CN101004855A - 城轨供电馈线电流电压量的采集和传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城轨供电馈线电流电压量的采集和传输方法，主要包括利用VHDL语言在一个FPGA芯片中实现了数据采集的控制、零位误差和增益的预处理；抗干扰的递推平均值滤波；光纤通信的控制等方法。具有运算速度快、易修改、可复用，对周期性干扰有良好的抑制作用，通信稳定性好，适应性强等优点。

Description

城轨供电馈线电流电压量的采集和传输方法

技术领域  本发明涉及一种城市轨道交通应用中供电馈线的电流电压的采集和传输方法，具体地说，是一种用FPGA设计的光纤通信控制器通过光纤通信控制数据的采集和传输，并用FPGA处理采样数据的方法。

背景技术  根据国家计委与轻轨研究中心提供的规划资料，“十一五”计划期间，中国地铁建设投资将达2000亿元，建成总长度450公里左右的城市轨道交通线路。2020年中国将有超过550公里的地铁线，2050年包括轻轨和地铁线路将达到2000公里。但是到目前为止我国城市轨道交通的直流系统部分的保护和控制系统仍然全部采用进口设备，国内相关行业在这一领域仍然处于空白，其主要原因是城市轨道交通直流牵引供电系统“直流馈电线保护装置”的关键设备“光纤数据采集传输装置”被国外垄断。“光纤数据采集传输装置”的重要性在于它是“直流馈电线保护装置”的数据源，“直流馈电线保护装置”的实现原理如：反应电流上升率di/dt的保护、反应电流增量ΔI的保护、定时限过流保护、接触网热过负荷保护等都是基于正确可靠的数据分析而采取的正确反应。“光纤数据采集传输装置”的技术难点在于：反应馈线物理特征的电流电压信号是小信号其最小信号分辩率小于76uv/LSB，且要保证该小信号在现场各种干扰下都能正确采集；要保证同“直流馈电线保护装置”有大于30米的安全绝缘距离；要保证光纤传输的高速性、稳定性和可靠性。

发明内容  本发明所要解决的技术问题是，为城市轨道交通应用中“光纤数据采集传输装置”提供一种抗干扰能力强、数据采集精度高、数据传输安全可靠的方法。具体说就是发明一种城轨供电馈线电流电压量的采集和传输方法，这种方法就是用FPGA设计一种光纤通信控制器，通过光纤通信控制数据的采集和传输，并用FPGA处理采样数据。

为了解决上述问题，本发明采用了以下技术方案。

一种城轨供电馈线电流电压量的采集和传输方法，其特征在于：

(1)、FPGA为零位误差和增益的自动调整做预处理

在每一个测量周期中，先把输入接地，此时模拟输入在整个测量通道的输出值为N₀，然后把输入接基准电压V_R测得值为N_R；最后接模拟输入信号V_X测得值为N_X，则测量结果可以用下式算出来：

$V_X=\frac{V_R}{N_R-N_0}(N_X-N_0);$

(2)、FPGA实现抗干扰的递推平均值滤波算法

递推平均值滤波算法是把N个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉队首的一个数据，这样在队列中始终有N个最新的数据，计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可以得到新的滤波值，其数学表达式为：

$\stackrel{\‾}{y_n}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{n-i}(n\≥N)$

式中

为第n次采样值经滤波后的输出值，y_n-i为未经滤波的第n-i次采样值；N为递推平均项数；

(3)、用FPGA实现光纤通信的控制

采用VHDL硬件描述性语言通过FPGA的应用完成光纤通信的控制，在同步方式上采用异步通信系统中的起始位同步，在码元信息的编码上采取了异步通信中用码源时钟1/16周期的同源时钟同步一个码元，在解码上检测到起始同步位后，用码源时钟1/16周期的同源时钟的4/16、5/16时钟位解码一个码元；

