CN103399258A - 基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，采用多层印制电路板，包括多个输入电流接入端子、多个霍尔传感器、采样电路、主控芯片DSP、存储器、程序下载模块、CAN总线收发器、直流-直流转换芯片和用于连接主板的输出插接件，还包括有CAN接口、B码接口、1PPS硬对时接口、用于检测霍尔传感器的工作电流的电流监控电路和用于检测霍尔传感器的工作电压的电压监控电路。本发明的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，具有动态特性好、线性度高、精度高、频带宽以及尺寸小、外围电路简单等优点。
Description
基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板。
背景技术
[0002] 随着用电设备和用电量的逐年增多，人们对电力系统的自动化和安全运行的要求越来越高，而电力系统的自动化和安全运行的一个要素就是实时监测电网工作情况，具有超高速动作性能的输电线路行波保护是电力系统继电保护研究的一个重要课题。但是，目前国际上尚无完善的行波保护装置面世。主要原因有两点，一是缺乏合适的数学手段分析高频暂态行波信号；二是技术要求太高，比如，要求采样频率达到800kHz以上，而处理时间要在1-2个毫秒时间完成，上述问题用传统的技术手段是无法解决的。行波是一个小的尖峰高频脉冲信号，以近光速在高压输电线路上传播并反射，其中夹杂着大量的噪声，在这恶劣的环境下，对前端采样的精度和带宽要求尤为苛刻，传统的前端采集方式是电磁互感器，精度差，频带窄，尺寸大，根本不能得到广泛应用。
发明内容
[0003] 本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种动态特性好、线性度闻、精度闻、频带宽以及尺寸小、外围电路简单的基于闻精度霍尔效应的行波测距如端1旲拟量采集板，以实现行波信号的快速采样。
[0004] 本发明为解决技术问题采用以下技术方案。
[0005] 基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，采用多层印制电路板，其结构特点是，包括多个输入电流接入端子、多个霍尔传感器、采样电路、主控芯片DSP、存储器、程序下载模块、CAN总线收发器、直流-直流转换芯片和用于连接主板的输出插接件；
[0006] 所述多个输入电流端子与所述多个霍尔传感器分别相连接，用于将三相电流接入霍尔传感器；
[0007] 所述霍尔传感器还与所述主控芯片DSP和采样电路相连接，由主控芯片DSP对霍尔传感器的电流进行监控，霍尔传感器将三相电流处理为三相弱电流之后输出给采样电路；
[0008] 所述采样电路与所述输出插接件相连接并通过输出插接件将0-5V的采样电压输出给主板；
[0009] 所述直流-直流转换芯片与所述输出插接件、霍尔传感器和主控芯片DSP相连接，直流-直流转换芯片通过输出插接件从主板引入电源并对电源进行处理后，为霍尔传感器提供土 15V电压，为主控芯片DSP提供+3.3V电压；主控芯片DSP对直流-直流转换芯片为霍尔传感器的±15V电压进行监控；
[0010] 所述存储器与所述主控芯片DSP直接相连接；
[0011] 所述主控芯片DSP与所述输出插接件之间通过CAN总线收发器相连接，所述主控芯片DSP的端子ADD0-5、端子TYPE0-2和端子DBG与所述输出插接件直接相连接；[0012] 程序下载模块，用于在线下载程序，不需要在生产时对芯片进行烧写然后再进行焊接。
[0013] 本发明的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板的结构特点也在于:
[0014] 所述的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板还包括有CAN接口、B码接口和IPPS硬对时接口。
[0015] 所述的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板还包括用于检测霍尔传感器的工作电流的电流监控电路和用于检测霍尔传感器的工作电压的电压监控电路；所述电流监控电路连接在所述主控芯片DSP和所述霍尔传感器之间；所述电压监控电路连接在所述主控芯片DSP和所述霍尔传感器的供电线路之间。
[0016] 所述电流监控电路包括采样模块和采集模块，采样模块的作用是把经过霍尔模块的供电电流信号，再经过精密电阻转换为电压信号；采集模块是把电压信号转换成DSP可识别的小电压信号(〈3.3V)，再经过DSP处理实时电流值。
