CN103018542B - 一种基于usb总线的电晕电流采集卡 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于USB总线的数据采集卡，包括依次连接的信号调理模块、A/D转换模块和USB控制模块；USB控制模块与信号调理模块通信；无感电阻传感器将电晕电流转换为电压信号传给所述电晕电流采集卡的所述信号调理模块进行限幅、放大、滤波和隔离，并传给所述A/D转换模块进行数据采样和转换，转换后的信号传给所述USB控制模块进行控制和存储，并将存储的信息传给计算机。本发明通过A/D转换模块和USB控制模块，可以实现电晕电流信号采集存储参数可控的目的。该采集设备可以实现特高压复杂电磁环境下的电晕电流信号的可靠采集、安全存储和高速传输。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于USB总线的电晕电流采集卡。
背景技术
随着中国输电线路电压等级的提高以及特高压直流输电工程的投入运行，输电线路的电晕损失问题日益突出。电晕损失的研究，对于输电线路经济稳定运行具有重要意义。
目前电晕电流测量系统大多是由货架产品组成，所使用的数据采集装置多种多样，数据精度、采样率、存储深度参差不齐，无法满足电晕电流稳定采集可靠传输的需要。有些自行研制的数据采集装置，也仅限于实验室等较理想的环境中进行简单实验，一旦工作在实际输电线路中，容易发生设备击穿或者干扰较大导致数据不够精准的情况，不能可靠地进行工程上的实际应用。
目前广泛应用的USB(UniversalSerialBUS)接口具有安装方便、带宽高、成本低、可靠性高和外设容量大等优点。USB2.0支持的最高传输速度可达到480Mb/s,基本能够满足日益复杂的高级外设与计算机之间的高性能连接需求,正逐渐成为现代数据传输发展的趋势之一。所以本发明在国内外现有研究成果的基础上，基于低功耗、抗干扰技术和USB传输总线，研制出低频段的电晕电流数据采集卡，可以准确可靠测量特高压直流电晕笼低压侧电晕电流信号，并实现波形的快速实时显示和数据的大容量自动存储。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于USB总线的电晕电流采集卡，实现了在特高压直流电晕笼低压侧对电晕电流进行安全稳定可靠地采集，可通过USB2.0总线稳定高速地传输数据并在上位机快速实时地显示采集波形和大容量定时保存数据。
本发明提供的一种基于USB总线的电晕电流采集卡，其改进之处在于，所述电晕电流采集卡包括依次连接的信号调理模块、A/D转换模块和USB控制模块；所述USB控制模块与所述信号调理模块通信；
无感电阻传感器将电晕电流转换为电压信号传给所述电晕电流采集卡的所述信号调理模块进行限幅、放大、滤波和隔离，并传给所述A/D转换模块进行数据采样和转换，转换后的信号传给所述USB控制模块进行控制和存储，并将存储的信息传给计算机。
其中，所述信号调理模块包括依次连接的限幅保护电路、程控放大电路、抗混淆滤波电路和射极跟随电路。
其中，所述A/D转换模块用于将所述信号调理模块输出的模拟信号转换为数字信号。
其中，所述USB控制模块包括8051微控制器、通用可编程接口GPIF、串行接口引擎和USB收发器；
所述8051微控制器的I/O口与所述信号调理电路连接；
所述通用可编程接口GPIF通过数据总线与所述A/D转换模块连接；
所述串行接口引擎和所述USB收发器分别与PC机以USB2.0协议通信。
其中，所述限幅保护电路包括并联的瞬态抑制二极管TVS和陶瓷放电二极管，用于A/D转换模块的采集信号进行幅值限定，防止高压击穿A/D模块。
其中，所述射极跟随电路由低成本、低功耗、高速运算放大器AD817实现，其用于提高输入阻抗及实现信号隔离。
其中，所述程控放大电路包括集成程控增益放大器；
所述集成程控增益放大器选用BURR.BROWN公司的PGA202程控仪表放大器。
其中，所述抗混淆滤波电路采用集成有源滤波器；
所述集成有源滤波器选用MAXIM公司的单片集成滤波器芯片MAX27。
其中，所述A/D转换模块包括信号采集芯片，其采用500kHZ采集速率、12位分辨率的A/D转换器AD7864。
