一种16通道高精度数据同步采集装置的制作方法

文档序号:12447736阅读:616来源:国知局
一种16通道高精度数据同步采集装置的制作方法

本实用新型涉及数据采集技术领域,具体地说是一种16通道高精度数据同步采集装置。



背景技术:

在电力系统行业,同步相量测量技术研究已经成为热门的前沿课题之一。伴随着区域电力系统互联的发展,电力系统的规模日趋庞大,电网中的未知事件对整个电网的干扰影响越大,且越难以检测和维修。同步相量测量装置(PMU)为分析电网运行状态提供了解决发案。目前已查阅的文献资料和国内外厂家生产的PMU设备的主要选型方案有DSP+FPGA、DSP+CPLD、ARM+FPGA、DSP+工控机、DSP+ARM等等。这些相量测量装置(PMU)具有的普遍特点是体积庞大,内部复杂,维护难度大,价格昂贵,安装复杂,时钟同步精度差,不适合大面积配置,无法满足灵活应用于微电网、配电网的要求。



技术实现要素:

本实用新型的目的在于提供一种迷你PMU,即一种16通道高精度数据同步采集装置,用于解决的现有的PMU在微电网、配电网应用的局限性问题。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是:一种16通道高精度数据同步采集装置,包括外壳和内部装置,其特征是,所述的外壳为箱体式外壳,在外壳的顶部的一侧设置有一活动盖板,在外壳顶部的另一侧设置有触摸屏、系统指示灯和按键,所述的触摸屏设置在外壳顶部另一侧的上部,系统指示灯设置在触摸屏的下方,按键设置在系统指示灯的下方;在所述外壳的正面设置有SD卡槽、JTAG接口、485通信接口、MicroUSB接 口转USART接口和蜂鸣器;在外壳的右侧面设置有模拟输入端子;

所述的内部装置包括中控模块、电源模块、GPS模块、AD采样板、zigbee模块、通信模块和存储器,所述的中控模块分别与电源模块、GPS模块、AD采样板、zigbee模块、通信模块、存储器、触摸屏、系统指示灯、按键和蜂鸣器相连;所述的通信模块与485通信接口相连,存储器与SD卡槽相连,中控模块与MicroUSB接口转USART接口、JTAG接口和蜂鸣器相连,所述的MicroUSB接口转USART接口也为供电接口;所述的AD采样板与模拟输入端子相连。

进一步地,所述的中控模块包括单片机电路;单片机电路包括STM32F103ZET6芯片电路、单片机外扩SRAM电路和USART转USB电路;单片机外扩SRAM电路和USART转USB电路与STM32F103ZET6芯片电路相连;

AD采样板包括AD7606芯片及其外围电路、外部基准源电路、AD7606的模拟输入电路和AD7606与单片机的接口电路;外部基准源电路和AD7606的模拟输入电路分别与AD7606芯片及其外围电路的输入端相连,AD7606芯片及其外围电路的输出端与STM32F103ZET6芯片电路相连;

所述的电源模块包括电源电路;所述的存储器包括SPI FLASH存储器电路;所述的通信模块包括485通信电路;

所述的触摸屏通过触摸屏接口电路与单片机相连;所述的SD卡槽通过SD卡槽接线电路与单片机相连;所述的系统指示灯通过led灯电路与单片机相连;所述的按键通过按键电路与单片机相连;所述的蜂鸣器通过蜂鸣器电路与单片机相连。

进一步地,所述的系统指示灯包括电源指示灯、程序运行指示灯和SD卡读写指示灯;所述的按键包括开机键、复位键和时间同步键;所述的AD采样板包括第一采样板和第二采样板,第一采样板和第二采样板的触发采样引脚相连。

进一步地,所述的单片机外扩SRAM电路采用IS62WV51216BLL芯片, USART转USB电路采用CH34OG芯片;

所述AD采样板的外部基准源电路采用REF5025芯片,AD采样板的模拟输入电路采用ANALOG INPUT芯片和排阻;

所述的电源电路采用AMS117-3.3芯片和单向瞬变电压抑制二极管;

所述的SPI FLASH存储器电路采用FLASH_W25Q128芯片,与单片机的PB12引脚和PB14引脚相连;

所述的485通信电路采用SP3485芯片,与单片机的PA2引脚相连;

所述的触摸屏接口电路采用TOUCH_LCD芯片,TOUCH_LCD芯片与单片机通过FSMC连接;