在该应用中通信的方式为点对点的应用，在ISO对通信的七层协议中选择了必要的两层协议：链路层控制和应用层控制。

本发明通过VHDL语言程序，控制采样系统获得A/D输入系统的零值误差，增益误差，实际输入的模拟电压或电流值，并在FPGA硬件中实现。

本发明的积极效果在于：

(1)、采用FPGA为零位误差和增益的自动调整做预处理方法，测得的信号与放大器的漂移和增益变化无关，也与V_R的精度无关。因而可以大大提高测量精度，降低对电路元件的要求。从以上算法可以看出只要把N₀、N_R、N_X通过光纤通信发送给“直流馈电线保护装置”，则“直流馈电线保护装置”就会按照该 $V_X=\frac{V_R}{N_R-N_0}(N_X-N_0)$ 算出输入模拟量的精确值。该预处理的方法是用VHDL硬件描述性语言在FPGA上完成的，具有运算速度快、易修改、可复用的优点。

(2)、递推平均值滤波算法平滑度高，对周期性干扰有良好的抑制作用。

(3)、在光纤通信控制的应用中最主要的是传输数字的编解码方案。本方案与传统曼彻斯特码应用不同，在本方案中并没有使用曼彻斯特码中的同步信息，这样做的优点一是降低了对通信时钟的要求，通信时钟可以有1/16周期的畸变但并不影响通信的正确性，二是降低了技术实施的难度，节省了大量FPGA资源，却提高了通信的稳定性。当然以上方法是以牺牲了光纤通信的高速性为代价的。但是对于通信速率要求在2MHz/bps以下的场合。该方法表现出良好的适应性。

附图说明  图1：用FPGA为零位误差和增益的自动调整做预处理的图形程序。

图2：ADSAMPLE程序模块图所实现功能的仿真波形图。。

图3：用FPGA实现的递推平均值滤波算法的图形程序。

图4：是FILTER程序模块图所实现功能的仿真波形图。。

图5：用FPGA光纤通信控制的图形程序和仿真图。

图6：是ME、MD程序模块图所实现功能的仿真波形图。

具体实施方式：下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示ADSAMPLE程序模块图实现的是控制输入多路选择开关和模拟A/D转换器。

/RST是输入复位信号，CLK是输入时钟信号，DIN是A/D值串行输出信号，SEL1I、SEL2I是多路选择开关控制信号，/CS是启动串行A/D转换信号EOC是串行A/D转换结束信号，DOUTZER[15..0]是16位零位误差值即N₀，DOUTREF[15..0]是16位增益误差值即N_R，DOUTVAL[15..0]是16位模拟输入值即N_X。

当SEL1I＝0 SEL2I＝0时选择输入零位误差值N₀；SEL1I＝1 SEL2I＝0时选择输入增益误差值N_R；SEL1I＝0 SEL2I＝1时选择模拟输入值N_X。图2是ADSAMPLE程序模块图所实现功能的仿真波形图。

如图3所示FILTER程序模块图实现的是递推平均值滤波算法的图形程序。

/RST是输入复位信号，CLK是输入时钟信号，EOC是串行A/D转换结束信号，DOUTZER[15..0]是16位零位误差值即N₀，DOUTREF[15..0]是16位增益误差值即N_R，DOUTVAL[15..0]是16位模拟输入值即N_X，DOUT[15..0]是经过滤波的16位A/D输出值，WRN是向光纤通信缓存写输出值信号。

图4是FILTER程序模块图所实现功能的仿真波形图。

如图5所示ME程序模块图实现的是光纤通信的编码器，MD程序模块图实现的是光纤通信的解码器。

/RST是输入复位信号，CLKIN是输入时钟信号，DIN[1 5..0]是A/D采样值输入端口，/WR是向光纤通信缓存写输出值信号，DOUT[15..0]是解码器解出的16位A/D值。

图6是ME、MD程序模块图所实现功能的仿真波形图。

本发明的方法如下：

1、FPGA为零位误差和增益的自动调整做预处理。

在每一个测量周期中，先把输入接地，此时模拟输入在整个测量通道的输出值为N₀；然后把输入接基准电压V_R测得值为N_R；最后接模拟输入信号V_X测得值为N_X则测量结果可以用下式算出来：

