专利名称：电力监测用高速数据采集卡的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数据采集卡，具体地说涉及一种用于电力系统中的电力监测 用高速数据采集卡。
背景技术：
目前的现有技术中，普遍采用PCI总线技术，它具有传输速率高和PC机联系方便 等特点；也有使用DSP作CPU的采集系统，相对于PCI技术的采集系统，DSP数据采集系统 具有，总线带宽高，算法实现容易等优点；当然也有很多使用FPGA作为控制器的，但是目前 多数仅把FPGA作为地址控制或简单逻辑控制，做实时处理的还没有；国内的采集系统使用 的A/D芯片的频率通常在60M以下，分辨率也多在8位，很少有12位的；即使用于局部放电 的监测设备其数据采集频率也只能够达到20兆左右，这种采集卡适合于一般或者中等速 度的应用场合，对于光纤测温和局部放电等仪器由于速度的原因会造成定位精度差，不适 合作为实时检测用。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种高速度、高精度的电力监测用高速数据采集方法 及数据采集卡，它的采集速度达到200M，采样分辨率高达12位，可实现FPGA实时处理。本实用新型的技术方案是一种电力监测用高速数据采集卡，由模拟通路1 (即模 拟放大电路)、采样器2、FPGA处理器3、FPGA控制电路4、时钟发生器5、模拟电源6、数字电 源7和数据总线8组成，其特征在于模拟通路1将模拟信号转换成差分电压方式VIN+和 VIN-送至200M、12位的A/D采样器2的VIN+和VIN-端；采样器2将采样完的数字信号通 过差分方式以12位低信号Sl-. · S12-和12位高信号Sl+. · S12+送至FPGA接收端；FPGA将 接收到的差分信号内部处理为数字信号；FPGA控制电路4通过DIN、TDI_B、PR0G_B和INT_ B四根信号线实现控制；FPGA通过16位数据总线D0-D15实现和外界数据交换；模拟电源给 模拟通路的运放和采样器供电；数字电源提供给FPGA接口电压、差分驱动电压、控制电压 和内核电压。本实用新型的电力监测用高速数据采集卡，工作方式为模拟信号通过同轴电缆 送至模拟放大电路，由普通的电压信号转换成差分模拟信号分成两路送至采样器；采样器 对送来的模拟信号进行采样，其特征在于使用200M的A/D芯片和超大规模的现场可编程 逻辑器件(以下简称FPGA)，采样按照流水方式工作，在采样器采样的16个周期后输出信 号至数字端口，同时启动锁存使能信号；FPGA检测到采样器锁存信号并将端口上的数字信 号锁存入缓冲区，并进行实时累加，累加次数从1-10000调整，累加完成后将数据锁存入内 存，同时内存地址加1，然后进入下一操作循环，待数据采样次数和累加次数都达到要求时， 释放总线等待数据读出。由于采用高达200M、12位的采样器并配合高精度时钟，当电网内的信号有任何小 的波动时或有其他弱小信号时，该数据采集卡都能快速完整地反映出波形情况为分析带来很大的方便；在20M模拟信号输入时，增益可以达到55dB ；同时该数据采集卡有外同步通 道，可由外界控制同步采样。
[0007]图1是本实用新型的电路原理框图。[0008]图2是本实用新型实施例的电路原理框图。[0009]图3是图2中模拟通路1的电路原理图。[0010]图4是图2中采样器电路2的电路原理图。[0011]图5是图2中FPGA处理器3的电路原理图。[0012]图6是图2中FPGA控制电路4的电路原理图。[0013]图7是图2中时钟发生器电路5的电路原理图。[0014]图8是图2中模拟电源6的电路原理图。[0015]图9是图2中数字电源7的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图1是本实用新型的整体框图，采用高速FPGA与A/D的结合，实现高速采样的同 时，可以进行同步实时处理。图2是本实用新型的实施例模拟通路1接收O-IV的模拟信号，1:1输出差分电 压信号；200M高速A/D采样电路2，由AD92系列芯片组成，功耗低，速度最高210M，位数12 ； FPGA处理器选用XILINX最新VIRTEX5系列芯片，处理能力12路并行400M ；FPGA处理器控 制电路采用XILINX公司XCP系列ROM配置，总位数8M ；数据总线使用FPGA内部双端口。图3本实用新型实施例的模拟通路1 (即模拟放大电路):1V的模拟信号通过BNC 同轴电缆传输到差分运放输入端，由RAB6、RAB8、RAB4和RABll组成50欧阻抗匹配和前端 电路；RAB7和RAB9是反馈电阻实现1:1的放大；RABl和RAB2组成输出阻抗电路，输出电容 起滤波作用；CML管脚接A/D的控制电路，其值是作为一个参考电压作为A/D采样的基点。 