩沖器的索引管理，1wSpeedSampleNumber變量,該變量是用于指示完整的周期已被內(nèi)插的低速樣本的計(jì)數(shù)器，adcInterruptCtr變量(該變量指示高速中斷運(yùn)行的次數(shù)的計(jì)數(shù)器,其是高速樣本計(jì)數(shù))，firstSampFlag變量，該變量指示該樣本是真正的第一個(gè)樣本并且不需要被內(nèi)插而且充當(dāng)起始位置，frac變量，該變量是低速點(diǎn)發(fā)生處的高速樣本之間的時(shí)間的分?jǐn)?shù)數(shù)量，以及prevFrac變量,該變量是最后一個(gè)內(nèi)插的低速點(diǎn)和隨后一個(gè)高速點(diǎn)之間的時(shí)間量。在初始化階段(402)，上述變量被設(shè)置為零，除了 firstSampFlag變量(其被設(shè)置為YES)。指示讀取高速樣本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中斷由控制器104從模數(shù)轉(zhuǎn)換器110接收(404)。高速計(jì)數(shù)器變量adcInterruptCtr加一(406)。如果第一樣本標(biāo)志變量被設(shè)置為YES(408)，那么第一高速樣本被復(fù)制到第一低樣本字段(410)。第一樣本標(biāo)志被設(shè)置為NO (412)。1wSpeedSampleNumber 變量加一(414)。1wSpeedSampleNumber變量的值與用于測(cè)量結(jié)果的每個(gè)周期的低速樣本的數(shù)量進(jìn)行比較(416)。在該實(shí)例中，每個(gè)周期的低速樣本的數(shù)量為32。如果低速樣本的數(shù)量與每個(gè)周期的低速樣本的數(shù)量相同(416),則1wSpeedSampleNumber變量被重置為零(418)。然后通知監(jiān)測(cè)裝置100，完整周期的低速采樣的數(shù)據(jù)可用于處理(420)，且算法往下進(jìn)行到框 422。如果1wSpeedSampleNumber變量的值不等于每個(gè)周期的低速樣本的數(shù)量(416),則算法保留剩余分?jǐn)?shù)的采樣間的時(shí)間間隔(422)。保留剩余分?jǐn)?shù)的采樣間的時(shí)間間隔將變量prevFrac設(shè)置為一減去低速樣本點(diǎn)出現(xiàn)處的高速樣本之間的分?jǐn)?shù)數(shù)量的時(shí)間(424)。該計(jì)算在SHIFT中執(zhí)行，SHIFT是使整數(shù)移位以保持整數(shù)計(jì)算中的分辨率的位數(shù)。在該實(shí)例中，該位數(shù)是22。要推進(jìn)的成比例的高速樣本的數(shù)量通過從高速與低速采樣率的比值中減去剩余分?jǐn)?shù)的采樣間的時(shí)間間隔來計(jì)算(424)。每當(dāng)信號(hào)的頻率被測(cè)量時(shí)，高速與低速采樣率的比值被確定。測(cè)量到的信號(hào)的測(cè)量到的頻率由控制器104通過常規(guī)方法確定。存儲(chǔ)在閃存106上的操作固件如所需的頻繁測(cè)量線路頻率，以產(chǎn)生用功率誤差和諧波測(cè)量結(jié)果表示的由監(jiān)測(cè)裝置100監(jiān)測(cè)的電壓信號(hào)的所需的性能。推進(jìn)以便得到內(nèi)插法所需的ADC樣本的所需樣本的整體數(shù)量由控制器104確定(426)。采樣間的時(shí)間間隔的成比例的分?jǐn)?shù)部分基于從成比例的高速樣本的數(shù)量中減去的樣本的整體數(shù)量來計(jì)算(428)。然后，當(dāng)?shù)谝桓咚贅颖颈仨毐皇占瘯r(shí)的第一個(gè)感興趣的點(diǎn)的位置被確定為要推進(jìn)的高速樣本的不成比例的數(shù)量，以便獲得內(nèi)插法所需的ADC樣本(430)。然后，第二高速樣本必須被收集處的第二個(gè)感興趣的點(diǎn)的位置被確定(432)。算法返回，等待來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的下一次中斷(404)。如果第一樣本標(biāo)志為NO (408),則該算法確定adcInterruptCtr變量的值是否在第一個(gè)感興趣的點(diǎn)處(434)。如果中斷計(jì)數(shù)器的值在第一個(gè)感興趣的點(diǎn)處(434)，則高速樣本被存儲(chǔ)在第一高速樣本字段(436)，且算法返回以等待來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的下一次中斷(404)。如果所述計(jì)數(shù)器不在第一個(gè)感興趣的點(diǎn)處(434)，則該算法確定adcInterruptCtr變量的值是否在第二個(gè)感興趣的點(diǎn)處(438)。如果該變量不在第二個(gè)感興趣的點(diǎn)處(438)，則該算法循環(huán)返回以等待來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器110的下一次中斷(404)。如果所述計(jì)數(shù)器在第二個(gè)感興趣的點(diǎn)處(438)，則高速樣本被存儲(chǔ)在樣本字段中(440)。低速緩沖器索引加一(442)。該算法確定低速緩沖器索引的值是否已經(jīng)達(dá)到低速緩沖器大小(444)。低速緩沖器大小是裝置已經(jīng)為算法留出以存儲(chǔ)從高速樣本計(jì)算出的低速樣本的內(nèi)存量。在該實(shí)例中，低速緩沖器大小是128個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。如果低速緩沖器索引已達(dá)到低速緩沖器大小(444)，則低速緩沖器索引被重置為零(446)，并且算法往下進(jìn)行到框448。