其中，所述USB控制模块采用Cypress公司生产的CY7C68013A，通过其内部FIFO同步被动模式实现所述电晕电流信号数据的传送。
其中，所述通用可编程接口GPIF通过数据总线与所述A/D转换模块连接，在所述8051微控制器与所述A/D转换模块通信时，采用转换后读取数据的方式。芯片CY7C68013A通过CTL0、CTL1和CTL2控制AD7864的CONVERT、RD和WR引脚，并通过RDY0采集AD7864的EOC引脚信号，从而控制数据的读取。
其中，所述通用可编程接口GPIF单次写波形通过状态0和状态1实现单个byte或者word的写过程。
其中，所述USB控制模块通过FIFO（先进先出）读取波形，辨别读取数据的状态；状态0使A/D进入可读状态，状态1确定数据是否有效，状态3判断数据是否读出完毕。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明信号调理模块中限幅保护电路的设计增强了采集卡的安全可靠，避免了特高压环境下采集卡遭受电压击穿的风险；前置放大电路和滤波电路保证了强电磁环境下数据的真实可靠。A/D转换芯片具有12位分辨率，保证了电晕电流信号的精度。采用USB总线，可以实现电晕电流信号的高速可靠传输。
本发明满足特高压直流电晕电流测量数据可靠高速传输的要求，可以在特高压强电磁环境下稳定可靠的工作。
本发明数据采集程序流程在GPIF设计的控制波形下实现了下位机向上位机自动发送数据的过程。
本发明上位机采集应用程序流程通过多线程技术实现了高速接收下位机数据，快速实时显示波形和大容量定时存储的功能。
附图说明
图1是本发明中的电晕电流数据采集卡系统框图；
图2是本发明中的信号调理模块结构图；
图3是本发明中的USB控制模块结构图；
图4是本发明中的A/D转换模块转换数据过程和读取数据时序图；
图5是本发明中的转换完成后读取数据时序图；
图6是本发明中的A/D模块AD7864和USB控制模块CY7C68013A的采用数据总线通信示意图；
图7是本发明中的数据采集程序流程图；
图8是本发明中的上位机采集应用程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明为一种基于USB传输的特高压直流电晕电流数据采集卡，其系统框图如图1所示，由依次串联的信号调理模块、A/D转换模块和USB控制模块构成。
如图2所示为本发明的信号调理模块，由依次连接的限幅保护电路、程控放大电路、抗混淆滤波电路和射极跟随电路构成。
所述限幅保护电路包括并联的瞬态抑制二极管TVS和陶瓷放电二极管，用于A/D转换模块的采集信号进行幅值限定，防止高压击穿A/D模块。限幅保护电路起到钳制电压和瞬间释放大量电能的作用，可以保证采集卡通道两端电压在可承受范围内；电晕电流信号本身比较微弱，并且包含各种干扰,程控放大电路可增加电晕电流信号对后续电路的驱动能力。
电晕电流信号中可能含有高频噪声成分，为了避免采集时出现频谱混叠现象，必须设计抗混淆滤波电路。为提高输入阻抗及实现信号隔离，采用射极跟随电路作为AD的输入缓冲。所述射极跟随电路由低成本、低功耗、高速运算放大器AD817实现，其用于提高输入阻抗及实现信号隔离。
所述程控放大电路包括集成程控增益放大器，集成程控增益放大器选用BURR.BROWN公司的PGA202程控仪表放大器。该芯片无需接外围芯片，使用方便、性能好。PGA202的增益控制输入端与TTL、CMOS电平兼容，可以直接和微处理器接口。数控输入端A1、A0可以和USB控制模块的I/O口直接相连。使用时根据A1、A0的4种逻辑状态可选择4种增益。
所述抗混淆滤波电路选用集成有源滤波器。集成有源滤波器选用MAXIM公司推出的单片集成滤波器芯片MAX27，根据设计要求，每个滤波单元只需外接4个编程电阻，即可实现从100Hz到300KHz的低通、带通滤波；MAXIM公司网站提供了免费的专用设计软件，无需复杂的计算；该芯片为连续时间型，比开关型滤波器噪声低，动态特性好，并且不需要时钟，避免了时钟噪声。
