CN107271021A - 基于fpga的pxi接口多通道变压器振动测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪，PXI工控机包括PXI机箱、PXI背板、系统控制卡和电源；PXI机箱内部设有系统控制卡、PXI总线、电源和PXI背板；PXI背板包括PCI总线、定时总线以及触发总线；振动采集卡通过PXI总线与机箱中的背板连接；振动采集卡有8个振动采集通道可实现同步采样，选用FPGA进行数据采集和传送；SRAM用来缓存数据，待总线空闲时再发送；PCI桥作为FPGA与PCI总线之间的桥接芯片，将采集到的振动数据转换为PCI协议所规定的格式，传输到PCI总线上，工控机再从PCI总线上读取这些振动数据；PXI提供了时钟信号和同步总线。本发明的有益效果是能够实现对变压器的在线监测，精度高，并适用于大型变压器。

Description

基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪

技术领域

本发明属于电力变压器技术领域，涉及基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪。

背景技术

在电力输送系统的所有设备当中，电力变压器承担着电压变换、电能分配及传输的作用。但由于电力变压器的长期运行，各种故障的发生总是不可避免的。从电力变压器出厂之后，其内部铁芯、绕组的压紧程度都随着运输、安装及运行等不断降低，会出现铁芯松动、绕组变形等问题，这些问题的出现对于电力变压器的安全运行都产生了很大的威胁，甚至会造成绝缘强度的降低。目前最为常用的电力变压器状态监测方法有油色谱分析法、振动分析法。

目前有几种方法评估大型电力变压器的健康状况。油色谱分析法：油色谱分析法通过对变压器油样中溶解气体的成分及含量进行分析，根据其气体成份及含量判断变压器的潜伏性故障，采取有效措施，将各种隐患消灭在萌芽状态之中，从而预防重大事故的发生。传统振动分析法：①在电力变压器绕组出口端施加机械冲击，由于铁芯中残留有磁通，这时可以测得振动的绕组线圈切割磁力线而产生的电动势大小，对一定大小的机械冲击，通过此电动势的大小可以判断绕组的压紧状况；②对变压器绕组施加电动力冲击，在这一脉冲衰减的过程中，记录下振动的绕组两端感应电动势的大小和变化情况，以此来判断绕组的压紧情况。普通在线振动监测：将振动传感器安装在变压器壁面采集振动信号，然后通过AD 转换成数字信号上传给ARM Cortex-A8上位机或工控机进行分析与显示。

现有方法中，油色谱分析法主要监测过热、放电等绝缘油漆类故障，不能及时发现绕组的机械故障，并且相关设备造价昂贵，安装调试较为复杂。传统振动分析法需要变压器退出运行，无法做到在线监测。由于变压器的自振频率范围很宽，在判定不同型号变压器绕组压紧状况时，没有统一的标准；如果残留磁通很小，结果将会变得不准确、不稳定；两种方法只能对绕组的压紧情况进行监测，而对铁芯的状况无法做出判定。普通在线振动监测振动信号采集精度较低，振动频率响应范围较小，振动监测的量程和通道数量只能适用于小型变压器，无法满足大型变压器的在线监测要求。

作为电力传输的重要组成部分，电力变压器在长期运行过程中会引发铁芯松动、绕组变形等问题。目前常用的电力变压器状态监测方法有油色谱分析法、振动分析法，油色谱分析法较为成熟，能够对油浸式变压器早期潜伏故障进行有效监测，但是该技术也有一定的局限性，诸如不能及时发现绕组机械故障、相关设备造价高昂等。与油色谱分析法相比，振动分析法能够有效监测变压器绕组、铁芯和有载开关等机械结构部件的状态并进行故障诊断，特别是对于部件位移、变形松动和磨损等异常反应非常灵敏，这些异常通常会导致变压器绝缘强度降低、绕组烧坏。对于大型电力变压器而言，一般需要在变压器油箱壁面布置多个测点 (通常不少于6个)，并且各个测点振动幅值较小，不易采集。传统振动分析法无法实现振动信号在线监测，普通在线振动监测无法满足多通道、高精度、同步采样的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供基于FPGA(Field－Programmable Gate Array)的 PXI(PCI extensions for Instrumentation)接口多通道变压器振动测试仪，解决了目前评估大型电力变压器的健康状况的方法不能在线监测、结果不准确，不适用于大型变压器的问题。

