CN102914690A

CN102914690A - 一种超低功耗的高速高精度数据采集系统

Info

Publication number: CN102914690A
Application number: CN2012103790493A
Authority: CN
Inventors: 熊前柱; 李前; 胡浩亮; 李鹤; 李登云; 杨春燕
Original assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2013-02-06

Abstract

本发明提供一种超低功耗的高速高精度数据采集系统，由自动AGC及滤波模块、温度补偿及采集补偿模块、数据采集调零模块、AD转换模块、自动功耗控制模块、数据处理模块、光电通讯接口组成。外部模拟信号通过自动AGC及滤波模块接入后，完成前级信号滤波调理，并与温度补偿及采集补偿模块和数据采集调零模块的输出信号调理后经过放大，进入AD转换模块转换成数字量，再进入数据处理模块进行数据处理，最后通过光电通讯接口发送到终端设备，其中自动功耗控制模块，给各模块提供电源，并受数据处理模块控制参与休眠模式切换及功耗管理。本发明适用于无供电电源接入、不方便接入电源或电池或激光等小功率电源供电，且需要高速高精度的数据采集环境。

Description

一种超低功耗的高速高精度数据采集系统

技术领域

本发明涉及一种超低功耗的高速高精度数据采集系统,它是用于无供电电源接入、不方便接入电源、使用电池或激光等小功率电源供电，且需要高速高精度的数据采集环境。

背景技术

高压互感器作为关口电能计量装置的重要组成部分，是发电公司与电网公司、电网公司与供电公司、供电公司与电力用户之间进行公平公正贸易结算，正确计算、考核电力系统内部技术经济指标的法定计量器具。目前，电网一次设备状态检修是我国电网迅速发展的必然趋势，也是降低运行成本、减少因设备过度检修而发生事故概率的手段。以往，互感器离线校准（现场检测）主要是满足作为电能计量装置的互感器周检需要。我国电力系统有数量庞大的电力互感器，停电测试它们的误差性能工作量庞大，费时费力，而且不能获得三相带电状态下的真实数据。开展互感器在线校准技术研究可以克服上述离线校准的缺点，提高互感器误差特性测量不确定度水平，为实现电能计量装置的整体在线校准打下坚实基础，提高电能计量的准确度。

为了实现110kV～220kV电压等级关口计量点的计量用互感器的全自动实时在线校准，常规标准电压电流互感器因体积大、笨重等因素无法满足在线校准的需要，必须将标准电压电流互感器经过工艺改造，达到方便安装、重量轻、体积小的目的，由此导致互感器输出功率较小，信号幅度较小，容易受外界电磁干扰的影响，不利于信号的高精度和远距离传输。为了解决这一问题，必须采用低功耗、高速、高精度的数据采集系统，将标准电压电流互感器输出的信号就近数字化，并经过光纤等方式将数字信号进行远距离传输，这样既能保证信号的精度和实时性，又能进行远距离传输，达到现场在线校准的目的。

中国实用新型专利《高速数据采集器》（申请号：200820163669.2 申请日：2008-09-04）提出了一种高速数据采集器，是以CPLD为中心，主要包括数据采集电路、数据处理、数据存储、电源模块等几部分，由依次相连接的输入端口、可调放大电路、高速A/D芯片、CPLD芯片、输出端口组成，CPLD芯片是使用VHDL语言的，其实现的功能模块主要是消抖模块、控制模块、FIFO存储器模块，具体由幅度判断、FIFO存储、时钟产生、时序产生四个部分构成。然而该数据采集器无法应用于上述线路。

有鉴于此，本发明提供一种超低功耗的高速高精度数据采集系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提出一种超低功耗的高速高精度数据采集系统，它是用于无供电电源接入、不方便接入电源或电池或激光等小功率电源供电，且需要高速高精度的数据采集环境。目前本系统应用于变电站高压端采样电压和电流信号。

本发明的技术方案是：一种超低功耗的高速高精度数据采集系统，由自动AGC及滤波模块、温度补偿及采集补偿模块、数据采集调零模块、AD转换模块、自动功耗控制模块、数据处理模块、光电通讯接口组成，其特征在于，外部模拟信号通过自动AGC及滤波模块接入后，完成前级信号滤波调理，并与温度补偿及采集补偿模块和数据采集调零模块的输出信号调理后经过放大，进入AD转换模块转换成数字量，再进入数据处理模块进行数据处理，最后通过光电通讯接口发送到终端设备，其中自动功耗控制模块，给各模块提供电源，并受数据处理模块控制参与休眠模式切换及功耗管理。

如上所述的超低功耗的高速高精度数据采集系统，其特征在于，进一步包括基于STM32F103VET6的高稳定的数据采样时序发生模块，保证数据采集的时间控制精度。

如上所述的超低功耗的高速高精度数据采集系统，其特征在于，所述AD转换模块的核心采用18位高速高精度SAR模数转换器AD7631，它内置一个18位高速采样ADC、一个内部转换时钟、一个内部基准电压源、纠错电路，以及串行和并行系统接口端口。

如上所述的超低功耗的高速高精度数据采集系统，其特征在于，所述AD7631内部5V基准电压的典型漂移量为3ppm/℃；积分非线性误差典型值±1.5 LSB，最大值±2.5 LSB；双极性满量程误差为±0.09%FS；并行接口支持18位数据输出，能够一次性输出转换数据。

本发明的有益效果是：本发明适用于无供电电源接入、不方便接入电源或电池或激光等小功率电源供电，且需要高速高精度的数据采集环境。该系统的采样精度达到万分之五，工作电流小于80mA，最高采样速度达到125kbps，具有休眠等节能管理系统；具有远程控制和通讯功能；具有高速光电接口，能将采样数据实时传到地面终端，能够应用于220kV的输电线路等优点。而普通数据采集系统电流一般达到0.5A以上，耗电量大；无远距离通讯和控制功能，无法隔离高电压等问题，无法应用于高压输出线路。