如果低速緩沖器索引還未達(dá)到低速緩沖器大小(444)，則該算法計(jì)算并存儲(chǔ)所需的樣本(448)。通過使兩個(gè)值之間的差值乘以低速樣本被獲取處的高速樣本之間的分?jǐn)?shù)數(shù)量的時(shí)間，所述計(jì)算內(nèi)插感興趣的點(diǎn)的第一和第二高速樣本。這個(gè)量被加到低速樣本的值中，并被存儲(chǔ)在低速緩沖器中。高速樣本計(jì)數(shù)器變量adcInterruptCtr被重置為零(450),并且該算法往下進(jìn)行以使低速樣本數(shù)加一(414 )。雖然本發(fā)明的特定實(shí)施方式和應(yīng)用已被示出和描述，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于本文中所公開的精確結(jié)構(gòu)和組合，并且從上述描述中，各種修改、改變和變化可以是明顯的，而不脫離如在所附的權(quán)利要求書中所定義的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種將監(jiān)測(cè)裝置中的所量化的采樣的數(shù)據(jù)同步到系統(tǒng)頻率的方法，所述方法包括: 在以根據(jù)固定頻率時(shí)鐘的固定頻率采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中接收可變頻率輸出信號(hào)； 以所述固定頻率采樣所述輸出信號(hào)，以產(chǎn)生相應(yīng)的高速樣本； 暫時(shí)存儲(chǔ)來自所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的在預(yù)定的時(shí)間段期間的一組初始高速樣本； 內(nèi)插所述一組初始高速樣本，以從所述一組初始高速樣本產(chǎn)生所述預(yù)定的時(shí)間段期間的一組較少的低速樣本；以及 將所述一組低速樣本作為所述可變頻率輸出信號(hào)的代表來存儲(chǔ)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括分析所存儲(chǔ)的低速樣本，用于與所述輸出信號(hào)有關(guān)的數(shù)據(jù)功能。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述內(nèi)插通過數(shù)字信號(hào)處理器上的指令被執(zhí)行。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述內(nèi)插借助固定的硬件裝置執(zhí)行。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括測(cè)量所述輸出信號(hào)的頻率，所述預(yù)定的時(shí)間段基于所測(cè)量到的頻率來確定。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述一組低速樣本中的低速樣本的數(shù)量是所述預(yù)定的時(shí)間段的樣本的預(yù)定數(shù)量。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述內(nèi)插之后丟棄所述一組高速樣本。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輸出信號(hào)來自電力系統(tǒng)，且所述可變頻率輸出信號(hào)具有電壓或電流特性。
9.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述內(nèi)插通過如下步驟來執(zhí)行:確定低速樣本相對(duì)于兩個(gè)高速樣本的時(shí)間，確定所述低速樣本出現(xiàn)在所述兩個(gè)高速樣本之間的時(shí)間之間的分?jǐn)?shù)，使所述分?jǐn)?shù)乘以所述兩個(gè)高速樣本的值中的差值以及將所得結(jié)果加到第一高速值中以獲得所述低速樣本的值。
10.一種用于對(duì)由監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量到的可變頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采樣的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 固定頻率時(shí)鐘； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其耦合到所述固定頻率時(shí)鐘并且以固定頻率采樣由所述監(jiān)測(cè)裝置接收到的可變頻率輸出信號(hào)，所述固定頻率由所述固定頻率時(shí)鐘確定；以及 控制器，其耦合到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端，所述控制器在預(yù)定的時(shí)間段期間從由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器從所述可變頻率輸出信號(hào)中獲得的樣本中獲取一組初始高速樣本點(diǎn)、從所述一組初始高速樣本點(diǎn)生成一組低速樣本點(diǎn),所述一組低速樣本點(diǎn)少于所述一組高速樣本點(diǎn)，且所述一組低速樣本點(diǎn)是通過在所述一組高速樣本點(diǎn)之間內(nèi)插而生成的。