一种基于FPGA的雷电能量计算电路的制作方法

本实用新型涉及仪表计量领域，特别涉及一种基于FPGA（现场可编程门阵列）的雷电能量计算电路。

背景技术：

雷击是一种古老而常见的自然现象，其本质是空间带电云层之间或者带电云层与地面物体之间的放电，雷电蕴藏着巨大的能量，雷击直接发生时的电压极高，雷击核心会产生极大的放电电流，直击雷的直接破坏力及其对人类的伤害是总所周知的，因而对雷电的检测和防护现在已经变得越来越重要。

目前，设计和安装防雷设施成为防雷减灾中的常见方法，所以对作用于防雷设施的雷电流，电压，以及能量的采集和计算，对于雷电的研究、分析雷电灾害事故、尤其对防雷设施的维护均具有十分重要的意义。

因而现有技术还有待改进和提高。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种基于FPGA的雷电能量计算电路，可采集并计算雷电的电压和电流值。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种基于FPGA的雷电能量计算电路，所述电路包括电压互感器、电流互感器、第一ADC模块、第二ADC模块和FPGA模块，所述电压互感器将雷电的电压按比例降压经第一ADC模块进行电压采集后，输出给所述FPGA模块进行电压有效值计算；所述电流互感器将雷电的电流按比例降流，经第二ADC模块进行电流采集后，输出给所述FPGA模块进行电流有效值计算。

具体的，所述第一ADC模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一运算放大器、第一电容、第二电容和第一模数转换器，所述第一电阻的一端连接所述电压互感器，所述第一电阻的另一端通过所述第二电阻接地，也连接所述第一运算放大器的正输入端，所述第一运算放大器的负输入端连接第一运算放大器的正输入端，所述第一运算放大器的负输入端连接第一运算放大器的输出端和所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接所述第一模数转换器的VIN端、也通过第一电容接地，所述第一模数转换器的GND端和EPAD端均接地，所述第一模数转换器的VDD端连接+A3.3V供电端，所述第一模数转换器的REGCAP端通过所述第二电容接地，所述第一模数转换器的SDO端、SCLK端、端和端均连接所述FPGA模块。

具体的，所述第二ADC模块包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二运算放大器、第三电容、第四电容和第二模数转换器，所述第四电阻的一端连接所述电流互感器，所述第四电阻的另一端通过所述第五电阻接地，也连接所述第二运算放大器的正输入端，所述第二运算放大器的负输入端连接第二运算放大器的输出端和所述第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接所述第二模数转换器的VIN端、也通过第三电容接地，所述第二模数转换器的GND端和EPAD端均接地，所述第二模数转换器的VDD端连接+A3.3V供电端，所述第二模数转换器的REGCAP端通过所述第四电容接地，所述第二模数转换器的SDO端、SCLK端、端和端均连接所述FPGA模块。

进一步地，所述述FPGA模块包括FPGA芯片、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和存储器，所述FPGA芯片的IO_L62N_D6_2D6端连接所述第一模数转换器的端，所述FPGA芯片的IO_L64N_D9_2端连接所述第一模数转换器的SDO端，所述FPGA芯片的IO_L64P_D8_2端连接所述第一模数转换器的SCLK端，所述FPGA芯片的IO_L62P_D5_2端连接所述第一模数转换器的端，所述FPGA芯片的IO_L48N_RDWR_B_VREF_2端连接所述第二模数转换器的端，所述FPGA芯片的IO_49N_D4_2端连接所述第二模数转换器的SDO端，所述FPGA芯片的IO_L49P_D3_2端连接所述第二模数转换器的SCLK端，所述FPGA芯片的IO_L48P_D7_2端连接所述第二模数转换器的端，所述FPGA芯片的IO_L1P_CCLK_2端通过所述第七电阻连接所述存储器的SCK端，所述FPGA芯片的IO_L3P_D0_D1N_MISO_MISO1_2端连接所述存储器的SO/DQ1端，所述FPGA芯片的IO_L3N_MOSI_CSI_B_MISO0_2端连接所述存储器的SI/DQ0端，所述FPGA芯片的IO_L12P_D1_MISO2_2端连接所述存储器的/DQ2端，也通过所述第八电阻连接+3.3V供电端，所述FPGA芯片的IO_L12N_D2_MISO3_2端连接所述存储器的HOLD/DQ3端，也通过所述第九电阻连接+3.3V供电端，所述存储器的端通过所述第十电阻连接+3.3V供电端，所述存储器的GND端接地。

