專利名稱：高速同步數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及電力系統(tǒng)對(duì)高頻暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行高速、同步的數(shù)據(jù)采集和快速實(shí)時(shí)處理技術(shù)。
具有超高速動(dòng)作性能的輸電線路行波保護(hù)是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究的一個(gè)重要課題。遺憾的是迄今為止國(guó)際上尚無完善的行波保護(hù)裝置問世。原因有二，一是缺乏合適的數(shù)學(xué)分析手段分析高頻暫態(tài)行波信號(hào)；二是技術(shù)要求太高(譬如，采樣頻率到達(dá)400KHZ或以上，處理時(shí)間非常短暫1～2毫秒)。上述問題用傳統(tǒng)的技術(shù)手段是無法解決的。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理方案、設(shè)計(jì)出高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理硬件電路板、對(duì)于所采集信號(hào)進(jìn)行小波變換，從而實(shí)現(xiàn)高頻暫態(tài)行波的高速同步采集和快速處理；使性能完善的的新型輸電線路行波保護(hù)裝置的研制成為可能。
提出的一種高速同步數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板，其特征在于，由集成在一塊電路板上的電路連接的模擬信號(hào)輸入和A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、通信模塊三部分組成；其中，所說的模擬信號(hào)輸入和A/D轉(zhuǎn)換模塊包括接收三路電壓和三路電流模擬信號(hào)的前置低通電路、接收三路電流模擬信號(hào)的前置帶通電路、與該前置低通電路相連的A/D模塊及與該前置帶通電路相連的硬件啟動(dòng)電路；所說的數(shù)字信號(hào)處理模塊包括與所說的A/D模塊相連的控制及譯碼電路，與所說的硬件啟動(dòng)電路相連的數(shù)字信號(hào)處理器DSP模塊，與該控制及譯碼電路相連的緩沖器和存儲(chǔ)器雙口RAM，與該DSP模塊相連的程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器FLASH、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，以及存儲(chǔ)在FLASH中并供DSP使用的數(shù)字信號(hào)處理程序，通信模塊與該DSP模塊相連，用于和其它板件或者后臺(tái)計(jì)算機(jī)交換采集與計(jì)算結(jié)果。
本發(fā)明能夠高速、同步地采集各種電壓和電流信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行快速實(shí)時(shí)處理。特別是可對(duì)高頻暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行高速、同步的數(shù)據(jù)采集和快速實(shí)時(shí)處理。
本發(fā)明可用于電力系統(tǒng)中的以下領(lǐng)域1.高壓輸電線路、發(fā)電機(jī)、大型電力變壓器等電氣設(shè)備的繼電保護(hù)裝置；2.電力系統(tǒng)故障錄波器；3.電力系統(tǒng)故障事件記錄儀；4.電力系統(tǒng)安全自動(dòng)裝置；5.其它需要同步、高速數(shù)據(jù)采集和快速實(shí)時(shí)處理的場(chǎng)合。
本發(fā)明的主要性能指標(biāo)如下1、采集信號(hào)范圍a)信號(hào)幅度-2.5V～+2.5V；
b)采樣頻率0～400千赫茲可選。
2.同步采集路數(shù)6路(三相電壓和三相電流)。
3.A\D轉(zhuǎn)換精度12位。
4.最小指令周期60納秒。
5.可存放數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(循環(huán))64K字。
附圖簡(jiǎn)要說明

圖1本實(shí)施例的高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板硬件構(gòu)成框圖及譯碼電路圖2本實(shí)施例的異步通信方式圖3本實(shí)施例的三相故障電流波形4本實(shí)施例的數(shù)據(jù)存放格式圖5本實(shí)施例的軟件構(gòu)成框圖本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板的實(shí)施例結(jié)合各附圖詳細(xì)說明如下本實(shí)施例由模擬信號(hào)輸入和A/D轉(zhuǎn)換模塊I、數(shù)字信號(hào)處理模塊II、通信模塊III三部分組成，如圖1所示。
