一种基于工控板和fpga的电缆故障检测装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于工控板和FPGA的电缆故障检测装置，一种基于工业控制板卡与超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)组合而成的电缆故障检测装置。主要由包括12寸24位真彩色液晶显示触摸屏及嵌入式安装触摸鼠标的工业控制板卡与FPGA组合而成。还有高压产生器及高压脉冲发生器等辅助外部设备。用于检测及控制的核心电路集成在一块4层的印制电路板上，该电路板采用4层布线，水晶工艺，表贴电路，欧式接插件，抗电磁干扰达到电磁兼容标准EMC快速瞬变4级标准。本发明具有极高的计算精度和极快的计算速度；超强的抗强电磁干扰能力；多功能综合和极高的集成度。
【专利说明】—种基于工控板和FPGA的电缆故障检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统及电子技术中电缆故障检测装置，特别是一种基于工业控制板卡与超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)组合而成的电缆故障检测装置。
【背景技术】
[0002]电缆作为一种重要的通信媒介，广泛应用于仪器仪表、电力、通信等重要领域。因此，检测电缆的正常以及在出现故障后利用最短的时间修复将变得非常重要。由于电力电缆多埋在地下，人们在地面上是观察不到故障点的，必须先用仪器测出准确的故障位置，才能进行地面修复。电力电缆故障点检测是一项技术性比较强的工作，需要检测人员很好的掌握检测原理和方法，并具有一定的工作经验。对电力电缆故障，必须采用成套的仪器和专门的方法进行检测。电缆故障检测首先需要确定电缆故障的性质；然后根据故障性质对故障点距离进行粗测；粗测后，用路径仪确定电缆路径；根据不同故障性质，选择合适的定点方法，精确测定故障点位置。对电缆进行粗测，找出故障点的大体方位，是故障检测中必须且重要的一步。
[0003]电力电缆故障的粗测需要借助于一整套基于嵌入式计算机技术的检测控制装置，粗测的定位精度对嵌入式处理器的计算速度、精度与可靠性的都有很大的关系。由于其功能复杂，常规的方法往往需要庞大的电路和多块电路板来完成，计算精度、速度都远远不够，且抗干扰能力差，传统的技术已经落后于新兴的微电子技术，不能满足进一步提高电缆故障粗测工作特性的要求。
[0004]该检测装置研发的主要技术难点如下:1)要求有非常高的计算精度、计算速度和采样频率；2)由于检测高阻故障的时候需要对电缆施加高压击穿，需要有超强的抗强电磁干扰的能力；3)庞大而灵活的硬件资源和多功能高集成度的硬件设计；4)便于用户操作和观察分析故障点的可视化软件。这些技术难点决定了该装置的开发具有非常大的技术难度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一套高精度、稳定可靠的电缆故障粗测定位检测装置。
[0006]本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:一种基于工控板和FPGA的电缆故障检测装置，核心的控制与检测部分包括应用嵌入式技术的工业控制板卡与FPGA核心板，同时还包括12寸24位真彩色液晶显示触摸屏及嵌入式安装触摸鼠标；
[0007]该控制与检测部分另外还包括I路脉冲发生器和I路高速模数转换电路，与FPGA核心板连接；
[0008]用于检测及控制的核心电路集成在一块4层的印制电路板上，与工业控制板卡通过系统总线连接；
[0009]系统总线控制器；
[0010]所述12寸24位真彩色液晶显示触摸屏及嵌入式安装触摸鼠标均与所述工业控制板卡连接；所述工业控制板卡与FPAG均连接所述系统总线控制器。
[0011]应用嵌入式技术的工业控制板卡、12寸24位真彩色液晶显示触摸屏及嵌入式安装的触摸鼠标主要完成发送检测命令、分析处理检测数据，并以波形图及文字相结合的方式显示检测分析结果。核心板主要由超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)构成的SOPC系统实现，完成低压脉冲、高压击穿脉冲的发送及故障点反射脉冲检测。
[0012]工控板和核心板作为电缆故障检测装置的两个主要部件，完成了故障检测的主要功能，将这两部分通过系统总线相连并进行功能划分，由核心板完成脉冲发送和AD转换，由工控板完成信号分析、处理及结果输出。
[0013]核心板电路采用4层布线，水晶工艺，表贴电路，欧式接插件，抗电磁干扰达到电磁兼容标准EMC快速瞬变4级标准。
[0014]由于采用了上述的技术方案，本发明具有的有益效果是:具有极高的计算精度和极快的计算速度；超强的抗强电磁干扰的能力；多功能综合和极高的集成度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中:
[0016]图1是本发明基于工业控制板卡与超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)组合而成的电缆故障检测装置原理图。
【具体实施方式】
[0017]在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