本发明所采用的技术方案是包括振动采集卡、PXI工控机、显示器；所述PXI 工控机包括PXI机箱、PXI背板、系统控制卡和电源；其中PXI机箱为振动采集卡提供了坚固构架，方便振动采集卡的插入，PXI机箱内部设有系统控制卡、PXI 总线、电源和PXI背板；PXI背板包括PCI总线、定时总线以及触发总线，为系统控制卡和振动采集卡提供数据交换通道；系统控制卡选择带有Windows操作系统的嵌入式控制器，且与机箱中的PXI总线相连接，接收和处理PXI总线上的数据；振动采集卡通过PXI总线与机箱中的背板连接，采集振动传感器测量的振动信号；振动采集卡有8个振动采集通道可实现同步采样，每通道采样率为312Ksps，采样精度为24bit，用于在线监测变压器的振动信号；FPGA：振动采集卡有8个振动信号测量通道，且每个通道的带宽较高，因此选用FPGA进行数据采集和传送；SRAM：在总线繁忙、数据暂时无法发送时，用来缓存数据，待总线空闲时再发送；PCI桥：作为FPGA与PCI总线之间的桥接芯片，将采集到的振动数据转换为PCI协议所规定的格式，传输到PCI总线上，工控机再从PCI 总线上读取这些振动数据；PXI接口：PXI接口是PCI的一种扩展，在数据协议上与PCI一致。不过PXI接口提供了时钟信号和同步总线，能够做到卡与卡之间 ns级的同步。

进一步，振动采集卡其中的每个通道包括振动传感器、信号调理电路、ADC 模数转换器；振动传感器采用ICP型振动传感器，信号调理电路为振动传感器提供硬件滤波，去掉偏置电压、抗混叠，并将振动信号调制成频率在0.2～15kHz 范围内、振幅在-5～+5V范围内的差分信号，便于ADC处理；ADC选用Σ-Δ型 ADC，其最高采样率设计为312Ksps，采样精度24位；LEDs:信号灯显示设备的工作状态；电源为整个系统提供电源，保证整个系统的稳定运行，同时为ICP 型振动传感器提供4mA的恒流源；振动采集卡有8个振动信号测量通道，且每个通道的带宽较高，因此选用FPGA进行数据采集和传送。

进一步，信号调理电路包括滤波器，振动传感器得到的信号经六阶贝塞尔高通有源滤波器和一阶高通无源滤波器级联形成滤波器，滤除包括电源噪声在内的高频信号。

进一步，ADC采用AD7764，具有312.5KHz采样率，24bit精度，振动信号通过滤波器去除偏置电压后利用ADC内部集成的差分运放搭建差分放大电路，将±5V的振动信号调制成±3.2768V的差分信号，提高信号的抗干扰能力，供ADC 直接处理，ADC使用SPI接口通信，采用菊花链连接，每两个ADC形成一条菊链，这样可以有效节约FPGA的逻辑资源，节省走线条数。

进一步，的PCI和PXI中，PCI9054作为PCI桥接芯片，支持33MHz的PCI 总线频率。它将FPGA采集到的振动信号进行数据格式转换，变成符合PCI规范的电气信号，并将这些信号传输到PCI总线上。PCI9054挂接一块EEPROM芯片—93LC56B，用于储存总线的配置信息，掉电不丢失；PXI接口由两部分组成，一部分是PXI-J1接口，其电气规范和PCI接口一样，只是机械连接方式不再使用金手指，而是采用针脚连接方式，更加稳定可靠；另一部分是PXI-J2接口，该接口是对PCI总线的扩展，提供了一个10MHz的时钟信号、一个星形信号、8 根触发总线。这些总线在背板上等长走线，保证了各个采集卡之间的ns级同步要求。

进一步，振动采集卡设备需要24bit的振动信号采集精度，所以在模拟电路部分采用对地敷铜的方式进行防护布线，并且每1英寸设置3个对地短路过孔来减小线间串，路板为4层板，其中蓝色区域为GND层，整层铺铜处理，红色为 TOP Layer层，红色区域为对地敷铜的防护布线区，通过在Top Layer对模拟信号区域大面积的对地铺铜，可以有效减小串扰、保证信号完整性。

进一步，振动采集卡的内存控制，是利用FPGA的内部RAM通过硬件语言搭建一个FIFO存储器，定义写指针超前读指针的地址个数为剩余深度，表示FIFO 中还有多少数据没有被读走，读指针会等待写指针，永远位于其后。

本发明的有益效果是能够实现对变压器的在线监测，精度高，并适用于大型变压器。

附图说明

图1振动信号采集系统拓扑结构图；

图2振动采集卡结构图；

图3加速度传感器AD100-1H电路图；

图4六阶贝塞尔高通有源滤波器电路图；

图5两ADC通道电路原理图；

图6PXI与PCI桥结构图；

图7采集卡内存结构图；

图8FIFO操作机制图；

图9采集卡程序流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的多通道变压器振动测试仪如图1所示包括振动采集卡、PXI工控机、显示器。

PXI工控机：包括PXI机箱、PXI背板、系统控制卡和电源；

PXI机箱为振动采集卡提供了坚固构架，方便振动采集卡的插入，PXI机箱内部设有系统控制卡、PXI总线、电源和PXI背板。PXI背板包括PCI总线、定时总线以及触发总线，为系统控制卡和振动采集卡提供数据交换通道；

系统控制卡：系统控制卡选择带有Windows操作系统的嵌入式控制器，且与机箱中的PXI总线相连接，接收和处理PXI总线上的数据。系统控制卡可带有鼠标、键盘及显示器接口，可以理解为一台插入PXI机箱的微型PC机；

振动采集卡：振动采集卡通过PXI总线与机箱中的背板连接，采集振动传感器测量的振动信号；振动采集卡有8个振动采集通道可实现同步采样，每通道采样率为312Ksps，采样精度为24bit，用于在线监测变压器的振动信号；