具体的，所述第一运算放大器和第二运算放大器的型号均为LMV358。

具体的，所述第一模数转换器和第二模数转换器的型号均为AD7091。

具体的，所述FPGA芯片的型号为XC6SLX9-2TQG144C。

具体的，所述存储器的型号为W25Q64。

相较于现有技术，本实用新型提供的基于FPGA的雷电能量计算电路，通过利用电压互感器对雷电的电压进行降压处理并经第一ADC模块进行电压采集后，由FPGA模块进行电压有效值计算；通过利用电流互感器对雷电的电流进行降流处理并经第一ADC模块进行电流采集后，由FPGA模块进行电流有效值计算，实现了雷电电压和电流的采集和计算，从而计算出雷电的功率和能量，对于雷电的研究、分析雷电灾害事故、尤其对防雷设施的监控和维护均具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本实用新型所提供的基于FPGA的雷电能量计算电路的结构框图。

图2为本实用新型所提供的基于FPGA的雷电能量计算电路中，所述第一ADC模块的电路原理图。

图3为本实用新型所提供的基于FPGA的雷电能量计算电路中，所述第二ADC模块的电路原理图。

图4为本实用新型所提供的基于FPGA的雷电能量计算电路中，所述FPGA模块的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型提供一种基于FPGA的雷电能量计算电路，能采集并计算雷电的电压和电流值，从而计算出雷电的功率和能量。

为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型提供的一种基于FPGA的雷电能量计算电路，包括电压互感器10、电流互感器20、第一ADC模块30、第二ADC模块40和FPGA模块50，所述电压互感器10通过所述第一ADC模块30连接所述FPGA模块50，所述电流互感器20通过所述第二ADC模块40连接所述FPGA模块50。

具体实施时，所述电压互感器10将雷电的电压按比例降压，经第一ADC模块30进行电压采集后，输出给所述FPGA模块50进行电压有效值计算；所述电流互感器20将雷电的电流按比例降流，经第二ADC模块进行电流采集后，输出给所述FPGA模块50进行电流有效值计算。

具体的，本实施例对电压互感器10和电流互感器20的倍率不作限制，具体实施时可根据实际情况选择。

进一步地，请参阅图2，所述第一ADC模块30包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一运算放大器U1、第一电容C1、第二电容C2和第一模数转换器ADC1，所述第一电阻R1、第二电阻R2为放大比例因子，第三电阻R3为限流电阻；所述第一运算放大器U1的型号为LMV358，其为轨到轨的运算放大器，可实现电位在从负电源到正电源的整个区间变化，使得电压互感器10的输出阻抗与第一模数转换器ADC1的输入阻抗实现匹配；所述第一电容C1和第二电容C2均起过滤抗干扰的作用；所述第一模数转换器ADC1的型号为AD7091，具有高速串口接口（SPI），用于将电路中的模拟信号转换为数字信号。

具体实施时，所述第一电阻R1的一端连接所述电压互感器10，所述第一电阻R1的另一端通过所述第二电阻R2接地，也连接所述第一运算放大器U1的正输入端，所述第一运算放大器U1的负输入端连接第一运算放大器U1的输出端和所述第三电阻R3的一端，所述第三电阻R3的另一端连接所述第一模数转换器ADC1的VIN端、也通过第一电容C1接地，所述第一模数转换器ADC1的GND端和EPAD端均接地，所述第一模数转换器ADC1的VDD端连接+A3.3V供电端，所述第一模数转换器ADC1的REGCAP端通过所述第二电容C2接地，所述第一模数转换器ADC1的SDO端、SCLK端、端和端均连接所述FPGA模块。

请继续参阅图3，所述第二ADC模块40包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第二运算放大器U2、第三电容C3、第四电容C4和第二模数转换器ADC2，所述第四电阻R4、第五电阻R5为放大比例因子，，第六电阻R6为限流电阻；所述第二运算放大器U2的型号为LMV358，其为轨到轨的运算放大器，可实现电位在从负电源到正电源的整个区间变化，使得电流互感器20的输出阻抗与第二模数转换器ADC2的输入阻抗实现匹配；所述第三电容C3和第四电容C4均起过滤抗干扰的作用；所述第二模数转换器ADC2的型号为AD7091，具有高速串口接口（SPI），用于将电路中的模拟信号转换为数字信号。

具体实施时，所述第四电阻R4的一端连接所述电流互感器20，所述第四电阻R4的另一端通过所述第五电阻R5接地，也连接所述第二运算放大器U2的正输入端，所述第二运算放大器U2的负输入端连接第二运算放大器U2的输出端和所述第六电阻R6的一端，所述第六电阻R6的另一端连接所述第二模数转换器ADC2的VIN端、也通过第三电容C3接地，所述第二模数转换器ADC2的GND端和EPAD端均接地，所述第二模数转换器ADC2的VDD端连接+A3.3V供电端，所述第二模数转换器ADC2的REGCAP端通过所述第四电容C4接地，所述第二模数转换器ADC2的SDO端、SCLK端、端和CNOVST端均连接所述FPGA模块。