各模塊的組成及功能說明如下1、模擬信號(hào)輸入和A/D轉(zhuǎn)換模塊，包括前置低通電路、前置帶通電路、A/D模塊、A/D控制回路與硬件啟動(dòng)電路，其中(1)前置低通電路A/D部分采樣三路電壓、三路電流，采樣率為400K(也可以設(shè)為1兆赫茲)，為了與前置運(yùn)放相匹配，PT，CT二次側(cè)要求最大輸出為±2.5v。
考慮到電力系統(tǒng)故障后的暫態(tài)行波信號(hào)的能量主要集中在200千赫茲頻率以下，所以對(duì)于模擬數(shù)據(jù)輸入通道設(shè)置了一個(gè)200千赫茲的低通濾波電路。
(2)前置帶通電路為了提高行波保護(hù)動(dòng)作的可靠性，防止高頻噪聲(高于20千赫茲)和工頻分量、諧波分量(低于1千赫茲)造成誤啟動(dòng)，硬件啟動(dòng)電路設(shè)置了一個(gè)3千赫茲～10千赫茲的帶通電路。
(3)硬件啟動(dòng)電路硬件啟動(dòng)電路由三路電流分別啟動(dòng)，或門輸出，主要作為啟動(dòng)故障處理模塊的判據(jù)。為了防止硬件啟動(dòng)回路對(duì)A/D轉(zhuǎn)換回路的影響，該回路的電流量將從CT的另一二次抽頭單獨(dú)引出，為此，交流插件中的CT將做成兩個(gè)抽頭。
硬件啟動(dòng)回路主要獲取行波3～10千赫茲的信號(hào)，所以需要前置帶通濾波，然后經(jīng)由比較器輸出啟動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)主要有三種用途(1)觸發(fā)控制電路，記憶啟動(dòng)時(shí)刻地址；(2)產(chǎn)生DSP外部中斷，啟動(dòng)數(shù)據(jù)讀取和故障處理程序；(3)通知其它電路(或者電路板)記錄啟動(dòng)時(shí)刻。
硬件啟動(dòng)電路的核心元件是電壓比較器LM293，三相電流啟動(dòng)元件使用三個(gè)比較器。
(4)數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片A/DA/D轉(zhuǎn)換芯片選擇AD803采樣率5M，自帶采樣保持(S/H)，內(nèi)部參考電壓，低功耗，低噪音，三態(tài)輸出，輸入選擇-2.5～2.5V方式。
2、數(shù)字信號(hào)處理模塊，包括控制及譯碼電路、運(yùn)用雙口RAM的數(shù)據(jù)交換模塊和DSP模塊及相應(yīng)的外圍電路，其中(1)控制及譯碼電路本電路主要用于控制A/D轉(zhuǎn)換；把轉(zhuǎn)換結(jié)果送入數(shù)據(jù)緩存器和雙口RAM；形成故障啟動(dòng)所對(duì)應(yīng)的故障數(shù)據(jù)首地址?？刂苹芈酚梢粋€(gè)外接6.4兆赫茲的高穩(wěn)定性的晶振驅(qū)動(dòng)，對(duì)其16分頻產(chǎn)生400千赫茲的AD觸發(fā)時(shí)刻信號(hào)，同時(shí)通過四—十六譯碼器產(chǎn)生時(shí)序電路，保留前面大約600ns作為AD轉(zhuǎn)換時(shí)間，后面大約300ns作為讀取各路轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)間，產(chǎn)生六路讀取信號(hào)，同時(shí)由十六位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生譯碼器地址，存放讀取結(jié)果，并產(chǎn)生正確的讀寫信號(hào)，如果在讀取的同時(shí)發(fā)生故障啟動(dòng)，則另外記憶啟動(dòng)時(shí)刻的首地址。
(2)DSP及外圍電路本模塊是該電路板的核心部分，主要用于對(duì)于處理原始采樣數(shù)據(jù)，其中包括故障啟動(dòng)的軟件判別、小波分析、部分行波保護(hù)程序的處理。
DSP采用中斷程序引導(dǎo)的啟動(dòng)方式，將程序存儲(chǔ)器FLASH內(nèi)的原始代碼裝載到快速RAM中，上電初始化后，執(zhí)行對(duì)外圍的檢測(cè)與監(jiān)控，分配外圍空間，等待啟動(dòng)信號(hào)確認(rèn)后，進(jìn)行相應(yīng)故障處理。
本模塊將DSP的兩定時(shí)器引腳設(shè)置為I/O口，用于與其它板件的同步通信反饋信號(hào)。
雙口RAM被設(shè)置成64K的循環(huán)RAM，解決了不間斷采樣與數(shù)據(jù)讀取的矛盾，將雙口RAM設(shè)置成可以存放5次故障數(shù)據(jù)(每次12K)的大容量RAM，主要是為了給DSP在數(shù)據(jù)讀取和處理時(shí)有充分時(shí)間，在這里僅用了雙口RAM的最基本功能，即兩組總線共同控制同一數(shù)據(jù)空間。一組總線接A/D轉(zhuǎn)換輸出總線，不間斷地錄入原始數(shù)據(jù)，該組總線由A/D轉(zhuǎn)換控制回路控制；另一組總線接DSP外圍總線，受DSP控制，用于在必要時(shí)刻讀取數(shù)據(jù)，為了使數(shù)據(jù)不產(chǎn)生沖突，必須要確保兩組總線不能同時(shí)訪問同一地址，這需要人為控制。
