CN101893695B - 一种模拟采样与规约生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电工仪器仪表行业电能表校准系统领域，提供了二种用于数字电能表检验的模拟采样与规约生成装置，解决了新型数字量输入式电能表溯源问题。该装置由主控计算机1，管理模块2，模拟信号处理模块3，数字信号处理模块即规约生成模块4四大功能部分组成。本发明建立了模拟计量标准与数字输入式电能表之间的桥梁，可以将遵循DL/T860-9-1/2，IEC61850-9-1/2LE协议的户内安装式数字电能表电能量溯源到国家标准。
Description
技术领域
本发明属于电工仪器仪表行业电能表校准系统，涉及电气自动化测量、电能计量、计算机通讯等技术领域，更具体地涉及一种数字量输入式电能表校准系统。
背景技术
随着基于DL/T 860(IEC61850)标准的数字化变电站自动化系统的应用和推广，变电站过程层设备与间隔层设备之间的信息交互发生了较大的改变。过程层电子式互感器、智能化一次设备的应用，使得数字量输入式电能表成为数字化变电站电能计量的重要设备。传统的电子式和感应式电能表，均为模拟量输入式电能表，由更高等级的模拟量输入式标准电能表对其进行校准，其校准结果可以溯源到国家标准。数字量输入式电能表的输入信号为数字信号，无法使用模拟量输入式标准电能表对其进行校准。数字量输入式电能表作为电能计量装置，属于法制计量管理范畴，其校准结果必须溯源到国家标准。ADC采样以及规约生成装置便成了数字式电能表溯源系统的关键。
中国专利申请200810227394.9公开了一种模拟采样开关及模数转换器，能够跟踪开关管的源极，消除了开关导通电阻与输入信号的非线性关系，提高了整个采样开关的线性度，满足高速、高精度的采样保持电路的需要。
中国专利申请200880023777.2公开了一种对模拟-数字转换器的多个输入端的可选择性实时取样触发，使用并行数字路径的用于将模拟值转换为数字的等效值的模数转换器(ADC)。
中国专利申请200910038540.8公开了一种基于FPGA实时可配置的数字相关器，包括高速ADC、数据格式转换电路、数字信号处理器和数字相关电路；高速ADC接收经鉴频解调后的模拟信号，将模拟信号转变为数字信号，并把转换后的数字信号送到数据格式转换电路；数据格式转换电路运用判决单元将ADC量化后的多位数据转换成一位数据，再经过数据缓存单元把数据速率降为基带信号的速率，并送入数字相关电路；数字相关电路利用FPGA实现，把DSP送来的相关码和从数据格式转换电路得到的数据进行相关运算，输出相关峰，通过相关峰来修正跳信号，实现跳频初同步。本发明对接收到的每位RXD信号进行了多次相关判断，不会出现漏相关和误相关，增强了相关器的可靠性。
200810030471.1公开了一种用于电能量计量、计费及抄表系统的通信协议转换器。该转换器包括用于接收或发送IEC62056标准协议数据包的异步通信端口(UART0)、用于发送DL/T645通信规约指令以及接收DL/T645通信规约数据帧的异步通信端口(UART1)，两异步通信端口的一端均与主控制器的数据线、地址线、控制线对应连接；另一端UART1与采用DL/T645通信规约的电能表连接、UART0与采用IEC62056标准的抄表装置连接。本发明可使目前在国内大量使用的DL/T645通信规约的电能表能应用于符合IEC62056标准的抄表系统中。
以上发明为ADC采样及规约生成装置的研发提供了技术基础，但没有实现多路同步采样以及采样数据与IEC61850通信规约的转换，本发明通过同步采样标准电压、电流信号，转换为符合当前数字变电站通用的IEC61850通信协议的数据帧，为数字式电能表溯源提供了技术保障。
发明内容
为实现上述功能，本发明采用了如下技术方案：
模拟采样与规约生成装置是一套用于数字电能表检验的设备，其特征在于包括主控计算机，管理模块，模拟信号处理模块，数字信号处理模块即规约生成模块四大功能部分，由主控计算机，管理模块，模拟信号调理单元，ADC采样模块，可编程门阵列(FPGA)，数字信号处理单元(DSP)组成。
其中，所述模拟信号调理单元输出符合ADC采样模块要求的模拟信号，接入ADC采样模块，ADC采样模块输出数字信号串行接入可编程门阵列(FPGA)的输入端，可编程门阵列(FPGA)输出系数调整后的数字信号并行接入数字信号处理单元(DSP)。数字信号处理单元(DSP)输出校正后的数字信号，一路经组帧由网络输出光纤接入被检表。另一路通过串行通信线接入管理模块，还有一路通过ISA总线接入GPIB总线系统与主控计算机相连。数字信号处理单元(DSP)输出控制命令到可编程门阵列(FPGA)，由FPGA程序控制数字信号处理单元(DSP)输出同一触发信号同时启动6路ADC采样芯片。
