CN102346455A - 采样模块的设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种采样模块的设计方法，适用电力系统测控装置的信号采样的模块化设计方法，属于电工技术领域。包括模拟/数字转换器ADC、多路开关和光电收发元件，其特征在于：设置现场可编程门阵列FPGA，电磁式互感器通过多路开关、模拟/数字转换器ADC与现场可编程门阵列FPGA相连，光电收发元件与现场可编程门阵列FPGA互连，电子式互感器通过光电收发元件与现场可编程门阵列FPGA相连，采样模块的现场可编程门阵列FPGA通过串行数据总线、控制信号线和串行管理总线与CPU相连。具有能够适应对模拟信号和数字信号的采样，且采样模块可独立运行，接口灵活简洁等优点。

Description

采样模块的设计方法
技术领域
本发明涉及一种采样模块的设计方法，特别是涉及一种适用电力系统测控装置的信号采样的模块化设计方法，属于电工技术领域。
背景技术
随着智能电网的发展，数字化变电站技术得到了快速的发展和应用，当前数字化变电站建设中往往既有传统的电磁式互感器也有数字式传感器，并且在今后一段时间内，电磁式互感器和数字式传感器将并存使用。这就要求测控装置既能够接入传统电磁式互感器又能采集数字式传感器的信号。嵌入式系统处理器不具备足够的外围接口来直接控制采样和接收采样数据。特别是对于不同类型的信号，如果使用处理器直接控制采样，会加大编程难度，不容易维护，并且硬件结构复杂，增加成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提出一种采样模块的设计方法，能够适应对模拟信号和数字信号的采样，且采样模块可独立运行，接口灵活简洁。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该采样模块的设计方法，包括模拟/数字转换器ADC、多路开关和光电收发元件，其特征在于：设置现场可编程门阵列FPGA，电磁式互感器通过多路开关、模拟/数字转换器ADC与现场可编程门阵列FPGA相连，光电收发元件与现场可编程门阵列FPGA互连，电子式互感器通过光电收发元件与现场可编程门阵列FPGA相连，采样模块的现场可编程门阵列FPGA通过串行数据总线、控制信号线和串行管理总线与CPU相连。
串行管理总线为SPI总线，控制信号线为I/O接口。
CPU模块通过串行管理总线给采样模块的现场可编程门阵列FPGA写入采样控制参数，CPU通过I/O控制信号线产生采样触发信号，采样控制模块的现场可编程门阵列FPGA根据采样触发信号及写入的采样控制参数产生采样控制信号，控制多路开关的通断顺序以及模拟/数字转换器ADC的采样触发时间，并接收模拟/数字转换器ADC转换好的采样数据，存入现场可编程门阵列FPGA内部RAM中。
当接入数字式互感器时，现场可编程门阵列FPGA内部根据设定参数产生控制信号，并接收数字互感器通过光纤传输过来的采样值数据，该采样值数据存放到现场可编程门阵列FPGA内部RAM中，数据发送模块通过串行数据总线把现场可编程门阵列FPGA内部RAM中的采样数据发送到CPU，并根据设定的参数判断是否产生中断信号，采样模块的现场可编程门阵列FPGA接收CPU的控制信号及配置数据并向CPU传送采样数据。
与现有技术相比，本发明采样模块的设计方法所具有的有益效果是：
1、能够适应对模拟信号和数字信号的采样，且采样模块可独立运行。
2、标准化CPU模块与采样模块间的接口，对采样模块进行封装，使其对外接口简洁易用，采样模块元件更换升级均不影响其它模块的硬件结构和软件程序。
3、接口采用的总线具有普遍通用性，一般的CPU均可以很好的支持，特殊情况亦可以简单修改现场可编程门阵列FPGA程序以适应，而不需要重新设计硬件，从而大大增加了测控装置的灵活性，并降低其制造维护成本。
附图说明
图1为本发明的采样模块的设计方法原理框图；
图2为图1采样模块内部原理框图；
图3为本发明的模拟量采样流程框图。
图1-3是本发明的最佳实施例。
具体实施方式
下面结合附图1-3对本发明的采样模块的设计方法作进一步说明。
如图1所示，采样模块与CPU模块间的接口为通用串行数据总线、控制信号线和串行管理总线。