本发明的A/D转换模块接收信号调理电路处理后的电晕信号，将易受干扰的模拟信号转换为稳定可靠的数字信号。A/D转换模块主要选用一款高精度、高采集频率、低功耗的信号采集芯片，可满足多通道同步采集。
所述信号采集芯片选用的是500kHZ采集速率、12位分辨率的A/D转换器AD7864。AD7864是美国模拟器件公司生产的一款高精度、高采集频率、低功耗的信号采集芯片，可实现4通道同时采集。AD7864的单通道转换时间为1.65us，采集保持时间为0.35us，单通道最高采集频率为500kSPS。若四通道同时采集，每通道最高采集频率可达130kSPS。信号输出采用12位高速并行反码数据输出格式，方便了后续PC处理。AD7864的4个模拟输入通道，由CONVST启动AD转换。AD7864可任意选择小于4通道的输入选择，被选择的通道以升序的顺序进行转换，其选择可采用硬件模式也可采用软件模式。AD7864的时钟可由内部时钟或外部时钟提供。
如图3所示为本发明的USB控制模块，由USB收发器、SIE串行接口引擎、8051微控制器以及通用可编程接口GPIF构成。USB控制模块与A/D转换模块共用数据总线，在USB控制模块发送的读写控制命令下，A/D转换模块采集转化后的数字信号储存在USB控制模块的内部缓存中。USB控制模块与本地端计算机之间进行数据通信通过底层硬件驱动，固件程序以及上位机应用软件实现。USB驱动程序处于应用程序和设备端固件之间，使操作系统识别USB设备，并建立起主机端和设备端之间的通讯。固件程序主要完成USB协议处理、数据交换以及其它逻辑控制功能。枚举和重枚举是USB设备的一个非常重要的机制，只有完成这两个过程，USB设备才与主机建立通讯关系，否则主机无法识别设备。应用程序实现人机交换界面，提供实现控制命令的发送、采集数据的读取、显示和存储等功能。USB控制模块采用Cypress公司生产的EZ-USBFX2(CY7C68013A)，包括了USB2.0收发器、SIE(串行接口引擎)、8051微控制器、4KBFIFO存储器以及可编程外围接口GPIF。其自带的智能SIE串行接口引擎可以硬件处理USB2.0协议，同时所具有的通用可编程接口和主/从端点FIFO为微处理器操作提供了无缝连接接口。芯片CY7C68013A有以下主要特征：四个可编程端点，可以是双缓冲区、三缓冲区或者四缓冲区，可以根据外部数据的读取速率调整缓冲区的宽度和深度。GPIF允许直接连接到大多数并行接口8位或16位，由可编程波形描述符和配置寄存器来定义波形；支持多个Ready（RDY）输入和Control（CTL）输出。＋3.3V电压供电，方便与其它元件连接，并降低了控制器的功耗。增强型工业标准8051微控制器，时钟频率高达48MHz，很大程度地提高了其运行速度，每个指令周期只包含四个时钟周期。
本发明中电晕电流信号首先经过无感电阻传感器转化为电压信号，再经过信号调理模块的限幅、放大、滤波和隔离作用后，转化为A/D模块可以接受的信号；接着A/D模块进行数据采样。首先对AD控制参数进行配置，USB控制模块通过中断方式实现对A/D转换器的初始化，之后开始启动第一次数据采集，被采集信号经过输入通道的信号调理后送至A/D转换器，A/D转换器在逻辑控制电路产生的时钟驱动下对信号进行转换，转换后的数字存储在USB控制模块的内部端点缓存中。USB控制器的固件程序经过枚举和重枚举后，以GPIF主模式控制数据采集和读取，并通过GPIF的波形控制AD时序，A/D转换器在逻辑控制电路产生的时钟驱动下对信号进行转换，转换后的数据存储在USB芯片的内部端点缓存中。当采集点数达到USB控制模块内部所设定的存储深度后，控制逻辑会自动产生实现数据块向上位机的传输。在此过程中，上位机可对采集通道、放大倍数、存储深度、采样率等进行实时配置，并可实时保存数据和显示波形。
如图4为本发明中A/D转换模块转换数据过程和读取数据时序图，每通道转换结束时读出转换结果，即每当EOC变为低电平时执行一次读操作。数据的读出由CS和RD控制。当CS=RD=0时，DB11～DB0三态门打开，允许数据输出。这种控制时序下，AD7864能够达到最高的转换和采集速率。