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述控制器分析所述低速樣本，用于與所述輸出信號(hào)相關(guān)的數(shù)據(jù)功能。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述控制器是數(shù)字信號(hào)處理器。
13.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述控制器是固定的硬件裝置。
14.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述控制器測(cè)量所述輸出信號(hào)的頻率并基于所測(cè)量的頻率設(shè)置所述預(yù)定的時(shí)間段。
15.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述一組低速樣本中的低速樣本的數(shù)量是所述預(yù)定的時(shí)間段的樣本的預(yù)定數(shù)量。
16.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括存儲(chǔ)器，所述控制器將所述一組低速樣本存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中，將所述一組高速樣本的子集暫時(shí)存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中以執(zhí)行內(nèi)插并在所述內(nèi)插之后從存儲(chǔ)器中丟棄所述高速樣本的所述子集。
17.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述輸出信號(hào)來自電力系統(tǒng)，并且所述可變頻率輸出信號(hào)具有電壓或電流特性。
18.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述內(nèi)插包括:確定低速樣本相對(duì)于兩個(gè)高速樣本的時(shí)間，確定所述低速樣本出現(xiàn)在所述兩個(gè)高速樣本之間的時(shí)間之間的時(shí)間的分?jǐn)?shù)，使所述分?jǐn)?shù)乘以所述兩個(gè)高速樣本的值中的差值以及將所得結(jié)果加到第一高速值中以獲得所述低速樣本的值。
19.一種其上存儲(chǔ)有指令的非臨時(shí)性的機(jī)器可讀介質(zhì)，所述指令用于同步監(jiān)測(cè)裝置中的所量化的采樣的數(shù)據(jù)，所述監(jiān)測(cè)裝置包括以固定頻率對(duì)可變頻率輸出信號(hào)進(jìn)行采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述機(jī)器可讀介質(zhì)包括機(jī)器可執(zhí)行代碼，當(dāng)由至少一個(gè)機(jī)器執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行代碼使所述機(jī)器: 在預(yù)定的時(shí)間段期間存儲(chǔ)來自所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一組初始高速樣本； 內(nèi)插所述一組初始高速樣本，以從所述一組初始高速樣本中生成所述固定的時(shí)間窗口期間的一組較少的低速樣本；以及 將所述一組低速樣本作為所述可變頻率輸出信號(hào)的代表來存儲(chǔ)。
20.如權(quán)利要求19所述的機(jī)器可讀介質(zhì)，其中所述可執(zhí)行代碼還使所述機(jī)器在所述內(nèi)插后丟棄所述一組 高速樣本。
全文摘要
用于同步監(jiān)測(cè)裝置中的所量化的采樣的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法?？勺冾l率輸出信號(hào)被耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。固定頻率時(shí)鐘被耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器以固定頻率采樣輸出信號(hào)，以產(chǎn)生高速樣本。來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一組初始高速樣本在固定的時(shí)間窗口期間被存儲(chǔ)。所述一組初始高速樣本被內(nèi)插，以在固定的時(shí)間窗口期間從初始組的高速樣本產(chǎn)生一組較少的低速樣本。所述一組低速樣本被存儲(chǔ)為可變頻率輸出信號(hào)的代表。
文檔編號(hào)H04L7/00GK103155476SQ201180047324
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者羅納德·W·卡特, 庫(kù)爾特·科普利 申請(qǐng)人:施耐德電氣美國(guó)股份有限公司