[0018]参见附图，一种基于工业控制板卡与超大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)组合而成的电缆故障检测装置，包括工业控制板卡、12寸24位真彩色液晶显示触摸屏、嵌入式安装触摸鼠标、I路脉冲发生器和I路高速模数转换电路等辅助外部设备；用于检测及控制的核心电路集成在一块4层的印制电路板上，与工控板卡通过系统总线连接。
[0019]各电路的原理和功能设计如下:
[0020]工业控制板卡采用PC104CPU模块VDX-6353D-512，该模块主频达800MHz，集成两路 USB、VGA、LCD、LAN、GP1 等接口，512M DDR2SDRAM。移植了 Win CE 嵌入式操作系统。其主要功能是设置电缆故障检测方式、配置检测参数、发送检测命令、接收并分析处理检测数据，实现了故障检测的智能化与可视化，方便用户操作及识别电缆故障类型。
[0021]显示模块采用12寸24位真彩色液晶显示触摸屏，便于用户设置参数，输入指令和查看检测结果，面板嵌入式安装鼠标为用户提供了便捷的交互操作方式。
[0022]FPGA电路采用美国Altera公司的Cyclone II系列EP2C5T144C8N大规模现场可编程逻辑门阵列电路，该FPGA内部设计了 N1s II软核处理器为核心的S0CP(SyStem onProgramnlable Chip)系统,并通过VHDL语言进行功能描述,其主要功能为对高速ADC芯片进行AD转换控制、构造8位4K异步FIFO存储AD转换结果供工控板读取、实现与工控板之间的系统总线通信功能；通过VHDL语言进行功能描述，实现倍频、分频、计数、反射脉冲触发等。
[0023]ADC采用美国AD公司AD9283构成采样模数转换电路，在FPGA的控制下，以数字锁相环PLL输出频率对电缆反射脉冲进行高达100MSPS的采样转换，转换结果存储于FPGA内构造的FIFO存储器中，N1s II可访问将该数据并通过系统总线发送给工控板。
[0024]直流脉冲产生电路包括直流高压产生电路和脉冲发送电路两部分。直流高压产生电路由FPGA控制通过高频变压器和整流电路实现，在电路板中可产生200V直流电压。脉冲发送电路由FPGA根据故障检测方式控制发送。
[0025]该核心板采用4层布线，中间两层分别为电源层和电源地层，根据电路板上元器件的布局对电源层和电源地层进行了分割。元器件焊盘为水晶工艺，实现全部表贴电路，欧式插接件，抗电磁干扰达到电磁兼容标准EMC快速瞬变4级标准。电路板上FPGA可通过JTAG在线编程。
[0026]以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于工控板和FPGA的电缆故障检测装置，其特征在于: 核心的控制与检测部分包括应用嵌入式技术的工业控制板卡与FPGA核心板， 同时还包括12寸24位真彩色液晶显示触摸屏及嵌入式安装触摸鼠标； 该控制与检测部分另外还包括I路脉冲发生器和I路高速模数转换电路，与FPGA核心板连接； 用于检测及控制的核心电路集成在一块4层的印制电路板上，与工业控制板卡通过系统总线连接； 系统总线控制器； 所述12寸24位真彩色液晶显示触摸屏及嵌入式安装触摸鼠标均与所述工业控制板卡连接；所述工业控制板卡与FPAG均连接所述系统总线控制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于工控板和FPGA的电缆故障检测装置，其特征在于:应用嵌入式技术的工控板、12寸24位真彩色液晶显示触摸屏及嵌入式安装的触摸鼠标发送检测命令、接收并分析处理检测信号，实现故障检测的智能化与可视化，方便用户操作及识别电缆故障类型。
3.根据权利要求1所述的一种基于工控板和FPGA的电缆故障检测装置，其特征在于:核心板采用4层布线，中间两层分别为电源层和电源地层，根据电路板栅元器件的布局对电源层和电源地层进行分割；元器件焊盘为水晶工艺，实现全部标贴电路，欧式接插件，抗电磁干扰达到电磁兼容标准EMC快速瞬变4级标准；电路板上的FPGA可通过JTAG 口在线编程。
4.根据权利要求1所述的一种基于工控板和FPGA的电缆故障检测装置，其特征在于:FPGA电路为美国Altera公司Cyclone II系列大规模现场可编程逻辑门阵列，在该FPGA中实现SOPC技术，通过配置N1s II并编程实现对高速ADC芯片进行AD转换控制、构造8位4K异步FIFO存储AD转换结果供工控板读取、实现与工控板之间的系统总线通信功能；通过VHDL语言进行功能描述，实现倍频、分频、计数、反射脉冲触发。
5.根据权利要求1所述的一种基于工控板和FPGA的电缆故障检测装置，其特征在于:采用美国AD公司的AD9283芯片构成采样模数转换电路，在FPGA的控制下，以数字锁相环PLL输出频率对模拟信号进行模数转换，转换结果存储于FPGA内部的8位4K异步FIFO存储器中，采样速率可达100MSPS。
6.根据权利要求1所述的一种基于工控板和FPGA的电缆故障检测装置，其特征在于:I路脉冲发生器可产生150VDC负脉冲信号，用于低阻故障及高阻故障击穿测试。
【文档编号】G01R31/08GK104076244SQ201410250165
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】米建伟, 段学超, 李素兰 申请人:西安电子科技大学