CN102508467A - 基于dsp 与fpga 的开关设备在线监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统，包括模拟信号调理模块、A/D转换模块、FPGA数据采集模块、预留通道、DSP模块、串转并模块和通信模块；所述模拟信号调理模块、A/D转换模块、FPGA采集模块、DSP模块和通信模块依次连接，所述串转并模块连接所述DSP模块。本发明利用FPGA和DSP实现数据的存取、判定、处理、打包上报，运行速度快，满足电力系统监测的实时性要求；FPGA和DSP各自独立运行，发挥两者的优势，通过数据总线、地址总线和控制线实现信息交互来完成整个系统的功能；模拟信号与数字信号分开处理，避免了模拟信号对数字信号的干扰，增强了数据采集的可靠性。

Description

基于DSP 与FPGA 的开关设备在线监测系统
技术领域
本发明属于实时数据采集与处理技术领域，特别涉及一种基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统。
背景技术
数据采集与处理技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等过程中的技术。在计算机广泛应用的今天，数据采集在多个领域有着十分重要的应用，它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。尤其是在对信息实时性要求较高或者恶劣的环境中更突出其应用的必要性。由于数据采集与处理技术的应用范围越来越宽，所涉及的信号源类型越来越多，被采集的数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度、压力、密度、速度、电流、电压等，可以是模拟量，也可以是数字量。
在电力系统中，需要监测开关本体的各种状态且监测项目种类繁多且数据量庞大：如断路器机械特性，分合闸速度及电流，触头温度和电机输出轴扭矩，全封闭式开关气室内SF6的温度、密度、压力，局部放电等状态。另外，电力系统中开关状态的监测需要很高的实时性，一旦出现异常，测控保护装置应立即作出反应。目前开关在线监测系统由于采用单一处理器，采集的信号量和处理速度有限，需要高性能的CPU来完成庞大的数据量处理算法，新的项目需对系统重新设计，不能扩展，且装置出现问题需更换整套设备。
发明内容
针对现有装置的不足，本发明的目的在于提供一种能够实现多通道采集、可扩展、实时性高和数据处理能力强的基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统，包括模拟信号调理模块、A/D转换模块、FPGA数据采集模块、预留通道、DSP模块、串转并模块和通信模块；所述模拟信号调理模块、A/D转换模块、FPGA采集模块、DSP模块和通信模块依次连接，所述串转并模块、FPGA采集模块通过数据总线、地址总线和控制线与DSP模块进行信息交互，所述预留通道与FPGA数据采集模块直连。
所述开关设备在线监测系统还包括电流传感器、电压传感器、光栅编码器和SF6状态监测模块，所述电流传感器、电压传感器连接所述模拟信号调理模块，所述光栅编码器连接所述FPGA数据采集模块，所述SF6状态监测模块连接所述串转并模块。
所述SF6状态监测模块包括检测SF6气体的温度传感器、密度传感器和压力传感器；所述温度传感器、密度传感器和压力传感器均连接所述串转并模块。
所述开关设备在线监测系统还包括SRAM、SDRAM、NOR FLASH和NAND FLASH；所述FPGA采集模块连接所述SRAM；所述DSP模块连接所述SDRAM、NOR FLASH和NAND FLASH。
所述DSP模块采用型号为TMS320VC5509A的芯片，所述FPGA数据采集模块采用型号为EP2C8Q208I8的芯片，所述SRAM采用型号为IS61WV25616BLL/BLS的芯片，所述A/D转换芯片采用型号为MAX11046的芯片，所述SDRAM采用型号为MT48LC4M16A2的芯片，所述NOR FLASH采用型号为S29AL008J的芯片，所述NAND FLASH采用型号为K9F2G08U0B的芯片，所述通信模块采用型号为DM9000的芯片。
SF6状态监测模块输出的数据以MOUBUS串行通讯协议送入串转并模块。
由上述技术方案可知，本发明积极进步效果在于：一、采用FPGA和DSP采取数据总线、地址总线和控制线进行信息交互，模块化程度高、通用性强，预留通道的设计思想使系统可扩展，只要FPGA的I/O管脚丰富，可以实现目前开关的所有在线监测项目，配置灵活，且哪个模块出现问题只需更换该模块而不对整个系统造成影响，利于设备维护与修理；二、DSP发挥其数据处理优势，满足电力系统在线监测专家算法和实时性要求；三、模拟信号与数字信号分开处理，避免了模拟信号对数字信号的干扰，增强了数据采集的可靠性。
本发明利用现场可编程门阵列FPGA和高性能的数字信号处理器DSP实现数据的存取、判定、处理、打包上报，运行速度块，满足电力系统监测的实时性要求；数据采集和处理采用模块化设计的思想，所有的模拟量、数字量的采集均在以FPGA芯片为核心的采集大模块控制下完成，采样速度快、精度高，配置灵活，通道数可扩展；DSP低功耗高性能，数据处理能力强，能够实现电力设备在线监测系统的专家算法；FPGA和DSP各自独立运行，发挥两者的优势，通过数据总线、地址总线和控制线实现信息交互来完成整个系统的功能；模拟信号与数字信号分开处理，避免了模拟信号对数字信号的干扰，增强了数据采集的可靠性。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2是本发明数据采集大模块和数据处理大模块信息交互图。
具体实施方式
下面结合系统框图给出本发明具体实施方式，详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统，包括DSP模块、FPGA数据采集模块、预留通道、电流、电压传感器、信号调理模块、A/D转换模块、光栅编码器、SF6状态监测模块、串转并模块、通信模块以及多片外围存储芯片模块等。
如图1所示，本发明一优选的实施例中需要采集的数据有模拟量和数字量，模拟量即开关操作机构的一分电流、二分电流、合闸电流、储能电机电流4路电流量，数字量即测量操作机构机械特性的光栅编码器送出的数字量、SF6状态监测探头(温度、密度、湿度、压力等传感器)送出的数字量。其中，4路电流模拟量先经信号调理模块处理，再通过A/D转换(型号MAX11046)模块变为数字量送入FPGA；光栅编码器出来的数字量经数字接口送入FPGA；SF6状态监测模块输出的数据量小，以MOUBUS串行通讯协议送入串转并模块，由串转并模块输出给DSP。
如图1及图2所示，FPGA外接2块SRAM用来实时缓存数模转换后的数据和数字信号量，当采集完4路的电流信息和光栅编码器的信息后，就向DSP发送中断请求上传数据，得到DSP的允许后开始通过数据总线、地址总线和控制线向DSP上传采集到的数据。
如图1所示，DSP外接了3块存储芯片，1块SDRAM用来处理FPGA上报的数据和SF6状态监测探头上报的状态数据信息；1块NOR FLASH用来存储DSP程序，DSP的启动采用NOR FLASH启动，DSP上电启动时，从NOR FLASH中读取程序放入内存中执行；1块NAND FLASH用来永久存储采集的数据信息。DSP接收到FPGA或者串转并模块发送的中断后，判断所采集的数据信息，缓存在SDRAM，进行数据的判定和数据处理判断是否开关状态异常，实施在线监测，得出判据和结论，然后将原始数据、判据和结论打包，通过通信模块以UDP/IP或者TCP/IP(根据客户要求)协议通过工业以太网上报给上位机，同时将数据和判据、结论存储到DSP模块的NAND FLASH。
图2示出本发明数据采集大模块和数据处理大模块信息交互图。以FPGA为核心的数据采集大模块由图中下方虚框图示出。本实施例中，电流、电压传感器，光栅编码器和预留端口的采集信号量均由FPGA对其进行配置、采集和控制，采集完成后，FPGA经控制线向DSP发出中断请求上报数据和获取数据、地址总线和控制线，DSP应答中断，FPGA停止采集任务，并将数据总线和地址总线连接到SRAM的数据总线和地址总线上，DSP启动读时序，上传数据。当系统需要添加新的信号量时，只需要在预留端口前增加新信号量的处理模块，再引入预留端子排，进入FPGA通过软件处理就可以完成系统在线监测项目的扩展。串转并模块也通过数据总线、地址总线和控制线将采集到的数据上报给DSP。上方虚框图示出数据处理大模块，DSP获取数据后，跳出中断，独立完成数据处理工作。