如图5为本发明中转换完成后读取数据时序图，当转换序列中所有的通道转换完成后数据才被读出。即BUSY变为低电平时读出所有通道的转换结果。每次读操作时，增加输出数据寄存器指针，读到最后一个转换结果时，将输出数据寄存器指针复位。
如图6为本发明中A/D转换模块AD7864和USB控制模块CY7C68013A的通信示意图，这里采用转换后读取数据的方式。当转换起始信号CONVST有效时(上升沿)，所有保持器进入保持状态，开始对选择的通道采集。BUSY输出信号在转换起始信号CONVST上升沿时被触发为高电平，并在转换过程中一直保持为高，当通道转换结束后，变为低电平。转换结束信号EOC每一个通道转换结束时均有效，各个通道转换后的数据保存在AD7864内部相应的锁存器中。所有通道转换结束后，当读信号RD和片选信号CS有效时，就可以并行地从数据总线上读取数据。数据读取时，按照转换顺序进行读取，每次读取后自动修改内部锁存器指针。当所有通道数据均读取后，内部锁存器指针自动复位。DB0~DB15为数据总线，CY7C68013A通过CTL0、CTL1和CTL2控制AD7864的CONVERT、RD和WR引脚，并通过RDY0采集AD7864的EOC引脚信号。
本发明中GPIF单次写波形的实现方式为：CY7C68013A上电后，系统进行初始化，同时对AD进行复位。系统进入0状态，CONVERT信号变低，启动AD转换，将采集的模拟数据转化为数字信号，并根据AD转换时间设置状态0的持续时间为42ns；接着，系统进入1状态，它为决策点，开始采集EOC信号，EOC表示转化是否完成，若完成则进入空闲状态，结束本次波形，否则一直等待，直到其完成转化。
本发明中FIFO读取波形的实现方式为：状态0，RD信号变低时，AD能读，状态1，数据有效，读入数据，由于FIFO可以设置波形读的次数，因此状态3是判决点，根据TCXpire信号决定设置的次数是否读完，如果读完，进入空状态结束本次波形，否则继续进行FIFO读。
如图7所示为本发明中数据采集程序流程图。程序开始时，主函数调用TD_Init()初始化全局变量，然后调用GPIF的初始化程序GpifInit()，初始化GPIF寄存器，并通过两个自动指针寄存器把生成的GPIF波形程序调入芯片的RAM内，接着状态机开始运行，产生所设计的控制波形。
状态机循环执行波形控制程序，数据采集过程因此也不停的被执行。如果AD7864转换的数据有效后，在TD_Poll()函数中执行读取数据传输程序，并首先判断缓冲区是否满标志，如果不满，则开始读取12位数据，也就是AD7864的数据，并把缓冲区的地址指针加1，保证数据不会被后来的数据覆盖，并保存在下一个地址中。读完512个数据后，缓冲区满，这时根据上位机的请求自动传送数据。
CY7C68013A有两个自动指针寄存器AUTOPTR1和AUTOPTR2，通过这两个指针，可以更快地传送数据而不需要有CPU的参与，他们通过配置后，并分别指向数据源地址和数据目的地址，当一个字节传送完之后自动增加指针的值并开始下一个字节的传输。
如图8所示为本发明中上位机采集应用程序流程图，系统运行后首先获取采集卡列表，选择采集系统（正极测量系统还是负极测量系统），设置采集通道和其他控制参数之后可以开启采集。采集数据开始的时候选择是否要实时观测数据，如果需要实时观测，就开启新的线程采集并显示数据，否则只需要采集一次并显示。数据采集完毕后，可选择是否保存数据及图像。当设定芯片为自动存储时，需要设定定时器的时间间隔，完成自动保存功能。当实现波形回放时，需要先读取波形文件，载入波形及特征参数（电流最大值、电流最小值、电流平均值和电流峰峰值等）完成波形回放。上位机主要功能如下：
（1）多系统选择功能。当多个测量系统同时工作的时候，程序给它们自动编号，可以选择指定的采集卡进行数据采集。本系统中由于需要同时测量正负极性电晕电流，因此需要该应用程序能够识别两套测量系统，避免采集数据出现混乱。
（2）测量模式选择。数据采集模式可以在无人值守的情况下连续工作，可以选择是否保存数据、图像和平均值，数据和图像的保存间隔、数据的保存长度及每个文件中的平均值点数可以分别设置。虚拟示波器模式仅用于实时观测电晕电流波形。