[0017] 所述电压监控电路包括电阻Rlll〜R115、电容C36和放大器U13B，用于把经过霍尔模块的供电电压信号(+/-15VDC)，通过运放电路转换为DSP可识别的小电压信号(〈3.3V)。再经过DSP处理实时电流值。
[0018] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0019] 本发明的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，应用于行波测距装置前端模拟量采集，它直接采集来自一次侧电压互感器或电流互感器的模拟量信号，具有霍尔效应的传感器是模拟通道单元的核心元件。本发明所采用的高精度霍尔效应行波测距前端采集系统具有动态特性好、线性度高、精度高、频带宽以及尺寸小、外围电路简单等优良特性，并为实现高频 暂态行波的高速同步采集和快速处理提供了有力的保证。
[0020] 传统互感器利用电磁感应原理，在规定的正弦工作频率下有较高的精度，但它能适合的频带非常窄，且不能传递直流。此外，工作时存在激磁电流，所以这是电感性器件，使它在响应时间上只能做到数十毫秒。但电流互感器二次侧一旦开路将产生高压危害。
[0021] 不同之处之在于互感器需要变化的磁场，而霍尔传感器可以是恒定的磁场，因此，前者只能用于交流测试，而后者可以用于交流和直流测试。不同之处之二在于互感器有铁芯，而霍尔传感器没有铁芯，前者对于频率来讲是非线性的，后者是线性的，因此前者适用的频段较窄，一般用于固定频段(如45〜66Hz )，后者频段较宽。
[0022] 传统的检测元件受规定频率、规定波形，响应滞后等很多因素的限制，不能适应大功率变流技术的发展，应运而产生的新一代霍尔电流电压传感器，以及电流电压传感器与真有效枝AC/DC转换器组合成为一体化的变送器，已成为最佳检测模块。
[0023] I)测量范围广:它可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲、三角波形等，甚至对瞬态峰值电流、电压信号也能忠实地进行反映；
[0024] 2)响应速度快:最快者响应时间只为lus。
[0025] 3)测量精度高:其测量精度优于1%，该精度适合于对任何波形的测量。普通互感器是感性元件，接入后影响被测信号波形，其一般精度为39Γ5%，且只适合于50Hz正弦波形。
[0026] 4)线性度好:优于0.2%[0027] 5)动态性能好:响应时间快，可小于Ius;普通互感器的响应时间为l(T20ms。
[0028] 6)工作频带宽:在(TlOOKHz频率范围内的信号均可以测量。
[0029] 7)可靠性高，平均无故障工作时间长:平均无故障时间>5 10小时
[0030] 8)过载能力强、测量范围大:(Γ100Α
[0031] 9)体积小、重量轻、易于安装。
[0032] 本发明的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，具有动态特性好、线性度高、精度高、频带宽以及尺寸小、外围电路简单等优点。
附图说明
[0033] 图1为本发明的基于高精度霍尔效应行波测距前端模拟量采集板的结构框图。
[0034] 图2为本发明中的闭环式霍尔传感器的工作原理。
[0035] 图3为本发明中直流-直流转换芯片的示意图。
[0036] 图4为本发明中霍尔传感器的电流监测电路的示意图。
[0037] 图5为本发明中霍尔传感器的电压监测电路的示意图。
[0038] 图6为本发明中对时系统电路的示意图。
[0039] 图7为本发明中CAN 通讯系统电路的示意图。
[0040] 以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
[0041] 参见图1，基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，采用多层印制电路板，包括多个输入电流接入端子、多个霍尔传感器、采样电路、主控芯片DSP、存储器、程序下载模块、CAN总线收发器、直流-直流转换芯片和用于连接主板的输出插接件；
[0042] 所述多个输入电流端子与所述多个霍尔传感器分别相连接，用于将三相电流接入霍尔传感器；
[0043] 所述霍尔传感器还与所述主控芯片DSP和采样电路相连接，由主控芯片DSP对霍尔传感器的电流进行监控，霍尔传感器将三相电流处理为三相弱电流之后输出给采样电路；霍尔传感器采用+/ - 15VDC供电，2000:1变比，A/B/C三相电流输入，经过霍尔效应变换为三路弱电流信号，通过精密采样电阻转换为(T5V电压供后面FPGA采集。
[0044] 所述采样电路与所述输出插接件相连接并通过输出插接件将0-5V的采样电压输出给主板；
