一种多通道雷电流信息采集板卡的制作方法

本发明涉及电学，具体是一种雷电流采集板卡。

背景技术：

雷电流信息包含波形、极性、幅值等参数，掌握雷电流信息能够为分析雷害事故、区分事故责任，雷电防护电路和防雷工程设计以及雷电标准的制定提供原始依据。目前在电力、风电、铁路等容易受雷电流影响的领域已经开展了雷电流信息采集技术的研究，部分研究成果已经投入到具体的行业应用中，取得了不错的实际应用效果。文献“可记录多重雷击的雷电流波形在线监测装置研制(高电压技术，第39卷第11期刊)”，它包括雷电流传感器、监测装置和终端服务器，在监测装置采用多通道并行采集技术、变频采集技术来实现多通道多重雷击数据的采集以及存储，具有采集通道多、数据存储占用空间少、能够采集多重雷击等优点。然而，该装置当有雷电流信号的幅值超过预设的限值时，才会启动雷电流波形采集及数据存储，会丢失部分波头数据，造成采集的雷电流波形信息不完整，同时由于触发电平高(3ka)，不能用于低幅值的雷电流信号采集。

发明专利cn104267250b：公开了一种高速铁路接触网系统雷电波形在线监测装置，该装置包含采集电路、i-core2核心板和授时模块，其特点是能够对多路雷电流波形进行采集和存储，具有采样频率高、时钟精度高等优点。然而，该装置需要外加硬件触发电路，当有雷电流信号时才启动雷电流数据采集，会丢失部分波头数据，同时也不具备变频采集功能，会造成存储空间的浪费。

总体来说，目前对于多通道雷电流信息采集的研究较多，部分研究缺乏试验基础，具有以下一个或者多个缺陷：

(1)采用硬件触发技术，抗干扰能力差，也不利于触发门限的调整；

(2)采用当有雷电流信号时启动雷电流信息的采集技术，造成雷电流波形的不完整；

(3)没有充分考虑雷电流信号波形波前时间变化快、中间波形变化平滑的特点，存储大量无用雷电流波形数据，造成存储空间浪费。

对于一些需要十几个或者几十个采集通道的领域，目前的采集方案不易扩展采集通道，不易产品的小型化设计，不便于产品的维修。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多通道雷电流信息采集板卡，通过将以罗氏线圈作为传感器获取的模拟雷电流信号转换为数字信号，实时将数字信号传输至fpfa，利用fpga高速处理数据能力，采用边沿触发和幅值限定比较技术，降低触发门限，同时滤除线路杂波干扰，精确判定雷电流信号；采用环形队列存储发送技术对数字信号进行延时输出，避免雷电流信息中波头数据的丢失，真实还原每次回击放电过程产生的完整雷电流波形。多通道雷电流信息采集电路采用板卡级设计开发方式，可根据现场实际情况，增配雷电流采集板卡，进而增加监测通道数量，与此同时，多通道雷电流采集板卡作为可维修单元，可随时进行替换，降低维修时间，提高系统可维修性。

为克服现有技术的不足，本发明提供一种多通道雷电流信息采集板卡设计方法，通过采用多个雷电流采集电路实时进行模拟信号到数字信号的转换，可以多通道并行采集雷电流数据，从而为雷电防护电路设计、防雷工程设计以及改造提供数据支持。为解决上述问题，本方案通过以下技术手段实现：

一种多通道雷电流信息采集板卡，包括对外接口模块、电源模块、指示灯模块、fpga模块、雷电流信息采集模块、sram模块以及时钟模块，对外接口模块通过雷电信息采集模块与fpga模块相连，fpga模块通过对外接口模块与外部通信接口相连；所述对外接口模块分别与电源模块、fpga模块、雷电流采集模块连接，为电源模块提供输入电源接口，为fpga模块提供通信接口，为雷电流采集模块提供雷电流信号输入接口；所述电源模块将外输入电源进行转换，为指示灯模块、fpga模块、雷电流采集模块、sram模块以及时钟模块提供工作电源；所述fpga模块与指示灯模块、雷电流采集模块、sram模块以及时钟模块相连，为指示灯模块提供电信号，使指示灯模块显示雷电流采集模块的状态，同时从雷电流采集模块读取采集数据，当有满足要求的雷电流信号时，从时钟模块读取时间信息，与采集数据、通道信息一起存储到sram模块中，实现雷电流信息的采集和存储；