Claims (6)

1.一种基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统，其特征在于：包括模拟信号调理模块、A/D转换模块、FPGA数据采集模块、预留通道、DSP模块、串转并模块和通信模块；所述模拟信号调理模块、A/D转换模块、FPGA采集模块、DSP模块和通信模块依次连接，所述串转并模块、FPGA采集模块通过数据总线、地址总线和控制线与DSP模块进行信息交互，所述预留通道与FPGA数据采集模块直连。
2.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统，其特征在于：所述开关设备在线监测系统还包括电流传感器、电压传感器、光栅编码器和SF6状态监测模块，所述电流传感器、电压传感器连接所述模拟信号调理模块，所述光栅编码器连接所述FPGA数据采集模块，所述SF6状态监测模块连接所述串转并模块。
3.根据权利要求2所述的基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统，其特征在于：所述SF6状态监测模块包括检测SF6气体的温度传感器、密度传感器和压力传感器；所述温度传感器、密度传感器和压力传感器均连接所述串转并模块。
4.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统，其特征在于：所述开关设备在线监测系统还包括SRAM、SDRAM、NOR FLASH和NAND FLASH；所述FPGA采集模块连接所述SRAM；所述DSP模块连接所述SDRAM、NOR FLASH和NAND FLASH。
5.根据权利要求4所述的基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统，其特征在于：所述DSP模块采用型号为TMS320VC5509A的芯片，所述FPGA数据采集模块采用型号为EP2C8Q208I8的芯片，所述SRAM采用型号为IS61WV25616BLL/BLS的芯片，所述A/D转换芯片采用型号为MAX11046的芯片，所述SDRAM采用型号为MT48LC4M16A2的芯片，所述NOR FLASH采用型号为S29AL008J的芯片，所述NAND FLASH采用型号为K9F2G08U0B的芯片，所述通信模块采用型号为DM9000的芯片。
6.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的开关设备在线监测系统，其特征在于：SF6状态监测模块输出的数据以MOUBUS串行通讯协议送入串转并模块。
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