[0045] 所述直流-直流转换芯片与所述输出插接件、霍尔传感器和主控芯片DSP相连接，直流-直流转换芯片通过输出插接件从主板引入电源并对电源进行处理后，为霍尔传感器提供土 15V电压，为主控芯片DSP提供+3.3V电压；主控芯片DSP对直流-直流转换芯片为霍尔传感器的土 15V电压进行监控；直流-直流转换芯片把主供5VDC电源转成+/ - 15VDC供给霍尔传感器使用，转成3.3VDC供给DSP使用。
[0046] 所述存储器与所述主控芯片DSP直接相连接；
[0047] 所述主控芯片DSP与所述输出插接件之间通过CAN总线收发器相连接，所述主控芯片DSP的端子ADD0-5、端子ΤΥΡΕ0-2和端子DBG与所述输出插接件直接相连接；
[0048] 程序下载模块，用于在线下载程序，不需要在生产时对芯片进行烧写然后再进行焊接。
[0049] 主控芯片DSP采用DSPIC33FJ128GP706A，3.3V供电，实时监测霍尔传感器工作电压和电流，提供过流过载保护，霍尔传感器为发热元件，如果霍尔传感器工作异常，立刻切断其电源，并通过CAN通知主CPU，保证了工作的可靠性。控制器局域网络总线收发器用于DSP和主CPU提供CAN通讯通道。如图1所示，IPPS和CAN通讯模块用于向DSP提供对时信、在实时监测报文中并加入时间戳发送到主CPU。
[0050] 主控芯片DSP具有实时监测功能，能现时监测四个霍尔传感器共8路电压和13路电流，提供上限下限报警，断电保护功能。内置看门狗自保护，防止死机情况发生等等。
[0051 ] 所述采样电路用于把12路高精度实时电流信号通过精密电阻转换成12路(T5VDC弱电压信号，提供给后端模拟量芯片采集使用。
[0052] 行波测距前端模拟量采集板还把实时监测信号(当前工作情况和功耗等等)加入时间戳实时发送给主CPU。
[0053] 所述的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板还包括有CAN接口、B码接口和IPPS硬对时接口。
[0054] 所述的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板还包括用于检测霍尔传感器的工作电流的电流监控电路和用于检测霍尔传感器的工作电压的电压监控电路；所述电流监控电路连接在所述主控芯片DSP和所述霍尔传感器之间；所述电压监控电路连接在所述主控芯片DSP和所述霍尔传感器的供电线路之间。实时监测霍尔传感器工作电压和电流，提供过流过载保护，霍尔传感器为发热元件，如果霍尔传感器工作异常，立刻切断其电源，并通过CAN通知主CPU，保证了工作的可靠性。
[0055] 所述电流监控电路包括采样模块和采集模块，采样模块的作用是把经过霍尔模块的供电电流信号，再经过精密电阻转换为电压信号；采集模块是把电压信号转换成DSP可识别的小电压信号(〈3.3V)，再经过DSP处理实时电流值。
[0056] 所述电流监控电路的电路图见图4，所述采样模块包括电阻R103〜R108，所述电阻R103〜R108之间相并联连接。所述采集模块包括芯片U12和电容C34 ;所述芯片U12为电流并联监视器INA197。所述R103〜R108并联连接后的两端分别连接在U12的端子Vin+和端子Vin-之间。所述电容C34的一端与U12的端子V+和3.3V电源相连接，电容C34的
另一端接地。
[0057] 所述电压监控电路包括电阻Rlll〜R115、电容C36和放大器U13B，用于把经过霍尔模块的供电电压信号(+/-15VDC)，通过运放电路转换为DSP可识别的小电压信号(〈3.3V)。再经过DSP处理实时电流值。
[0058] 所述电压监控电路的电路图见图5，电压监控电路包括电阻Rl 11〜Rl 15、电容C36和放大器U13B。电阻R112与电容C36并联后的一端接地，另一端与电阻Rlll的一端及电阻Rl 13的一端相连接，电阻Rl 11的另一端连接-15V电源；电阻R113直接与放大器U13B的端子6相连接，电阻R113还通过电阻R115与放大器U13B的端子7相连接，所述电阻R114的一端接地，另一端与放大器U13B的端子5相连接。放大器U13B优选AD8602AR放大器。
[0059] 如图1是本发明的采集板，从输入电流端子取得的12路电流信号经过霍尔传感器产生弱电流信号，并通过精密采样电路转换成(T5V/(T10V电压值，提供给后端AD采集处理芯片。直流-直流转换芯片取得5V直流电主供电源，转换为3.3V直流电供给主DSP，转换为+/-15V直流电供给霍尔传感器工作。主控芯片DSP实时监控四个霍尔传感器的工作电压和12路输入采样电流，判断并控制霍尔传感器是否正常工作，因为霍尔传感器是发热元件，如果功耗异常，立刻切断它的供电，并通过CAN总线实时报告给后端主服务器，并在报文中加入接收到的时间信息，工作正常时，也实时发送当前工作状态。