如图2所示，采样模块内部包含有现场可编程门阵列FPGA、模拟/数字转换器ADC、多路开关和光电收发元件，电磁式互感器通过多路开关、模拟/数字转换器ADC与现场可编程门阵列FPGA相连，光电收发元件与现场可编程门阵列FPGA互连，电子式互感器通过光电收发元件与现场可编程门阵列FPGA相连，采样模块的现场可编程门阵列FPGA通过串行数据总线、控制信号线和串行管理总线与CPU相连。利用SPI总线设计串行管理总线，利用I/O接口设计控制信号线。采样模块对电磁式互感器或数字式传感器的模拟量进行采集。使用硬件设计语言，设计现场可编程门阵列FPGA与CPU模块相连的高速串行口通信模块，用于传送采样数据，设计SPI通信模块用于采样模块管理参数的传输，设计I/O控制模块用于采样触发及握手、中断等控制信号。设计模拟/数字转换器ADC及多路开关时序控制模块，根据设定的参数控制采样时序。根据数字互感器参数设计数字互感器采样模块，按照设定参数控制并接收数字式传感器的采样数据。
如图3所示，使用时，CPU通过串行管理总线给采样模块的现场可编程门阵列FPGA参数模块写入采样控制参数，之后CPU通过I/O控制信号线产生采样触发信号，采样模块的现场可编程门阵列FPGA根据采样触发信号及写入的采样控制参数产生采样控制信号，控制多路开关的通断顺序以及模拟/数字转换器ADC的采样触发时间，并接收模拟/数字转换器ADC转换好的采样数据，存入现场可编程门阵列FPGA内部RAM中。
当接入数字式传感器时，采样模块的现场可编程门阵列FPGA内部数字式传感器根据设定参数产生控制信号，并接收数字互感器通过光纤传输过来的采样值数据，数据存放到现场可编程门阵列FPGA内部RAM中。数据发送模块通过高速串行数据总线口把现场可编程门阵列FPGA内部RAM中采样数据发送到CPU，并根据设定的参数判断是否产生中断信号。
本发明采用现场可编程门阵列FPGA芯片设计采样模块，封装底层硬件，提供标准接口。其特点在于：
1、采样模块基于现场可编程门阵列FPGA技术，能够接收CPU的控制信号及配置数据并向CPU模块传送采样数据；
2、采样模块与CPU模块间抽象为通用串行数据总线、控制信号线和串行管理总线；
3、采样模块具备对多路开关、ADC等器件的时序控制以对模拟信号进行采样，也能够对数字式传感器控制采样。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.采样模块的设计方法，包括模拟/数字转换器ADC、多路开关和光电收发元件，其特征在于：设置现场可编程门阵列FPGA，电磁式互感器通过多路开关、模拟/数字转换器ADC与现场可编程门阵列FPGA相连，光电收发元件与现场可编程门阵列FPGA互连，电子式互感器通过光电收发元件与现场可编程门阵列FPGA相连，采样模块的现场可编程门阵列FPGA通过串行数据总线、控制信号线和串行管理总线与CPU相连。
2.根据权利要求1所述的采样模块的设计方法，其特征在于：串行管理总线为SPI总线，控制信号线为I/O接口。
3.根据权利要求1或2所述的采样模块的设计方法，其特征在于：CPU模块通过串行管理总线给采样模块的现场可编程门阵列FPGA写入采样控制参数，CPU通过I/O控制信号线产生采样触发信号，采样控制模块的现场可编程门阵列FPGA根据采样触发信号及写入的采样控制参数产生采样控制信号，控制多路开关的通断顺序以及模拟/数字转换器ADC的采样触发时间，并接收模拟/数字转换器ADC转换好的采样数据，存入现场可编程门阵列FPGA内部RAM中。
4.根据权利要求1所述的采样模块的设计方法，其特征在于：当接入数字式互感器时，现场可编程门阵列FPGA内部根据设定参数产生控制信号，并接收数字互感器通过光纤传输过来的采样值数据，该采样值数据存放到现场可编程门阵列FPGA内部RAM中，数据发送模块通过串行数据总线把现场可编程门阵列FPGA内部RAM中的采样数据发送到CPU，并根据设定的参数判断是否产生中断信号，采样模块的现场可编程门阵列FPGA接收CPU的控制信号及配置数据并向CPU传送采样数据。
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