（3）参数设置和保存功能。主要是为了方便采集卡的设置，由于多数情况下采集卡的工作状态基本一致，这样可以把经常使用的采集卡参数保存下来，并在程序启动的时候载入，只需要选择相应的采集卡工作状态就可以完成参数设置。
（4）当前数据、图像保存功能。数据的保存格式为txt类型，并且将当前的测量系统配置参数、测量时间保存到文件，方便进行后续的数据处理，图片的保存格式为bmp类型，方便直接观测。数据和图像的保存路径可以分别独立设置。
（5）波形回放功能。可以载入以往保存的数据，观测其平均值、最大值和最小值。
（6）辅助功能。包括缩放模式的选择、衰减档位的设置，缩放模式可以观测感兴趣的那部分图像，衰减档位是指采集卡探头可以设置为×1或者×10衰减。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于USB总线的电晕电流采集卡，其特征在于，所述电晕电流采集卡包括依次连接的信号调理模块、A/D转换模块和USB控制模块；所述USB控制模块与所述信号调理模块通信；无感电阻传感器将电晕电流转换为电压信号传给所述电晕电流采集卡的所述信号调理模块进行限幅、放大、滤波和隔离，并传给所述A/D转换模块进行数据采样和转换，转换后的信号传给所述USB控制模块进行控制和存储，并将存储的信息传给计算机；
USB控制模块通过中断方式实现对A/D转换模块的初始化，之后开始启动第一次数据采集，被采集信号经过输入通道的信号调理后送至A/D转换模块，A/D转换模块在逻辑控制电路产生的时钟驱动下对信号进行转换，转换后的数字存储在USB控制模块的内部端点缓存中；USB控制模块的固件程序经过枚举和重枚举后，以GPIF主模式控制数据采集和读取，并通过GPIF的波形控制AD时序；当采集点数达到USB控制模块内部所设定的存储深度后，控制逻辑会自动产生实现数据块向计算机的传输；在此过程中，计算机对采集通道、放大倍数、存储深度、采样率进行实时配置，并可实时保存数据和显示波形；
所述信号调理模块包括依次连接的限幅保护电路、程控放大电路、抗混淆滤波电路和射极跟随电路；所述A/D转换模块用于将所述信号调理模块输出的模拟信号转换为数字信号；所述USB控制模块包括8051微控制器、通用可编程接口GPIF、串行接口引擎和USB收发器；
所述8051微控制器的I/O口与所述信号调理模块连接；
所述通用可编程接口GPIF通过数据总线与所述A/D转换模块连接；
所述串行接口引擎和所述USB收发器分别与计算机以USB2.0协议通信；
所述限幅保护电路包括并联的瞬态抑制二极管TVS和陶瓷放电二极管，用于对A/D转换模块的采集信号进行幅值限定，防止高压击穿A/D转换模块；
所述射极跟随电路由低成本、低功耗、高速运算放大器AD817实现，用于提高输入阻抗及信号隔离；
所述程控放大电路包括无需接外围芯片的集成程控增益放大器，增加电晕电流测量信号对后续电路的驱动能力；
所述抗混淆滤波电路采用集成有源滤波器，避免电晕电流信号中高频干扰电流信号产生的频谱混叠现象。
2.如权利要求1所述的电晕电流采集卡，其特征在于，所述集成程控增益放大器选用BURR.BROWN公司的PGA202程控仪表放大器。
3.如权利要求1所述的电晕电流采集卡，其特征在于，所述集成有源滤波器选用MAXIM公司的单片集成滤波器芯片MAX27。
4.如权利要求1所述的电晕电流采集卡，其特征在于，所述A/D转换模块包括信号采集芯片，其采用500kHZ采集速率、12位分辨率的A/D转换器AD7864。
5.如权利要求1所述的电晕电流采集卡，其特征在于，所述USB控制模块采用Cypress公司生产的CY7C68013A，通过其内部FIFO同步被动模式实现所述电晕电流信号数据的传送。
6.如权利要求1所述的电晕电流采集卡，其特征在于，所述通用可编程接口GPIF通过数据总线与所述A/D转换模块连接，在所述8051微控制器与所述A/D转换模块通信时，采用转换后读取数据的方式。
7.如权利要求1所述的电晕电流采集卡，其特征在于，所述通用可编程接口GPIF单次写波形通过状态0和状态1实现单个byte或者word的写过程。
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