所述的SD卡槽接线电路采用SD CARD芯片,与单片机的SDIO引脚相连。

本实用新型的有益效果是:本实用新型提供的一种16通道高精度数据同步采集装置既采集带时间标签的电参量、采集精度高、同步性高的功能,同时本实用新型又具有现有PMU不具有的特点,比如,通过触摸屏控制数据采集、体积小、价格低廉、易组网、人机交互方便触摸屏、易维护。本装置可以灵活应用于配电网、配电站,通过后期或在线分析(ZigBee组网,各节点上传采集数据到上位机,通过上位机软件分析数据)本装置采集到的各支路电参量数据,根据电力系统的相关知识,可准确有效发现电网故障。

本实用新型采用的触摸屏显示GPS定位信息、RTC时间以及程序执行到关键函数时的标志信息,并通过触摸屏可选择数据采集模式,分为GPS数据同步模式和普通数据采集模式两种。

本实用新型的GPS模块通过接收卫星信号,为本装置提供同步采集基准信号以及单片机RTC时钟的校时。

本装置具有同步采集功能:本实用新型可接入两个AD7606板卡,由于本装置的两个AD7606版的触发采样引脚连接在一起,所以接入的是同 一个PWM波,由此实现本装置硬件上的16路同步数据采集;本实用新型引入GPS,使得多个装置之间数据采集是同时开始的,即时间轴上的同步。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图;

图2为本实用新型的结构框图;

图3为本实用新型的单片机电路图;

图4为本实用新型单片机外扩SRAM电路图;

图5为本实用新型USART1转USB电路图;

图6为本实用新型的AD7606芯片及其外围电路图;

图7为本实用新型的外部基准源电路图;

图8为本实用新型的AD7606的模拟输入电路图;

图9为本实用新型的AD7606与单片机的接口电路图之部分一;

图10为本实用新型的AD7606与单片机的接口电路图之部分二;

图11为本实用新型的AD7606与单片机的接口电路图之部分三;

图12为本实用新型的电源电路图;

图13为本实用新型的SPI FLASH存储器电路图;

图14为本实用新型的485通信电路图;

图15为本实用新型的触摸屏接口电路图;

图16为本实用新型的SD卡槽接线电路图;

图17为本实用新型的程序运行指示灯电路图;

图18为本实用新型的按键电路图;

图19为本实用新型的蜂鸣器电路图;

图中:1、触摸屏,2、系统指示灯,3、按键,4、SD卡槽,5、JTAG接口,6、485通信接口。7、MicroUSB接口转USART接口,8、盖板,9、GPS模块,10、AD采样板,11、模拟输入端子,12、zigbee模块。

具体实施方式

本实用新型包括外壳和内部装置。

如图1所示,外壳为箱体式外壳,在外壳的顶部的一侧设置有一活动盖板8,在外壳顶部的另一侧设置有触摸屏1、系统指示灯2和按键3,触摸屏设置在外壳顶部另一侧的上部,系统指示灯设置在触摸屏的下方,按键设置在系统指示灯的下方;在外壳的正面设置有SD卡槽4、JTAG接口5、485通信接口6、MicroUSB接口转USART接口7和蜂鸣器;在外壳的右侧面设置有模拟输入端子11;

内部装置包括中控模块、电源模块、GPS模块、AD采样板、zigbee模块12、通信模块和存储器,如图2所示,中控模块分别与电源模块、GPS模块、AD采样板、zigbee模块、通信模块、存储器、触摸屏、系统指示灯、按键和蜂鸣器相连;通信模块与485通信接口相连,存储器与SD卡槽相连,中控模块与MicroUSB接口转USART接口、JTAG接口和蜂鸣器相连,MicroUSB接口转USART接口也为供电接口;AD采样板与模拟输入端子相连。

中控模块包括单片机电路,单片机电路包括STM32F103ZET6芯片电路、单片机外扩SRAM电路和USART转USB电路;单片机外扩SRAM电路和USART转USB电路与STM32F103ZET6芯片电路相连;AD采样板包括AD7606芯片及其外围电路、外部基准源电路、AD7606的模拟输入电路和AD7606与单片机的接口电路;外部基准源电路和AD7606的模拟输入电路分别与AD7606芯片及其外围电路的输入端相连,AD7606芯片及其外围电路的输出端与STM32F103ZET6芯片电路相连;