附图说明

图1是本发明实施例的超低功耗的高速高精度数据采集系统的原理框图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

如图1所示，本发明提供的超低功耗的高速高精度数据采集系统，整个系统包括以下部分：自动AGC及滤波模块、温度补偿及采集补偿模块、数据采集调零模块、AD转换模块、采样时序发生模块、数据处理模块、自动功耗控制模块、光电通讯接口。

外部模拟信号通过自动AGC及滤波模块接入后，完成前级信号滤波调理后，并与温度补偿及采集补偿模块和数据采集调零模块的输出信号调理后经过放大，进入AD转换模块转换成数字量，再进入数据处理模块进行数据处理后，最后通过光电通讯接口发送到终端设备。其中自动功耗控制模块，给各单元提供电源，并受数据处理模块控制参与休眠模式切换等功耗管理。

基于STM32F103VET6的高稳定的数据采样时序发生模块，保证数据采集的时间控制精度，而且功耗小。

采用高速高精度低功耗的AD转换模块及自动AGC及滤波模块，整个电路部分全部采用低功耗低噪声芯片，并适当加以降噪处理和温度补偿技术，使系统温漂影响降低到万分之一以下。

自动功耗控制模块，数据采集调零模块，温度补偿及采集补偿模块，数据处理模块，使整个系统的采样精度达到万分之五，工作电流小于80mA，最高采样速度达到125kbps，温度范围达到-10℃-60℃。

系统的工作原理是：标准电压或电流互感器输出的微弱信号输入到自动AGC及滤波模块，经过前级滤波提高信号的信噪比后，再经过自动增益放大和滤波，使输出的信号电压幅度接近AD转换模块的最佳输入电压。AD转换模块在数据采集调零模块和温度补偿及采集补偿模块的作用下，每次测量前自动调零并较正温漂，在接到外部采样触发信号后，立即启动电压保持器并进行模数转换，转换结果送到数据处理模块，经过光电通讯接口发出。

AD转换模块的核心采用18位高速高精度SAR模数转换器AD7631。它内置一个18位高速采样ADC、一个内部转换时钟、一个内部基准电压源（和缓冲）、纠错电路，以及串行和并行系统接口端口，具有全差分模拟输入，可选的输入电压量程范围，具有较大的动态范围和较高的精度，而且功耗极低，非常适合工业控制、电力、仪表测量等领域。

AD7631内部5V基准电压的典型漂移量仅为3ppm/℃；积分非线性误差典型值±1.5 LSB，最大值±2.5 LSB；双极性满量程误差为±0.09%FS；并行接口支持18位数据输出，可以一次性输出转换数据，提高了数据的读取速度；在CNVST的下降沿对输入的全差分模拟信号进行采样和保持，且采样的时间极短，延迟时间可以忽略不计。这些优异的性能是决定本数据采集装置具有低功耗、高速和高精度等性能的基础。

在低功耗设计方面，采用自动功耗控制模块来降低整个系统的功耗。采用以下三方面的技术：

⑴、工作模式的切换。当测量校准试验完成时，通过发送停机指令，使处理器运行在停机模式来降低功耗，此时整个数据采集系统的功耗最低，保证数据采集系统能工作更长的时间。当需要实行测量校准试验时，通过发送同步脉冲即可唤醒数据采集系统。数据采集系统唤醒后立即进入自检工作状态，并进入数据采样工作模式。

⑵、关掉主芯片不使用的功能，外围器件不工作时关掉其电源。

⑶、I/O口的处理。在保证外部功能的情况下，对准双向口，若I/O口有外部上拉电阻，则应在进入掉电模式前置高，以关闭内部下拉晶体管；若I/O采用内部上拉，则应置低以关闭内部上拉晶体管。对开漏输出的I/O口在进入掉电模式前应置高；对未使用的I/O口置高阻态，并关闭I/O口的时钟。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种超低功耗的高速高精度数据采集系统，由自动AGC及滤波模块、温度补偿及采集补偿模块、数据采集调零模块、AD转换模块、自动功耗控制模块、数据处理模块、光电通讯接口组成，其特征在于，外部模拟信号通过自动AGC及滤波模块接入后，完成前级信号滤波调理，并与温度补偿及采集补偿模块和数据采集调零模块的输出信号调理后经过放大，进入AD转换模块转换成数字量，再进入数据处理模块进行数据处理，最后通过光电通讯接口发送到终端设备，其中自动功耗控制模块，给各模块提供电源，并受数据处理模块控制参与休眠模式切换及功耗管理。

2.根据权利要求1所述的超低功耗的高速高精度数据采集系统，其特征在于，进一步包括基于STM32F103VET6的高稳定的数据采样时序发生模块，保证数据采集的时间控制精度。

3.根据权利要求1所述的超低功耗的高速高精度数据采集系统，其特征在于，所述AD转换模块的核心采用18位高速高精度SAR模数转换器AD7631，它内置一个18位高速采样ADC、一个内部转换时钟、一个内部基准电压源、纠错电路，以及串行和并行系统接口端口。

4.根据权利要求3所述的超低功耗的高速高精度数据采集系统，其特征在于，所述AD7631内部5V基准电压的典型漂移量为3ppm/℃；积分非线性误差典型值±1.5 LSB，最大值±2.5 LSB；双极性满量程误差为±0.09%FS；并行接口支持18位数据输出，能够一次性输出转换数据。