其中，所述ADC采样模块运用24位的A/D转换器，将模拟信号转换为离散的数字信号，采用了六块单路的ADC芯片进行采样，用于消除通道之间的串扰。
其中，所述可编程门阵列(FPGA)具有六路相同的模块，同步接收ADC采样模块传输的采样数据。对六路采样数据进行处理打包，组成一个采样点的数据包。
其中，所述数字信号处理单元(DSP)具有两种不同的工作模式，一是正常检验模式，一路将接收的离散数字信号转换为符合IEC61850规约型式的数据，与数字量输入的电能表相连，另一路给内部的计算程序，计算得到采样信号对应的电参量到管理模块显示。二是测试模式，通过GPIB总线系统，将原始采样数据输出到主控计算机，设置和控制相关参数。
其中，所述GPIB总线有两种工作模式，一是在正常检验模式下，主控计算机通过GPIB总线设置参数，主要包括电压、电流互感器档位参数，数据采样率，数据帧格式等参数；二是在测试模式下，主控计算机通过GPIB总线读取原始采样数据。
本发明技术方案的有益效果是：模拟采样与规约生成装置建立了模拟计量标准与数字输入式电能表之间的桥梁，可以将遵循DL/T860-9-1/2，IEC61850-9-1/2LE协议的户内安装式数字电能表电能量溯源至国家标准，为规范数字式电能表计量标准提供了技术保障。
附图说明
为了使本发明的内容被更清楚的理解，并便于具体实施方式的描述，下面给出与本发明相关的附图说明如下：
图1是本发明的模拟信号采样与规约生成装置原理结构图
图2是本发明的模拟信号处理模块原理结构图。
图3是本发明的数字信号处理模块(规约生成模块)原理结构图。
图4是本发明的软件功能原理图。
具体实施方式
图1是本发明的模拟信号采样与规约生成装置原理结构图，本发明使用主控计算机1，控制管理模块2的运行状态，管理模块2对数字信号处理单元(DSP)8的运行进行控制，数字信号处理单元(DSP)8输出控制命令到可编程门阵列(FPGA)7，由可编程门阵列(FPGA)7控制模拟信号处理模块1启动采样，模拟信号调理单元5输出符合ADC采样模块6要求的模拟信号，经ADC采样模块6采样、量化以后的数字信号串行接入可编程门阵列(FPGA)7，FPGA输出调整后的数字信号接入数字信号处理单元(DSP)8，数字信号处理单元(DSP)8由管理模块2控制，可有两种运行模式，一是正常检验模式，DSP输出校正的数字信号一路经过组帧输出符合管理模块控制要求规约形式的数据，由网络光纤端口接入被检表，一路经内部计算程序转换为电参量，由串行通信线接入管理模块2显示。二是测试模式，主控计算机1通过GPIB总线控制数字信号处理单元(DSP)8上传原始采样数据。
图2是本发明的模拟信号处理模块原理图，本发明使用模拟信号调理单元5对前级PT、CT输入的信号进行调理，主要是阻抗匹配和信号衰减作用，得到符合后级ADC采样模块6采样芯片输入通道要求的信号，ADC芯片对输入信号做采样、量化得到相应的数字数据。对六路输入信号，采用了六块单路的ADC芯片进行采样，用于消除通道之间的串扰，为了保证六路ADC的同步采样，六路ADC全部由同一个触发信号启动采样，启动信号由规约生成模块2的DSP8输出。六路ADC芯片的采样数据分别通过各自的串行通信总线(SPI总线)传输到后级的FPGA7，FPGA7上具有六路相同的模块，同步接收ADC采样芯片传输的采样数据。
图3为本发明的数字信号处理模块即规约生成模块，本发明使用FPGA7对六路采样数据进行处理打包，组成一个采样点的数据包，数据包通过外部并行总线传输到后级的DSP8，DSP8对接收到的采样数据根据不同的工作模式进行不同的处理。一是正常检验模式，在该模式下，DSP8对数据进行校正，校正后的数据一路经过组帧后通过内部总线传输到网络的MAC层，由MAC层通过MII总线接口传输到网络物理层设备(PHY)，再经过光纤模块输出到被检表。另一路给内部的计算程序，计算得到采样信号对应的电参量，电参量数据经过串行通信接口传输到管理模块2，由管理模块2对电参量数据进行显示。二是测试模式，在该模式下，DSP8把采样的原始数据通过ISA总线传输到GPIB总线芯片，由GPIB总线把原始采样数据传输到主控计算机1。
GPIB总线有两种工作模式，一是在正常检验模式下，主控计算机1通过GPIB总线设置参数，主要包括电压、电流互感器档位参数，数据采样率，数据帧格式等参数；二是在测试模式下，主控计算机1通过GPIB总线读取原始采样数据。
图4为本发明的软件功能模块原理图，模拟采样与规约生成装置的软件主要包括FPGA数据处理软件模块，DSP计算软件模块及管理软件模块。
在该装置中，管理模块软件作为主控软件控制整个装置的运行，软件运行流程简述：
(1)管理软件设置装置运行参数到DSP程序，用于控制DSP程序的运行状态；