电源模块包括电源电路;存储器包括SPI FLASH存储器电路;通信模块包括485通信电路;触摸屏通过触摸屏接口电路与单片机相连;SD卡槽通过SD卡槽接线电路与单片机相连;系统指示灯通过led灯电路与单片机相连;按键通过按键电路与单片机相连;蜂鸣器通过蜂鸣器电路与单片机 相连。

如图3所示,单片机采用STM32F103ZET6芯片。

图4是STM32F103ZET6外扩SRAM电路,采用芯片IS62WV51216BLL。A0-A18引脚分别接单片机的FMSC_A0-FMSC_A18;D0-D15引脚接单片机的FSMC_D0-FSMC_D15;读引脚OE接单片机的FSMC_NOE引脚;写引脚WE接单片机的FSMC_NWE引脚;片选CS引脚接单片机的FSMC_NE3引脚,同时片选引脚通过10K电阻R24上拉至数字3.3V电压。高字节位UB接单片机的FSMC_NBL1引脚,低字节位LB接单片机的FSMC_NBL0引脚。

图5为USART1转USB电路,采用CH340G芯片,VCC引脚接数字5V电压,并外接0.1uF的去耦电容C31。V3引脚在5V电源电压时外接0.01uF去耦电容C30,GND引脚接到Micro USB接口的地线。USART转USB电路与外壳上的MicroUSB接口转USART接口相连。

如图6所示,AD7606芯片及其外围电路的44引脚REFCAPA和45引脚REFCAPB必须短接在一起,并通过低ESR 10uF陶瓷电容C38去耦至AGND。42引脚REFIN/REFOUT连接一个10uF陶瓷去耦电容C41。由于本装置使用外部基准源,42引脚REFIN/REFOUT使用一个100nF电容C46和一个10nF电容C47并联去耦。36引脚和39引脚REGCAP分别通过一个1uF陶瓷电容C39、C40去耦至AGND。34引脚REF SEL通过10K电阻R19下拉至数字GND,使用外部基准源工作模式。6引脚PAR通过10K电阻R20下拉至数字GND,选择16bit并行接口模式采样。23引脚VDRIVE是数字电源输入,接数字电源电压3.3V。1引脚和48引脚AVCC分别通过100nF的电容C50、电容C52和10nF的电容C51、电容C53并联去耦至AGND,37、38引脚则相连在一起通过100nF电容(C54)和10nF电容(C55)并联去耦至AGND,保证了给AD7606供电电源的纯净。

如图7所示,AD7606的外部基准源电路使用2.5V基准电压芯片REF5025,芯片的VIN引脚和VOUT引脚都通过一个10uF电容和一个 100nF电容并联至AGND。

如图8所示,AD7606的模拟输入电路共8路输入,包括IN1引脚~IN8引脚,接入交直流电压信号,输入电压范围为+10V~-10V或者+5V~-5V,可以设定AD7606的输入量程。模拟输入通道上应放置一个串联电阻,已将输入电压超过±16.5V时的电流限制在±10mA以下。本实用新型在模拟输入通道V1~V8上串联一个51Ω电阻R22,相应的在模拟输入通道V1GND~V8GND上也串联一个51Ω电阻R21。Vx和VxGND通道上的串联电阻阻值要相等,以防止通道出现失调现象。同时,在AD7606的V1~V8和V1GND~V8GND通道之间并联了100pF电容C57~电容C64。

如图9至图11所示,AD7606与单片机的接口电路,P13是AD7606板的排线接口,VDRIVE接数字电源3.3V,给AD7606的23引脚供应数字3.3V电压。AD7606的CS引脚通过10K电阻R23上拉至数字电源3.3V。AD7606的BUSY引脚通过100pF电容C65和数字地相连,对应的单片机的BUSY引脚则配置为上拉电阻输入,下降沿触发中断模式。本实用新型可以接两个AD7606采样板,第一采样板和第二采样板,两块采样板的触发采样引脚相连。P10接第一采集板,P11接第二采集板。P10和P11仅有两根接线不同,分别是AD7606的片选CS引脚和AD7606的BUSY引脚。P10把第一采集板的片选引脚接到单片机的FSMC_NE1引脚,把1号AD7606板的BUSY引脚接单片机的PC1,对应1号中断。P11把2号AD7606板的片选引脚接到单片机的FSMC_NE2引脚,把2号AD7606板的BUSY引脚接单片机的PC2,对应2号中断。而第一采集板和第二采集板的触发引脚CONVST都接到单片机的PB1(TIME3CH4)引脚,定时器3的通道4产生PWM波触发2块AD7606同步采样,达到16路同步采样的目的。

