CN101000506A - 即插即用型高速智能模拟量采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种模拟量采集系统。该系统由数据采集插件、总线背板、总线接口板、可编程控制逻辑和AD转换器四部分组成，其主要特征为：1.采样通道切换控制由可编程控制逻辑产生，该控制有延时补偿，补偿量可调整。2.数据采集插件上有选通逻辑，它将插件地址与控制信号进行比较，两者匹配时由逻辑控制开关控制相应采样通道输出。3.总线背板上有多个插槽。数据采集插件和总线接口板通过插槽与总线控制器相连。插槽具有唯一地址。数据采集插件可即插即用，系统自动判断插件数量和位置，发出切换控制。4.总线背板提供模拟信号和控制信号传输通道。总线接口板将模拟信号送到AD，并接收控制逻辑发出的切换控制。5.系统采样频率可编程控制。

Description

即插即用型高速智能模拟量采集系统

所属技术领域：

本发明是一种模拟量采集系统。在电力系统运行中，运行参数的采样监控是确保输、配电安全运行非常重要的一环。电力系统监测控制系统未来的发展方向是：1)能实现高速同采步样；2)模拟量采集通道的数目灵活可变。针对上述目标，而设计了本系统，其特点是：硬件采集系统即插即用，可灵活扩充，各采用通道在采样频率的分配上采用分时复用的技术。

背景技术：

在电力系统继电保护、控制系统、直流输电等领域，常常需要对控制对象的参数进行高速同步采样。实际上，同步只是一个相对的概念。在采样通道较多的情况下，受采样数据传输通道、计算机总线带宽以及设备制造成本等多方面的限制，不可能实现各采样通道的完全同步。但在系统采样频率非常高的情况下，若控制系统的行为对各通道的采样时间差不敏感，也可认为各采样通道的采样基本同步。因此，在这种情况下，各采样通道采用时分复用技术对控制系统是完全可行的。

目前，时分复用的数据采集系统主要有以下两种设计方式：一是将所有采样通道及其切换控制集中设计到一块电路板上。这种方式的缺点是电路板设计复杂，可扩展性较差。二是采用模块化的设计方法，将数据采样通道分布在不同的数据采集板上，通过软件系统自动监测采样通道的位置和数量，并灵活切换控制。这种方式的特点是装置设计复杂，但控制灵活，可扩充性好。本发明采用的就是模块化的设计方法，将若干个数据采样通道布置在一块数据采集板上，各数据采集板以插件形式连入总线背板，通过硬布线的方式，使每个数据采集板在总线背板上具有唯一的地址标识，因此，根据该地址和选通信号就可选通相应的数据采集通道。

发明内容：

本发明由四个部分构成，如附图1所示。

第一部分为数据采集插件，它由选通逻辑、模拟控制开关、模拟信号调整电路、通道检测和插件识别电路以及信号输入输出接口等构成。其主要功能是根据控制信号总线传来的选通控制信号来选通相应的数据采集通道，并将数据采集信号经模拟信号调整电路转换为便于AD转换的电平信号，经控制开关、输入输出接口传输到模拟信号总线上。同时，它能进行采样通道的自动检测，并将插件的地址标识传输到可编程控制逻辑，以便系统自动检测数据采集插件的位置和数量。

第二部分为总线背板，它由模拟信号总线、采集通道控制总线、电源总线、CAN总线以及若干个为各种插件包括数据采集插件、总线接口板等提供插槽的连接器组成。其主要作用是提供采样数据和控制信号的传输通道，并为每一个连接器提供唯一一个地址标识，以识别不同的数据采集插件，便于采样通道的选择控制。

第三部分为总线接口板，其主要作用是提供控制信号和模拟信号的传输接口，使总线背板上的模拟信号能经同轴电缆传输到AD转换器，同时将控制电缆传来的控制信号由差分信号转换为电平信号，再发送到采集通道控制总线上。

第四部分为可编程控制逻辑与AD转换器。可编程控制逻辑的主要作用是调整控制采样频率，并根据监测到的数据采集插件的地址标志，判断数据采集插件的数量，然后发出通道切换控制命令，同时对控制命令的延时进行补偿。控制命令经差分电路转换为差分信号后，经控制电缆传给总线接口板。

附图说明：

附图1为即插即用型高速智能模拟量采集系统的组成原理图，它总共由四个部分组成。该图大体描述了各组成部分之间模拟信号、控制信号的相互传递关系。

具体实施方式：

一、数据采集插件

在数据采集插件上，布置有四个数据采集通道，这四个数据采集通道分成两组，任一采样周期最多只有一组数据采集通道导通，以传输模拟采集数据。数据采集通道的选通是由选通逻辑和模拟控制开关来控制的。首先，信号输入输出接口将采样通道控制总线传来的选通控制信号传给选通逻辑。选通逻辑将选通控制信号中包含的插件地址信号与当前插件的地址(插槽号)进行比较，若两者吻合，则可根据选通控制信号中包含的通道信息来控制相应的选通控制电平为低电平，再通过控制开关，导通相应的数据采集通道。

数据采集通道导通后，其采集的模拟信号按照实际应用的信噪比、采样精度和分辨率等要求，经过一系列的转换，输出为便于AD转换的电平信号。该电平信号经模拟控制开关、输入输出接口、以及同轴电缆传输到AD转换模块，进行模拟量和数字量的转换，然后将转换后的数字信号送到监测分析系统，以便于监测分析。

