4、定时器与采样同步：SysTick定时器、通用定时器配置、ADC采样触发与同步

各位同学，咱们接着往下聊。继电保护装置里，采样同步是个绕不开的坎儿。说白了，就是让ADC在正确的时间点，把电网的电压电流波形给“咔嚓”一下拍下来。拍得不准，后面的算法全是白搭。我当年刚入行时，就吃过这个亏，后面会跟你们细说。

4.1 SysTick定时器：系统的“心跳”

SysTick，这玩意儿是ARM内核自带的，24位递减计数器。你想想看，它就像咱们心脏的起搏器，给整个系统提供稳定的节拍。我个人习惯，一上电就把SysTick配成1ms中断一次，作为操作系统的“心跳”，或者裸机程序里的时间基准。

配置起来其实很简单，就几个寄存器的事：

// 配置SysTick为1ms中断，假设系统时钟为72MHz
// SysTick_Config() 这个库函数，我建议你直接用
if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000)) {
    // 配置失败，进入死循环
    while (1);
}

嗯，这里要注意一点：SysTick的优先级。我建议你把它设成最低优先级，为啥？因为它就是个“软时钟”，别让它抢了ADC采样中断这种硬实时任务的道。我曾经在一个项目里，把SysTick优先级设高了，结果采样周期抖得像心电图，查了两天才找到原因。

4.2 通用定时器：灵活的“采样节拍器”

通用定时器，比如STM32的TIM2、TIM3这些，比SysTick灵活得多。它们有独立的时钟源，可以配置成多种模式。在继电保护里，我主要用它来做两件事：

• 产生精确的PWM波：控制MOSFET或者IGBT的导通角。
• 触发ADC采样：这是咱们今天的重点。

配置通用定时器，核心就是设置预分频器（PSC）和自动重装载值（ARR）。公式很简单：

定时频率 = 定时器时钟 / (PSC + 1) / (ARR + 1)

举个例子，假设定时器时钟是72MHz，我想产生一个10kHz的定时中断：

// 配置TIM3，产生10kHz的更新事件
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;      // 72MHz / 72 = 1MHz
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 100 - 1;         // 1MHz / 100 = 10kHz
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

你看，这样TIM3就会每100微秒产生一次更新中断。但注意，中断服务程序里别干太多活，否则会影响下一个周期的触发。我一般只在中断里置一个标志位，主循环里再处理。

4.3 ADC采样触发：让定时器“喊”ADC干活

继电保护对采样时刻的要求很苛刻。你不能让CPU在中断里手动去启动ADC，那样会有不确定的延迟。正确的做法是：用定时器的触发事件，直接硬件启动ADC转换。

ARM芯片的ADC，一般都支持多种触发源。比如STM32的ADC，可以配置成由TIM的更新事件或输出比较通道来触发。配置起来也不复杂：

// 配置ADC1，由TIM3的TRGO事件触发
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;       // 单通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;  // 单次转换
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T3_TRGO; // TIM3触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

// 配置采样通道和采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

// 使能ADC
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

// 校准，这一步我建议你别省
ADC_ResetCalibration(ADC1);
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
ADC_StartCalibration(ADC1);
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));

然后，在TIM3的配置里，把更新事件（UEV）映射到TRGO上：

TIM_SelectOutputTrigger(TIM3, TIM_TRGOSource_Update);

这样，每当TIM3计数器溢出时，就会产生一个TRGO信号，ADC检测到这个信号后，自动开始转换。整个过程不需要CPU干预，延迟是确定的。

4.4 采样同步：多通道、多芯片的“齐步走”

继电保护装置通常要采集三相电压、三相电流，至少6个模拟量。如果这些通道采样不同步，计算出来的功率、相位角全是错的。你想想看，A相采的是t1时刻的值，B相采的是t1+10us时刻的值，那算出来的三相平衡度还有意义吗？

同步的方法，我总结下来主要有三种：

方法	原理	适用场景	我的评价
单ADC多通道同步采样	一个ADC，通过模拟开关切换通道，但只能顺序采样	对同步要求不高的场合	不推荐用于保护，通道间有延迟
多ADC同步采样	多个ADC同时触发，同时转换	高性能保护装置	我最常用的方案，效果好
外部触发同步	用同一个定时器触发所有ADC	多芯片系统	适合分布式采样，但要注意信号延迟

我个人最推荐第二种——多ADC同步采样。现在的ARM芯片，比如STM32F4系列，内部集成了3个ADC，可以配置成同步注入模式。你只需要把它们的触发源设成同一个定时器，然后同时启动转换即可。

配置多ADC同步，代码会稍微复杂一点：

// 配置ADC1为主机，ADC2为从机，同步采样
ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_ADC2, ENABLE);

ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_DualMode_RegSimult; // 双ADC同步规则模式
ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;
ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled;
ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;
ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);

// 然后分别配置ADC1和ADC2的触发源，都设为TIM3的TRGO
// ...（省略具体配置，和前面单ADC类似）

这样配置后，ADC1和ADC2会在同一个TIM3触发信号到来时，同时开始转换。转换完成后，你可以通过DMA把数据读走，或者直接在中断里读取。

4.5 实战中的坑与经验

好了，理论讲完了，咱们聊聊实战。我做过好几个继电保护项目，在采样同步这块踩过的坑，可以给你们当反面教材。

第一个坑：采样频率的选择。 继电保护里，采样频率通常是每周波（20ms）采样32点、64点或128点。也就是1.6kHz、3.2kHz或6.4kHz。我建议你选64点，也就是3.2kHz。为啥？32点算谐波不够用，128点对CPU压力太大。64点是个折中，既能算到13次谐波，CPU也扛得住。

第二个坑：ADC的采样时间。 每个通道的采样时间要足够长，让采样电容充分充电。我一般设成55.5个ADC时钟周期。如果采样时间太短，采样值会偏小，尤其是输入阻抗大的信号源。我曾经在一个项目里，用1.5个周期的采样时间，结果测出来的电压值比实际低了5%，查了三天才发现是采样时间不够。

第三个坑：DMA传输。 采样数据最好用DMA传输到内存，别在中断里一个一个读。DMA可以配置成双缓冲模式（ping-pong buffer），一个缓冲区在存数据，另一个缓冲区在算数据，互不干扰。这样采样和计算可以流水线作业，效率高得多。

嗯，最后总结一句：定时器和采样同步，是继电保护装置的“时间基石”。配好了，后面的算法如鱼得水；配不好，整个装置就是个摆设。希望你们在实际项目中，能把这些经验用上，少走弯路。