进一步地，请参阅图4，所述FPGA模块包括FPGA芯片U3、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10和存储器U4，所述FPGA芯片U3的型号为XC6SLX9-2TQG144C，用于管理和读取第一模数转换器ADC1和第二模数转换器ADC2采集的数据，并计算雷电的电压和电流的有效值，进一步计算雷电的功率和能量，其计算程序为现有的计算程序，并已固化在FPGA芯片中，并不是本实用新型保护点；所述第七电阻R7为限流电阻，第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻R10为上拉电阻，所述存储器U4的型号为W25Q64，其为FPGA芯片的外部存储器，用于存储FPGA程序。

具体实施时，所述FPGA芯片U3的IO_L62N_D6_2端（如FPGA芯片U3的第43脚）连接所述第一模数转换器ADC1的端，所述FPGA芯片U3的IO_L64N_D9_2端连接所述第一模数转换器ADC1的SDO端，所述FPGA芯片U3的IO_L64P_D8_2端连接所述第一模数转换器ADC1的SCLK端，所述FPGA芯片U3的IO_L62P_D5_2端连接所述第一模数转换器ADC1的端，所述FPGA芯片U3的IO_L48N_RDWR_B_VREF_2端连接所述第二模数转换器ADC2的端，所述FPGA芯片U3的IO_49N_D4_2端连接所述第二模数转换器ADC2的SDO端，所述FPGA芯片U3的IO_L49P_D3_2端连接所述第二模数转换器ADC2的SCLK端，所述FPGA芯片U3的IO_L48P_D7_2端连接所述第二模数转换器ADC2的端，所述FPGA芯片U3的IO_L1P_CCLK_2端通过所述第七电阻R7连接所述存储器U4的SCK端，所述FPGA芯片U3的IO_L3P_D0_D1N_MISO_MISO1_2端连接所述存储器U4的SO/DQ1端，所述FPGA芯片U3的IO_L3N_MOSI_CSI_B_MISO0_2端连接所述存储器U4的SI/DQ0端，所述FPGA芯片U3的IO_L12P_D1_MISO2_2端连接所述存储器U4的/DQ2端，也通过所述第八电阻R8连接+3.3V供电端，所述FPGA芯片U3的IO_L12N_D2_MISO3_2端连接所述存储器U4的HOLD/DQ3端，也通过所述第九电阻R9连接+3.3V供电端，所述存储器U4的端通过所述第十电阻R10连接+3.3V供电端，所述存储器U4的GND端接地。

具体计算电压有效值（RMS）时，将第一模数转换器ADC1输出的电压值乘以电压互感器的倍率得到D，并利用采集到的N个瞬态采样值Dn进行计算，具体计算公式如下：

所述电流有效值计算过程与电压有效值的计算过程类似，在此不再赘述。

进一步地，所述FPGA还具有校准功能，在计算了电压有效值与电流有效值后，将得出的电压有效值与电流有效值，放入 “电压偏移量”和“电流偏移量”寄存器。将两个值会加入测量结果，以消除偏移量的误差。

所述雷电的功率由电压有效值和电流有效值相乘得到，所述雷电的功率与雷电作用的时间相乘即可得到雷电的能量，雷电的功率计算公式如下：

在进行电压有效值计算时，将电压互感器1输出的N个瞬态电压值分别乘以电压互感器的倍率得到Dn，将所有Dn平方得到Dn²，再将得到的所有Dn²相加并除以N得到Dn²的平均值，将Dn²开根号，得到Dn1，将Dn1加上电压偏移量得到电压有效值Vrms。

在进行电流有效值计算时，计算方法与电压有效值计算方法类似，在此不再赘述。

将电压有效值Vrms与电流有效值Irms相乘，即得到雷电的有功功率P。

为了更好的理解本实用新型，以下结合图1、图2、图3和图4举一实施例对本实用新型作进一步说明：

首先，采集雷电，雷电在经过电压互感器10后，电压互感器10对雷电的电压进行降压处理，并输出给第一ADC模块30进行电压采集，第一模数转换器ADC1将电压信号转换为数字信号，发送给FPGA模块50进行电压有效值计算。

同时，雷电在经过电流互感器20后，电流互感器20对雷电的电流进行降流处理，并输出给第二ADC模块40进行电流采集，第二模数转换器ADC2将电流信号转换为数字信号，发送给FPGA模块50进行电流有效值计算。

FPGA芯片根据计算的电压有效值和电流有效值计算出雷电的功率，进一步地，将功率与雷电作用的时间即可得出雷电的能量。

综上所述，本实用新型提供的基于FPGA的雷电能量计算电路，能实现对雷电的电压和电流的采集和计算，从而进一步计算出雷电的功率和能量，对于雷电的研究、分析雷电灾害事故、尤其对防雷设施的监控和维护均具有十分重要的意义。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。