雷电流采集模块包含多路相同的依次连接的防护模块、积分模块、信号调理模块和a/d转换模块；所述多路防护模块的输入端分别与对外接口模块相连；所述多个a/d转换模块的数据输出端并联后与fpga模块相连；所述多个a/d转换模块的控制信号分别与fpga模块相连，在fpga模块的控制下，雷电流采集模块的采集数据在一个采集周期内分时输出至fpga模块。

所述雷电信息采集模块包含4路相同的依次相连的防护模块、积分模块、信号调理模块、a/d转换模块。

一个fpga模块可以控制8个通道的雷电流信息同时采集，其中4个通道雷电流信息采集通道为一个模组，一个模组采集数据使用一个传输通道在一个采样周期内分时传输给fpga模块，fpga模块将4个通道的雷电流信息采集数据在一个采样周期内分时存储到同一个sram模块中。

所述fpga模块包括自检模块、fifo模块、触发模块、时钟控制模块、数据采集控制模块、数据读写控制模块和通信模块；自检模块对输入信号进行监测，根据输入信号的数值判断采集通道是否异常，进而控制指示灯模块的指示灯的亮和灭来显示采集通道状态；fifo模块对输入数据进行n个采样周期的延时输出，实现对输入信号波形的完整性采集；触发模块采用边沿触发和幅值限定比较技术来判断输入信号是否为雷电流信号，当有雷电流信号时，采集数据读写控制模块将fifo模块的输出数据、时钟控制模块输出的时间信息一并写入到sram模块中，实现雷电流信息的暂时存储；通信模块实现采集数据的输出和控制指令的接收，并能根据接收指令进行fifo模块延时周期的设置、触发门限的设置、采集频率以及变频频率的设置。

本发明的优点是：

本发明提供一种多通道雷电流信息采集板卡设计方法，能够实现对多路监测点的雷电流信号的采集，板级设计开发方式，便于现场应用中采集通道的扩展，同时作为系统可维修单元，可随时进行替换，降低维修时间，提高系统可维修性。

本发明在采集电路设计上，采用采集数据通道复用、分时采集的方式，充分利用fpga数据高速处理功能，在不影响采集数据实时采集、分析、处理的基础上，最大程度节约芯片资源。同时，采用边沿触发和幅值限定比较技术进行软件滤波，提高有效数据判定效率和可靠性，降低硬件成本，缩小多通道雷电流信息采集板卡体积。在采集雷电流波形过程中，根据现有雷电流信号波形波前时间变化快、中间波形变化平滑的特点，采用变频采集、环形队列存储发送技术，能够完整还原雷击过程中雷电流波形，不丢失波头数据，减少相似数据存储量，缩小存储空间。以上设计方法在兼顾了电路成本与采集数据处理、波形还原真实性及效率。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本实施例中的雷电流采集模块的组成框图；

图3为本实施例的fpga模块组成框图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明，图1为本发明的结构框图，为了实现多通道雷电流信息的同步采集，本实施例提供一种多通道雷电流信息采集板卡，包括对外接口模块100、电源模块200、指示灯模块300、fpga模块400、雷电流信息采集模块500、sram模块600以及时钟模块700。所述对外接口模块分别与电源模块、fpga模块、雷电流采集模块连接，为电源模块提供输入电源接口，为fpga模块提供通信接口，为雷电流采集模块提供雷电流信号输入接口；所述电源模块将外输入电源进行转换，为指示灯模块、fpga模块、雷电流采集模块、sram模块以及时钟模块提供工作电源；所述fpga模块与指示灯模块、雷电流采集模块、sram模块以及时钟模块相连，为指示灯模块提供电信号，使指示灯模块显示雷电流采集模块的状态(工作正常亮点、工作异常灭灯)，同时从雷电流采集模块读取采集数据，当有满足要求的雷电流信号时，从时钟模块读取时间信息，与采集数据、通道信息一起存储到sram模块中，实现雷电流信息的采集和存储。