數(shù)字信號(hào)處理器模塊DSP選擇為TMS320C31芯片，主要用于數(shù)據(jù)處理與分析，有速度快(60ns單周期執(zhí)行時(shí)間)，精度高(32位)的特點(diǎn)。24根地址線，32根數(shù)據(jù)線3、通信模塊，采用MC485芯片，用于和其它板件或者后臺(tái)計(jì)算機(jī)交換采集與計(jì)算結(jié)果。
TI公司的DSP標(biāo)準(zhǔn)通訊方式為六線的同步串行方式，它主要用于與本公司相應(yīng)產(chǎn)品通信。為了和其它板件通信或者與后臺(tái)計(jì)算機(jī)通信，必須設(shè)計(jì)新的接口方式。本實(shí)施例板采用了單向通信方式，如圖2所示?，F(xiàn)以該板與MC68332保護(hù)板通信為例，說明其通信實(shí)現(xiàn)方式。
該方式是由DSP主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給MC68332，為了保證可靠性，可連續(xù)發(fā)送三次，當(dāng)MC68332接受到三次完全相同的數(shù)據(jù)后，反饋一根確認(rèn)信號(hào)線，該種方式的缺點(diǎn)是行波保護(hù)模塊不能下傳更多信息給DSP。同時(shí)為了保證通訊線的抗干擾能力，在硬件上利用485芯片將電平傳送轉(zhuǎn)換為差分傳送，實(shí)驗(yàn)已證明，差分方式的抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電平方式。
本實(shí)施例的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換與數(shù)字信號(hào)處理板的功能與工作原理為設(shè)該板件應(yīng)用于數(shù)字式行波保護(hù)裝置。其作用是進(jìn)行故障數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。其工作過程可描述如下設(shè)待采樣的三相電流波形如圖3所示，圖中，曲線1、曲線2、曲線3分別表示A、B、C三相電流。
1.三相電壓和三相電流共計(jì)六路模擬量需要采集和記錄；2.來自于高壓輸電線路的三相電壓和三相電流分別經(jīng)過電壓和電流互感器變換成100伏特的電壓和5安培的電流；3.100伏特的電壓和5安培的電流再經(jīng)過電壓—電壓變換器和電流—電壓變換器變換成供采集使用的正負(fù)2.5的模擬信號(hào)；4.該六個(gè)正負(fù)2.5的模擬信號(hào)接入高速采集板的輸入端；5.在控制和譯碼電路的指揮下，每隔2.5微秒完成一次六路模擬信號(hào)的同步采樣和分時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換精度12位，每一路的轉(zhuǎn)換時(shí)間為416.67微秒)；6.在控制和譯碼電路的驅(qū)動(dòng)下，上述轉(zhuǎn)換結(jié)果按照順序被推入緩沖器，再進(jìn)入雙口RAM(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)；7.在雙口RAM的輸入口，數(shù)據(jù)被循環(huán)存放，即從某個(gè)單元開始，連續(xù)不斷地存放數(shù)據(jù)，所有空間存放滿后，新數(shù)據(jù)將覆蓋舊數(shù)據(jù)。存放格式如圖4所示；8.正常情況下，數(shù)據(jù)連續(xù)被存放，但是DSP將不對(duì)它作任何處理；9.故障發(fā)生后，硬件啟動(dòng)電路將工作。首先，經(jīng)模擬帶通電路輸出的三相電流經(jīng)或門輸出進(jìn)入硬件啟動(dòng)電路，電壓比較器輸出高電平，則認(rèn)為故障發(fā)生，并發(fā)出觸發(fā)信號(hào)向DSP提出申請(qǐng)，DSP將記錄下這個(gè)時(shí)刻和相應(yīng)地存放地址；10.故障發(fā)生后，DSP將讀取故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
假如在t時(shí)刻發(fā)生了故障，在圖3中1)t＝10ms發(fā)生故障，電壓和電流將發(fā)生突變從該時(shí)刻開始計(jì)數(shù)，DSP開始從另外一個(gè)口讀取循環(huán)雙口RAM中的數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)讀到15ms為止，一共讀取了5毫秒數(shù)據(jù)，共計(jì)12千字(每路占用2千字、16位)(總共記錄了5毫秒的故障數(shù)據(jù)窗)；11.對(duì)于上述故障后的三相電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換或者其它的數(shù)字信號(hào)處理，求取小波變換后的故障特征值，計(jì)算故障距離、判斷故障發(fā)生的方向(來自于故障線路方向還是來自于故障線路背后方向)；12.把計(jì)算結(jié)果經(jīng)過串行通信口送到微處理器68332中去，從而完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集和故障計(jì)算的任務(wù)。