[0060] 程序下载模块MCU -1SP为在线下载烧写模块，FRAM为存贮芯片，ADD(T5为板卡识别地址，ΤΥΡΕ(Γ2为板卡识别码，DBG为调试口。SHDN为断电控制口。
[0061] 霍尔传感器原理图参见图2，这种传感器具有较快的响应速度。这种霍尔传感器的输出既可以是电流形式，即看成是一个电流源输出，也可以外加电阻Rm，即可获得与待测电流成正比的电压输出。而本文所述行波测距装置所采用的正是电压输出，外加电阻Rm=40Q。而不像开环式霍尔传感器需要受霍尔元件最大灵敏度、霍尔元件非线性以及聚磁环非线性的影响。闭环式霍尔互感器打破了传感器受频率和波形的限制，能测量频率高达150 kHz的电信号，并且由于磁补偿使铁芯内磁通为零，故具有很强的过载能力。
[0062] 而本发明所述行波测距装置采用的闭环式霍尔传感器，实质是将控制理论中的闭环控制理论应用到霍尔传感器中，使霍尔传感器具有了负反馈的一些优良特性:提高了增益的恒定性；减少了非线性失真；抑制反馈环内噪声；扩展了频带宽度。
[0063] 参见图3，为直流-直流转换芯片的示意图，将主供电源5V通过升压电路升去+15V，降压电路降至一 15V供给霍尔传感器供电，还将5V电压降至3.3V供DSP和采样电路工作。
[0064] 参见图4，图5，分别为一路电流监测电路和电压监测电路示意图。
[0065] 图6为本发明中对时系统电路的示意图。对时系统电路包括电阻R142〜R144、电容C57和芯片U19。
[0066] 图7为本发明中 CAN通讯系统电路的示意图。CAN通讯系统电路包括电容C58、电阻R145和芯片U20。所述芯片U20为3.3V CAN总线收发器SN65HVD231D。
Claims (5)
1.基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，采用多层印制电路板，其特征是，包括多个输入电流接入端子、多个霍尔传感器、采样电路、主控芯片DSP、存储器、程序下载模块、CAN总线收发器、直流-直流转换芯片和用于连接主板的输出插接件； 所述多个输入电流端子与所述多个霍尔传感器分别相连接，用于将三相电流接入霍尔传感器； 所述霍尔传器还与所述主控芯片DSP和采样电路相连接，由主控芯片DSP对霍尔传感器的电流进行监控，霍尔传感器将三相电流处理为三相弱电流之后输出给采样电路； 所述采样电路与所述输出插接件相连接并通过输出插接件将0-5V的采样电压输出给主板； 所述直流-直流转换芯片与所述输出插接件、霍尔传感器和主控芯片DSP相连接，直流-直流转换芯片通过输出插接件从主板引入电源并对电源进行处理后，为霍尔传感器提供土 15V电压，为主控芯片DSP提供+3.3V电压；主控芯片DSP对直流-直流转换芯片为霍尔传感器的±15V电压进行监控； 所述存储器与所述主控芯片DSP直接相连接； 所述主控芯片DSP与所述输出插接件之间通过CAN总线收发器相连接，所述主控芯片DSP的端子ADD0-5、端子TYPE0-2和端子DBG与所述输出插接件直接相连接； 程序下载模块，用于在线下载程序，不需要在生产时对芯片进行烧写然后再进行焊接。
2.根据权利要求1所述的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，其特征是，还包括有CAN接口、B码接口和IPPS硬对时接口。
3.根据权利要求1和2所述的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，其特征是，还包括用于检测霍尔传感器的工作电流的电流监控电路和用于检测霍尔传感器的工作电压的电压监控电路；所述电流监控电路连接在所述主控芯片DSP和所述霍尔传感器之间；所述电压监控电路连接在所述主控芯片DSP和所述霍尔传感器的供电线路之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，其特征是，所述电流监控电路包括采样模块和采集模块，采样模块的作用是把经过霍尔模块的供电电流信号，再经过精密电阻转换为电压信号；采集模块是把电压信号转换成DSP可识别的小电压信号，再经过DSP处理实时电流值。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于高精度霍尔效应的行波测距前端模拟量采集板，其特征是，所述电压监控电路包括电阻Rl 11〜Rl 15、电容C36和放大器U13B，用于把经过霍尔模块的供电电压信号，通过运放电路转换为DSP可识别的小电压信号，再经过DSP处理实时电流值。
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