该放大电路有效带宽是300M，响应时间是8ns，可以实现对100M的模拟信号无失真放大。图4本实用新型实施例的采样电路2 :A/D芯片采用AD92系列，其输入输出都采样 差分电流(LVDS)方式，这种接口具有电压范围低，抗干扰能力强，可以长距离传输等优点； 时钟电路也是采用差分输入方式通过RAB5将电流转换成电压，经过CABl和CAB2偶合到A/ D ；RABlO是A/D的基准电阻，起稳定电压的作用；芯片通过串口由FPGA直接控制，外接上拉 电阻RPll。图5本实用新型实施例的FPGA处理器3电路数据接口采用差分电流(LVDS)方 式，配置接口有A/D的SPI 口，同时预留了溢出状态指示。FPGA内部采用流水线方式，将采 集来的数据依次锁存、运算、锁存到内存。共设计有40个寄存器用于FPGA的操作，通过总 线方式由外接CPU下达指令。图6本实用新型实施例的FPGA控制电路4 JATG扫描信号通过配置芯片串入FPGA 内部；软件可以同时检测到配置芯片和FPGA ；通过JATG下载可以在不掉电时运行FPGA，掉 电情况下通过JATG把程序下载到配置芯片内部，上电则从配置芯片启动。[0023]图7本实用新型实施例的时钟发生器电路采用先进的压控晶体振荡器模块，外 接高精度时钟晶体作为参考值；时钟模块采用SPI 口控制，串行配置，可以在线任意修改时 钟输出；输出方式有LVPECL、LVDS和CMOS等多种方式；时钟的稳定度可以控制在20PS左
右ο图8本实用新型实施例的模拟电源电路模拟电源提供模拟通路士5V运放电压， 提供1.8V采样器电压。模拟电源电路U14、U3、U7和U8等都是采用78XX系列芯片；整个电路输入是 +12V/-12V两组，输出有+1. 8V、+6V和-6V。考虑到管压降太大容易烧毁，前端加有二极管 降低压降。图9本实用新型实施例的数字电源电路数字电源提供给FPGA 3. 3V接口电压、 2. 5V差分驱动电压、1.8V控制电压和1.0V内核电压。数字电源U2、TO、U16和TO采用LDO工作电源，压降控制在1V_1. IV左右，减少功 耗；前端串接二极管是降低压降；整个电路输入是+5V，输出有1. 8V、2. 5V、3. 3V和IV。整体 功率在IOW以下。例如在电力电缆光纤测温系统中，该数据采集卡就扮演了非常重要的作用以 200M的速度对光纤信号进行采样，可以是定位精度达到0. 5米，同时12位的采样精度可以 大大提升采样数据的稳定度。
权利要求1. 一种电力监测用高速数据采集卡，由模拟通路(1)、采样器(2)、FPGA处理器(3)、 FPGA控制电路(4)、时钟发生器(5)、模拟电源(6)、数字电源(7)和数据总线⑶组成，其 特征在于模拟通路(1)将模拟信号转换成差分电压方式VIN+和VIN-送至200M、12位的 A/D采样器⑵的VIN+和VIN-端；采样器⑵将采样完的数字信号通过差分方式以12位 低信号Sl-. . S12-和12位高信号Sl+. . S12+送至FPGA接收端；FPGA将接收到的差分信号 内部处理为数字信号；FPGA控制电路⑷通过DIN、TDI_B、PR0G_B和INT_B四根信号线实 现控制；FPGA通过16位数据总线D0-D15实现和外界数据交换；模拟电源给模拟通路的运 放和采样器供电；数字电源提供给FPGA接口电压、差分驱动电压、控制电压和内核电压。
专利摘要一种电力监测用高速数据采集卡，由模拟通路1(即模拟放大电路)、采样器2、FPGA处理器3、FPGA控制电路4、时钟发生器5、模拟电源6、数字电源7和数据总线8组成，其特征在于模拟通路1将模拟信号转换成差分电压方式VIN+和VIN-送至200M、12位的A/D采样器2的VIN+和VIN-端；采样器2将采样完的数字信号通过差分方式以12位低信号S1-..S12-和12位高信号S1+…S12+送至FPGA接收端；FPGA将接收到的差分信号内部处理为数字信号；FPGA控制电路4通过DIN、TDI_B、PROG_B和INT_B四根信号线实现控制；FPGA通过16位数据总线D0-D15实现和外界数据交换；模拟电源给模拟通路的运放和采样器供电；数字电源提供给FPGA接口电压、差分驱动电压、控制电压和内核电压。它的采集速度达到200M，采样分辨率高达12位，可实现FPGA实时处理。
文档编号G01R19/00GK201780322SQ201020144139
公开日2011年3月30日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者宋珂, 李水冰, 王宇 申请人:国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司