如图12所示,本实用新型供电接口采用Micro USB接口,D3和D4是单向瞬变电压抑制二极管,起到净化电源作用,可更有效地抑制干扰,防 止干扰进入单片机和其他芯片,从而提高系统的可靠性。LED POWER是装置的电源指示灯。装置预留出3.3V和5V电源接口P8、P9,方便装置的扩展和调试。

如图13所示,SPI FLASH存储器可使用W25Q128芯片、W25Q64芯片、W25Q3 2芯片,本实用新型使用W25Q128芯片,和单片机STM32的SPI2引脚连接进行通信。由于本实用新型有触摸屏,需要显示汉字,而汉字字库文件比较大,而STM32单片机的内部存储有限,此FLASH芯片用于存储字库和系统其他数据。

如图14所示,485通信电路采用SP3485芯片;连接至A引脚的上拉电阻R11和连接至B引脚的下拉电阻R12用于保证无连接的SP485R芯片处于空闲状态,提供网络失效保护,以提高RS-485节点与网络的可靠性电阻R11、电阻R12和电阻R13为可变电阻,需要根据实际应用改变大小其大小。钳位于6.8V的TVS管D5、TVS管D6和TVS管D7用来保护RS-485总线,避免RS-485总线在受外界干扰时(如雷击、浪涌)产生的高压损坏RS-485收发器。三极管Q1用来自动转换485收发状态。

如图15所示,触摸屏接口电路,使用STM单片机的FSMC总线与触摸屏的液晶控制器芯片通信,即:使用FSMC的NOR\PSRAM模式控制LCD,触摸屏的片选引脚CS接单片机的FSMC_NE4引脚,地址在BANK4。触摸屏的读引脚LCD_RD接单片机的FSMC_NOE引脚;触摸屏的写引脚LCD_WR接单片机的FSMC_NEW引脚,触摸屏的复位引脚和单片机复位引脚共用。触摸屏的数据/命令选择引脚LCD_DC引脚接单片机的FSMC_A8引脚,通过设置FSMC地址的A8位的高低,实现控制屏幕是执行数据操作还是指令操作。使用SPI1接口与触摸屏的触摸屏控制器芯片通信。即触摸屏控制器芯片的SCK引脚接单片机的SPI1_SCK引脚,MOSI引脚接单片机的SPI1_MOSI引脚,MISO引脚接单片机的SPI1_MISO引脚,CS引脚接单片机的SPI1_CS 引脚,中断引脚INT接单片机的PB9引脚,对应9号引脚中断。

如图16所示,SD卡槽接线电路接stm32的SDIO引脚,SD卡用于存储AD7606采集的8通道数据。

具体存储方式是:首先在SD卡根目录新建一个以当天日期命名的文件夹,如:“2016.6.10”,表示2016年6月10日,只要是2016年6月10日采集的数据都存于“2016.6.10”文件夹下。再比如,如果本实用新型2016年6月11日也需要采集数据,那么会在SD卡根目录新建一个以“2016.6.11”命名的文件夹,SD卡原来的文件不受影响;

然后单片机在当前日期文件夹根目录下新建以采集时刻命名的HEX文件,如:“18.20.30”,表示下午六点二十分30秒,AD7606采集的8通道十六进制数据存储在该HEX文件里。

系统指示灯包括电源指示灯、程序运行指示灯和SD卡读写指示灯。

如图17所示,为本实用新型程序运行指示灯的电路,其余的指示灯的电路与系统指示灯电路相同。

LED1用作程序执行状态指示灯,如果LED1闪烁,表示单片机程序正在执行中,工作正常;如果LED1长时间不闪烁,则表示单片机程序执行出现异常。同样,当进行读、写SD卡时,数据存储指示灯会闪烁。

按键包括开机键、复位键和时间同步键。

如图18所示,为开机键电路,其余按键电路与开机键电路相同。

如图19所示,由于单片机引脚驱动电流较小,因此采用三极管驱动蜂鸣器,高电平触发蜂鸣器响。蜂鸣器用作各种提示:当采集数据已经完全保存到SD卡之后,蜂鸣器会发出一定频率间隔的响声;当系统程序执行中出现异常,或者GPS模块检测异常,或其他模块初始化异常时会发出另一频率响声。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述,但并非 对本实用新型保护范围的限制,在本实用新型的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

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