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電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方法

   2011年09月26日 11:22  
  隨著電力系統(tǒng)及其自動化的發(fā)展,越來越多的電力系統(tǒng)設(shè)備需要采用實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集,從而保證電力系統(tǒng)設(shè)備可以安全、可靠地運行。因此,對電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究,具有重要的現(xiàn)實意義。
  
  本文設(shè)計了一種電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)采用USB接口作為通信方式,同時利用AD9238完成電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集,采集后的數(shù)據(jù)直接送到FPGA中。其中USB接口直接與FPGA相連,采集后的數(shù)據(jù)既可以暫存到FPGA中,也可直接經(jīng)過USB接口發(fā)送到PC中,同時對于采集后的數(shù)據(jù)也可以在FPGA內(nèi)部做相應(yīng)的預(yù)處理后上報給PC機。因此,該電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有更廣泛的適用性。
  
  1、電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計
  
  電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示,主要包括信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器電路、FPGA及其外圍電路、USB接口以及電源電路等。
  
  其中信號調(diào)理電路主要完成模擬信號的預(yù)處理,即經(jīng)過信號的調(diào)理使輸入模擬信號滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號要求,包括了輸入信號電壓范圍以及單端或是差分輸入形式等;A/D轉(zhuǎn)換器電路將調(diào)理后的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號,其中A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率和分辨率的選擇可針對不同系統(tǒng)需求選擇合適的性能指標,設(shè)計中采用的AD9238采樣速率為40Msample·s-1,分辨率為12bit;FPGA及外圍電路主要將采集后的數(shù)字信號進行存儲或相應(yīng)的預(yù)處理,由于其具有可編程的特點,使得該部分的處理功能具有更好的靈活性;為獲得較高的傳輸率,本設(shè)計利用USB接口電路將采集后的數(shù)據(jù)上報給PC機;電源模塊主要完成電壓轉(zhuǎn)換功能。
  
  2、系統(tǒng)各組成電路設(shè)計
  
  2.1信號調(diào)理電路
  
  信號調(diào)理部分主要針對A/D轉(zhuǎn)換器性能要求而設(shè)計,包括模擬信號輸入電壓、信號輸入形式等。由于本設(shè)計中A/D轉(zhuǎn)換器需要差分信號輸入,因此信號調(diào)理部分需要采用單端轉(zhuǎn)差分器件,該器件采用Mini—Circuits生產(chǎn)的ADT1—1。
  
  2.2A/D轉(zhuǎn)換器電路
  
  A/D轉(zhuǎn)換器電路采用ADI公司生產(chǎn)的AD9238,該器件是一款雙通道、12bit、20/40/65Msample·s-1模數(shù)轉(zhuǎn)換器,采樣率選擇40Msa-mple·s-1。該器件采用差分輸入形式,模擬輸入范圍Vp-p=1~2V。
  
  2.3FPGA及外圍電路
  
  FPGA(ProgrammableGateArray)是現(xiàn)場可編程陣列的簡稱。FPGA器件是一種由用戶根據(jù)所設(shè)計數(shù)字電路系統(tǒng)的要求,在現(xiàn)場自行配置、定義的高密度數(shù)字集成電路。它具有小型化、低功耗、可編程、數(shù)字化和快速、方便、實用的特點。系統(tǒng)采用Cyclone系列FPGA,其內(nèi)部資源較多,可滿足系統(tǒng)中的存儲與預(yù)處理之用。
  
  2.4USB接口電路
  
  設(shè)計中USB接口電路采用了CY7C68013芯片,該芯片是Cypress公司USB2.0的集成微控制器,如圖2所示。該芯片內(nèi)部具有增強型8051內(nèi)核,其標準與8051兼容。同時,內(nèi)部集成了1個USB數(shù)據(jù)收發(fā)器、3個8位I/O口、1個智能USB串行接口引擎、16位地址線、4kBBFIFO等。
  
  2.5電源模塊電路
  
  系統(tǒng)電源采用5V供電,F(xiàn)PGA以及A/D轉(zhuǎn)換器等器件需要采用3.3V供電,因此需要采用電源模塊實現(xiàn)5~3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。設(shè)計中電源模塊采用LT1764-3.3,該芯片可以提供1A的供電電流,可以滿足系統(tǒng)需求。
  
  3、結(jié)束語
  
  電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動化體系中*的設(shè)備,它可以對電力系統(tǒng)運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量以及各類信號報警等各項功能。設(shè)計的電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用USB接口,提高了數(shù)據(jù)傳輸率,同時FPGA的采用使數(shù)據(jù)存儲與預(yù)處理更加方便、靈活,因此該設(shè)計在電力系統(tǒng)中具有較強的適用性。

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