$V_X=\frac{V_R}{N_R-N_0}(N_X-N_0).$

2、FPGA实现抗干扰的递推平均值滤波算法。

递推平均值滤波算法是把N个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉队首的一个数据，这样在队列中始终有N个最新的数据。计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可以得到新的滤波值。其数学表达式为：

$\stackrel{\‾}{y_n}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{n-i}(n\≥N)$

式中

为第n次采样值经滤波后的输出值，y_n-i为未经滤波的第n-i次采样值；N为递推平均项数。递推平均值滤波算法平滑度高，对周期性干扰有良好的抑制作用。该算法是用VHDL硬件描述性语言在FPGA上完成的，其中N可根据系统对实时性要求和系统受干扰的周期来选择。

3、用FPGA实现光纤通信的控制。

采用VHDL硬件描述性语言通过FPGA的应用完成光纤通信的控制。在该应用中通信的方式为点对点的应用，因此在ISO对通信的七层协议中选择了必要的两层协议：链路层控制(编解码、校验、帧结构)；应用层控制(应用协议的封装及解释)。在光纤通信控制的应用中最主要的是传输数字的编解码方案。本方案采用曼彻斯特码。曼彻斯特码的特点是将每个比特周期分为两部份：前半个比特周期传送该比特的原码，后半个周期传送该比特的反码，于是在每个比特周期的中部产生跃变，这个跃变信号即可以用做同步信号，也可以用做表示数据。本方案与传统曼彻斯特码应用不同。在本方案中并没有使用曼彻斯特码中的同步信息，在同步方式上采用了异步通信系统中的起始位同步，在码元信息的编码上采取了异步通信中用码源时钟1/16周期的同源时钟同步一个码元，在解码上检测到起始同步位后，用码源时钟1/16周期的同源时钟的4/16、5/16时钟位解码一个码元。这样做的优点一是降低了对通信时钟的要求，通信时钟可以有1/16周期的畸变但并不影响通信的正确性，二是降低了技术实施的难度，节省了大量FPGA资源，却提高了通信的稳定性。当然以上方法是以牺牲了光纤通信的高速性为代价的。但是对于通信速率要求在2MHz/bps以下的场合。该方法表现出良好的适应性。

Claims (2)

1、一种城轨供电馈线电流电压量的采集和传输方法，其特征在于：

(1)、FPGA为零位误差和增益的自动调整做预处理

在每一个测量周期中，先把输入接地，此时模拟输入在整个测量通道的输出值为N₀，然后把输入接基准电压V_R测得值为N_R；最后接模拟输入信号V_X测得值为N_X，则测量结果可以用下式算出来：

$V_X=\frac{V_R}{N_R-N_0}(N_X-N_0);$

(2)、FPGA实现抗干扰的递推平均值滤波算法

递推平均值滤波算法是把N个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为N，每进行一次新的测量，把测量结果放入队尾，而扔掉队首的一个数据，这样在队列中始终有N个最新的数据，计算滤波值时，只要把队列中的N个数据进行算术平均，就可以得到新的滤波值，其数学表达式为：

$\stackrel{\‾}{y_n}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{n-i}(n\≥N)$

式中

为第n次采样值经滤波后的输出值，y_n-i为未经滤波的第n-i次采样值；N为递推平均项数；

(3)、用FPGA实现光纤通信的控制

采用VHDL硬件描述性语言通过FPGA的应用完成光纤通信的控制，在同步方式上采用异步通信系统中的起始位同步，在码元信息的编码上采取了异步通信中用码源时钟1/16周期的同源时钟同步一个码元，在解码上检测到起始同步位后，用码源时钟1/16周期的同源时钟的4/16、5/16时钟位解码一个码元；

在该应用中通信的方式为点对点的应用，在ISO对通信的七层协议中选择了两层协议：链路层控制和应用层控制。

2、如权利要求1所述的城轨供电馈线电流电压量的采集和传输方法，其特征在于：通过VHDL语言程序，控制采样系统获得A/D输入系统的零值误差，增益误差，实际输入的模拟电压或电流值，并在FPGA硬件中实现。

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