这里需要说明的是，为了充分发挥fpga的快速数据处理能力，本实施例中一个fpga模块可以控制8个通道的雷电流信息同时采集，其中4个通道雷电流信息采集通道为一个模组，一个模组采集数据使用一个传输通道在一个采样周期内分时传输给fpga模块，fpga模块将4个通道的雷电流信息采集数据在一个采样周期内分时存储到同一个sram模块中。此方法在可以节约fpga资源的同时保证了雷电流采集通道触发时间的一致性，便于后续采集数据分析。

如图2所示，为本实施例中的雷电流采集模块的组成框图，包含4路相同的依次连接的防护模块501、积分模块502、信号调理模块503和a/d转换模块504。所述4路防护模块的输入端分别与对外接口模块相连；所述四个a/d转换模块的数据输出端并联后与fpga模块相连；所述四个a/d转换模块的控制信号分别与fpga模块相连，在fpga模块的控制下，雷电流采集模块的采集数据在一个采集周期内分时输出至fpga模块。

这里需要说明的是，雷电流采集模块各功能模块均可采用本领域常规技术手段实现，只需要根据实际应用选择常规的集成电路芯片即可。具体的，防护电路：能够对后续的电路进行防护，以免浪涌、雷电等信号损坏后续电路。积分电路：一般对于雷电流信号采集，目前常用罗氏线圈作为雷电流传感器，罗氏线圈的输出信号为真实雷电流信号的微分信号，因此需要积分模块将罗氏线圈的输出信号进行还原，得到真实的雷电流信号。信号调理电路：通过积分模块输出的雷电流信号的幅值不能满足后续a/d模块的要求，需要对幅值进行变换，以满足a/d模块的输入要求。a/d模块：用于将处理后的雷电流信号(模拟信号)转换为数字信号，用于后续fpga模块的数据处理。

如图3所示，为本实施例的fpga模块组成框图，包括自检模块401、fifo模块402、触发模块403、时钟控制模块404、数据采集控制模块405、数据读写控制模块406和通信模块407。自检模块对输入信号进行监测，根据输入信号的数值判断采集通道是否异常，进而控制指示灯模块的指示灯的亮(采集通道正常)和灭(采集通道异常)，来显示采集通道状态；fifo模块对输入数据进行n个采样周期的延时输出，实现对输入信号波形的完整性采集；触发模块采用边沿触发和幅值限定比较技术来判断输入信号是否为雷电流信号，当有雷电流信号时，采集数据读写控制模块将fifo模块的输出数据、时钟控制模块输出的时间信息一并写入到sram模块中，实现雷电流信息的暂时存储；通信模块实现采集数据的输出和控制指令的接收，并能根据接收指令进行fifo模块延时周期的设置、触发门限的设置、采集频率以及变频频率的设置。

进一步，还包含与fpga模块相连的时钟模块，fpga模块可以实时读取时钟信息以及对时钟进行校正。

进一步，还包含与fpga模块相连的sram模块，sram模块包含两个sram芯片，一个sram芯片可以存储四个通道的雷电流信息。

进一步的，各个模块可以选用如下器件：

对外接口模块采用的连接器为harting公司的09061486901；

电源模块采用金升阳电源，型号为：ura2405ymd-10wr3、vrb2403s-6wr3；

指示灯模块：指示灯为北京半九科技有限公司的pbt133d-308f；

fpga模块的fpga为altera公司的ep4ce15f17c8n；

sram模块采用的芯片为issi公司的is61wv25616bll；

时钟模块采用的芯片为dallas公司的ds1302zn+；

防护模块采用的器件为diodes公司的smaj33ca；

积分模块采用的芯片为ti公司lme49990ma；

信号调理模块采用的芯片为ti公司的opa842id；

a/d模块采用的芯片为ti公司的ads803。