(2)DSP软件根据接收到的命令参数，设置本身的运行模式，并根据设置的参数初始化运行过程中需要涉及到的参量；
(3)DSP软件发送控制命令到FPGA软件，由FPGA软件控制ADC芯片启动采样；
(4)FPGA软件根据DSP软件的命令启动ADC采样，并监测ADC数据状态信号；
(5)FPGA软件监测到ADC数据中断信号，启动读ADC采样数据流程，读取采样数据；
(6)当六路采样数据读取完毕，把数据组帧打包，并发数据准备好信号给DSP软件；
(7)DSP软件接收到FPGA的数据好信号后，启动读采样数据流程，读回数据；
(8)当工作于正常的校验模式时，DSP软件对采样数据进行校正处理，然后做电参量计算；
(9)当工作于测试模式时，DSP软件把采样数据经GPIB总线传送到主控设备，做进一步的数据分析；
(10)在正常校验模式下，DSP软件把计算的电参量及协议相关的状态参量经串行通信总线传送到管理软件；管理软件处理DSP软件传输的参量数据，进行显示。
上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型和可选的实施例的多种可能性，例如，通过组合和/或改变单个实施例的特征。因此，可以理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上的专利权利要求书及其同等物限制。
Claims (4)
1.一种模拟采样与规约生成装置，其特征在于其由主控计算机(1)，管理模块(2)，模拟信号处理模块(3)，数字信号处理模块即规约生成模块(4)四大功能部分组成，包括主控计算机(1)，管理模块(2)，模拟信号调理单元(5)，ADC采样模块(6)，可编程门阵列FPGA(7)和数字信号处理单元DSP(8)；
所述主控计算机(1)可通过GPIB总线端口设置运行控制参数到装置，控制管理模块(2)的运行状态，管理模块(2)对数字信号处理单元DSP(8)的运行进行控制，数字信号处理单元DSP(8)输出控制命令到可编程门阵列FPGA(7)，由可编程门阵列FPGA(7)控制模拟信号处理模块(1)启动采样，模拟信号调理单元(5)输出符合ADC采样模块(6)要求的模拟信号，经ADC采样模块(6)同步采样、量化以后的数字信号串行接入可编程门阵列FPGA(7)，可编程门阵列FPGA(7)输出调整后的数字信号接入数字信号处理单元DSP(8)，数字信号处理单元DSP(8)由管理模块(2)控制，可有两种运行模式，一是正常检验模式，数字信号处理单元DSP(8)输出校正的数字信号一路经过组帧输出符合管理模块(2)控制要求规约形式的数据，由网络光纤端口接入被检表，一路经内部计算程序转换为电参量，由串行通信线接入管理模块2显示；二是测试模式，主控计算机(1)通过GPIB总线控制数字信号处理单元DSP(8)上传原始采样数据；
模拟信号处理模块(1)对外部输入的幅值范围在0-4.8V有效值的模拟信号进行采样；
规约生成装置根据工作模式的不同分别组成符合IEC61850-9-1或IEC61850-9-2协议标准的采样数据帧，并把数据帧经网络光纤端口输出；
数字信号处理单元DSP(8)输出同一触发信号同时启动6路ADC采样模块(6)的采样芯片；每个所述ADC采样模块(6)均包括独立的基准电压电路和信号隔离电路；
模拟信号调理单元(5)输出符合ADC采样模块(6)要求的模拟信号；
ADC采样模块(6)，运用24位的A/D转换器，将模拟信号转换为离散的数字信号，采用了六块单路的ADC采样模块(6)的采样芯片进行同步采样，用于消除通道之间的串扰。
2.根据权利要求1所述模拟采样与规约生成装置，其特征在于可编程门阵列FPGA(7)具有六路相同的模块，同步接收ADC采样模块(6)传输的采样数据，对六路采样数据进行处理打包，组成一个采样点的数据包。
3.根据权利要求2所述模拟采样与规约生成装置，其特征在于数字信号处理单元DSP(8)具有两种不同的工作模式，一是正常检验模式，一路将接收的离散数字信号转换为符合IEC61850规约型式的数据，与数字量输入的电能表相连，另一路给内部的计算程序，计算得到采样信号对应的电参量到管理模块(2)显示；二是测试模式，通过GPIB总线系统，将原始采样数据输出到主控计算机(1)，设置和控制相关参数。
4.根据权利要求3所述模拟采样与规约生成装置，其特征在于GPIB总线(11)有两种工作模式，一是在正常检验模式下，主控计算机(1)通过GPIB总线设置参数，主要包括电压、电流互感器档位参数，数据采样率，数据帧格式等参数；二是在测试模式下，主控计算机通过GPIB总线读取原始采样数据。
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