本實(shí)施例根據(jù)上述硬件構(gòu)成和基本工作原理，設(shè)計(jì)了該板的軟件，存儲(chǔ)在DSP中，該軟件構(gòu)成框圖如圖5所示，說明如下DSP軟件執(zhí)行三部分功能1)故障啟動(dòng)時(shí)刻記錄(觸發(fā)時(shí)刻記錄)和采樣數(shù)據(jù)讀??；2)數(shù)字信號(hào)處理及部分功能程序(比如繼電保護(hù))；3)通信。
此外，DSP軟件還需具備自檢循環(huán)、死機(jī)后自動(dòng)復(fù)位等功能。
其中，數(shù)字信號(hào)處理是該軟件的核心。它包括軟件啟動(dòng)算法、故障相選擇、故障類型識(shí)別、相模變換、富氏變換、小波變換等功能模塊。上述算法的運(yùn)算量很大，為保證信號(hào)處理的速度，才選擇DSP而不采用普通的單片機(jī)。
在數(shù)字信號(hào)處理程序中，對(duì)小波變換簡(jiǎn)單說明如下小波變換是一種新的數(shù)學(xué)方法，它是通過一個(gè)被稱為小波的函數(shù)的伸縮與平移來表示待分析的信號(hào)。它具有時(shí)間—頻率局部化性能，因此特別適合于具有暫態(tài)性質(zhì)的、非平穩(wěn)變化信號(hào)的分析和處理。小波變換被定義為Wf(t)＝f(t)*ψs(t)其中，f(t)-信號(hào)(行波)；ψ3(t)＝ψ(t/s)/s，稱為小波；s-尺度參數(shù)或者伸縮因子；ψ(t)-基小波。
若s取值為2j(j∈Z)，則小波稱為二進(jìn)小波，對(duì)應(yīng)的小波變換稱為二進(jìn)小波變換。
權(quán)利要求
1.一種高速同步數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板，其特征在于，由集成在一塊電路板上的電路連接的模擬信號(hào)輸入和A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、通信模塊三部分組成；其中，所說的模擬信號(hào)輸入和A/D轉(zhuǎn)換模塊包括接收三路電壓和三路電流模擬信號(hào)的前置低通電路、接收三路電流模擬信號(hào)的前置帶通電路、與該前置低通電路相連的A/D模塊及與該前置帶通電路相連的硬件啟動(dòng)電路；所說的數(shù)字信號(hào)處理模塊包括與所說的A/D模塊相連的控制及譯碼電路，與所說的硬件啟動(dòng)電路相連的數(shù)字信號(hào)處理器DSP模塊，與該控制及譯碼電路相連的緩沖器和存儲(chǔ)器雙口RAM，與該DSP模塊相連的程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器FLASH、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，以及存儲(chǔ)在FLASH中并供DSP使用的數(shù)字信號(hào)處理程序，通信模塊與該DSP模塊相連，用于和其它板件或者后臺(tái)計(jì)算機(jī)交換采集與計(jì)算結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域,由集成在一塊電路板上的電路連接的模擬信號(hào)輸入和A/D轉(zhuǎn)換模塊(包括前置低通電路、前置帶通電路、A/D模塊及硬件啟動(dòng)電路)、數(shù)字信號(hào)處理模塊(包括控制及譯碼電路,數(shù)字信號(hào)處理器DSP模塊,緩沖器和存儲(chǔ)器雙口RAM,程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器FLASH、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM以及數(shù)字信號(hào)處理程序)、通信模塊三部分組成;本發(fā)明能夠高速、同步地采集各種電壓和電流信號(hào),并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行快速實(shí)時(shí)處理。
文檔編號(hào)G06F17/40GK1270316SQ0010912
公開日2000年10月18日 申請(qǐng)日期2000年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月9日
發(fā)明者董新洲, 張言蒼 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司