在本模拟量采集系统中，数据采集插件的数量是根据监控的通道数量来确定的，它可灵活扩充。在需要对所有监控通道进行同步采样、而任一采样周期只能导通两个数据采集通道的情况下，各数据采集通道就必须按照时分复用的方法，轮番进行模拟量的采集。采样通道的切换控制命令是由可编程控制逻辑发出的。它可根据数据采集插件的数量以及同一插件上数据采集通道的组数来决定采样通道的切换周期，然后根据采样脉冲计数值来输出选通控制命令。因此，每一组数据采集通道的采样频率可按以下方法来确定：

数据采集通道的采样频率＝系统总采样频率/(数据采集插件的数量*2)

数据采集插件还具有自检其采样通道，并将插件地址传给可编程控制逻辑，以检测插件数量和插槽位置的功能。采样通道的自检是通过该插件上的选通逻辑以及一个微处理器来实现的。由于数据采集插件上的每一组数据采集通道是按照时分复用的方法来获取采集数据的，因此每一组数据采集通道应均分系统的总采样频率。而选通逻辑会根据各组采样通道的选通脉冲信号即选通控制电平，输出一个16分频的测试信号，然后送到微处理器，微处理器会根据测试信号脉冲进行计数，根据该计数值就可判断该数据采集通道的采样是否正常。

另外，数据采集插件还可通过微处理器将插件地址通过通信网传给可编程控制逻辑，可编程控制逻辑根据检测到的插件地址来判断系统的总插件数量和所在的插槽号，因此使各数据采集插件具有即插即用的特性。

二、总线背板

总线背板可将各数据采集插件采集的模拟信号经模拟信号总线传到总线接口板，同时将总线接口板接收的选通控制信号经采集通道控制总线传到各数据采样插件上。一方面，它可为各插件提供模拟信号以及控制信号的传输通道，另外一方面，还可通过硬布线的方式，为每一个连接器(插槽)提供唯一一个以输出电平相互区分的地址标识，该地址标识作为其相连插件的地址，可用于识别不同的数据采集插件，并可用于采样通道的切换控制。

三、总线接口板

总线接口板将总线背板传输来的模拟信号经同轴电缆传输到AD转换器，同时将控制总线传输来的选通控制信号送到总线背板，以控制各数据采集插件的选通。由于控制总线传输来的选通控制信号为差分信号，因此，在控制信号发送到总线背板的采集通道控制总线前，必须将差分信号转换为电平信号后，才能用于数据采集通道的选通。因此，在总线背板上，还布置了一组由高速485组成的差分电路，来完成控制信号的转换。

四、可编程控制逻辑与AD转换器

可编程控制逻辑是整个模拟量采集系统的控制中心，它一方面调整控制模拟信号的采样频率，输出模拟信号的采样脉冲。另一方面负责数据采样通道的选通和通道切换。此外，可编程控制逻辑还可调整控制信号的延时补偿，使采样脉冲和模拟信号能够同步，以确保采集数据的准确性，避免出错。

采样脉冲的频率调节是通过软件系统来实现的。首先，10M晶振将其输出脉冲信号送到可编程控制逻辑，然后通过编程控制，调整其输出采样频率，该采样频率可达10M以上。调整后的采样脉冲经功率放大后，输入到AD转换器，控制AD的转换。

可编程控制逻辑还会对采样脉冲进行计数，根据计数值发出通道切换控制命令(即选通控制信号)。首先，可编程控制逻辑会根据检测到的数据采集插件的数量，计算通道切换周期，然后根据采样脉冲的计数值发出通道切换命令。在每个通道切换周期，所有采样通道会轮换采样一次，使每个采样通道均分采样带宽。可编程控制逻辑输出的通道切换控制命令经高速485差分驱动后，由数字信号转变为差分信号，以便在向采样通道传输的过程中提高抗干扰能力。

由于控制信号和模拟信号在传输过程中存在延时，可能导致模拟信号在时间窗上与采样脉冲不同步，而引起AD转换的结果与实际采样值不一致。因此在输出选通控制信号时，必须考虑延时补偿。延时补偿量由通过锁相环和可编程控制逻辑来调整，其最佳值是保证模拟信号的时间窗与采样脉冲完全同步。

经同轴电缆传输来的模拟信号输入到AD转换器后，便可在采样脉冲的控制下，完成AD转换。转换过程是：当采样脉冲处于上升沿时，AD转换器开始读取模拟信号，并进行AD转换，随后在采样脉冲的下降沿，将转换后的数字信号输出到局部数据总线上。除转换后的数字信号外，在采样数据中还包含相应的数据采样插件的通道状态信息以及采样时间标志。采样数据最后经外部总线传到监测分析系统，以便于对监控对象运行参数的监测和分析。

Claims (9)

1. 本发明为一种高速模拟量采集系统，其特征是：

   1、通过可编程控制逻辑输出选通控制信号即采样通道的切换控制命令。
2. 2、选通控制信号具有延时补偿，且延时补偿量可以调整。
3. 3、对采样脉冲进行计数，以计数值来控制采样通道的切换。
4. 4、将数据采集插件在总线控制板上的地址标识(即插槽位置信息)与选通控制信号中包含的插件地址信息进行比较，当两者相匹配时，导通相应的数据采样通道，实现模拟量的脉冲采样。
5. 5、数据采集插件的采样频率＝系统总采样频率/数据采集插件的数量。
6. 6、采集数据中包含采样的时间标志和相应的通道状态信息。
7. 7、数据采集插件即插即用，系统可自动监测插件的数量和位置。
8. 8、模拟量采集频率可编程控制。
9. 9、系统总采样频率在10M以上。

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