振动采集卡带有的振动传感器使用ICP型振动加速度传感器来捕捉振动信号，具有高精度、高灵敏度的特点，适用于变压器振动信号采集。振动采集卡电路结构如图2所示，图中，通道CH1包括振动传感器、信号调理电路、ADC模数转换器。其中，振动传感器采用ICP型振动传感器，是一种内部有微型IC放大器的压电加速传感器；信号调理电路为振动传感器提供硬件滤波，去掉偏置电压、抗混叠，并将振动信号调制成频率在0.2～15kHz范围内、振幅在-5～+5V范围内的差分信号，便于ADC处理；

ADC：选用Σ-Δ型ADC，由于其特殊的转换方式，具有噪声小、转化精度高等特点，广泛用于音频转换和振动测试领域。其最高采样率设计为312Ksps，采样精度24位，满足对机械系统振动测量的要求；

LEDs:信号灯，显示设备的工作状态；

电源：为整个系统提供电源，保证整个系统的稳定运行，同时为ICP传感器提供4mA的恒流源；

FPGA：振动采集卡有8个振动信号测量通道，且每个通道的带宽较高，因此选用FPGA进行数据采集和传送；

SRAM：在总线繁忙、数据暂时无法发送时，用来缓存数据，待总线空闲时再发送；

PCI桥：作为FPGA与PCI总线之间的桥接芯片，将采集到的振动数据转换为PCI协议所规定的格式，传输到PCI总线上，工控机再从PCI总线上读取这些振动数据；

PXI接口：PXI接口是PCI的一种扩展，在数据协议上与PCI一致。不过PXI 接口提供了时钟信号和同步总线，能够做到卡与卡之间ns级的同步。

ICP振动加速度传感器是一种内部装有微型的IC放大器的压电加速传感器，并且采用隔离剪切结构。ICP传感器内置信号调理电路，需要2-20mA、18-30V DC 的恒流源供电。输出阻抗为100-300Ω，适合长距离传输信号。振动测试仪选用 AD100-1H加速度传感器，输出量为一个与加速度成比例的模拟电压信号，比例系数达到100mV/g，可承受50g极限加速度。传感器为双线制，电源线既提供电流，又作输出电压信号线，接线方式如图3所示。

ADC通道电路设计

振动传感器得到的信号经六阶贝塞尔高通有源滤波器和一阶高通无源滤波器级联形成滤波器，滤除包括电源噪声在内的高频信号，使得到的信号噪声更小，最终计算结果更加精确，其单个通道六阶贝塞尔高通滤波器电路如图4所示，六阶贝塞尔高通有源滤波器和一阶高通无源滤波器级联形成的带通滤波对应图2 的滤波器。

ADC即图2的模数转换模块，采用AD7764，具有312.5KHz采样率，24bit 精度。振动信号通过滤波器去除偏置电压后利用ADC内部集成的差分运放搭建差分放大电路，将±5V的振动信号调制成±3.2768V的差分信号，提高信号的抗干扰能力，供ADC直接处理。

ADC使用SPI接口通信，能够采用菊花链连接，每两个ADC形成一条菊链，这样可以有效节约FPGA的逻辑资源，节省走线条数。两个ADC菊链电路如图5 所示。

PXI和PCI桥电路设计

本发明采用PCI9054作为PCI桥接芯片，支持33MHz的PCI总线频率。它将 FPGA采集到的振动信号进行数据格式转换，变成符合PCI规范的电气信号，并将这些信号传输到PCI总线上。PCI9054挂接一块EEPROM芯片—93LC56B，用于储存总线的配置信息，掉电不丢失。

本发明的PXI接口由两部分组成，一部分是PXI-J1接口，其电气规范和PCI 接口一样，只是机械连接方式不再使用金手指，而是采用针脚连接方式，更加稳定可靠；另一部分是PXI-J2接口，该接口是对PCI总线的扩展，提供了一个10MHz 的时钟信号、一个星形信号、8根触发总线。这些总线在背板上等长走线，保证了各个采集卡之间的ns级同步要求。PXI和PCI桥结构如图6所示。

防护布线

防护布线可以明显减小串扰，位于攻击线和受害线之间，并且防护布线中有短路过点。这使得防护布线上后向传输的大部分近端噪声与前向传输的近端噪声抵消。而远端噪声在短路处为0，但它们会在短路过孔之间来回反射，短路过孔越多，远端噪声越小。

由于振动采集卡设备需要24bit的振动信号采集精度，所以在模拟电路部分采用对地敷铜的方式进行防护布线，并且每1英寸设置3个对地短路过孔来减小线间串，电路板为4层板，其中蓝色区域为GND层，整层铺铜处理，红色为TOP Layer层，红色区域为对地敷铜的防护布线区，通过在Top Layer对模拟信号区域大面积的对地铺铜，可以有效减小串扰、保证信号完整性。

振动采集卡的内存管理

振动采集卡存在ADC采集速率和PCI总线传输速率不一致的问题，因此，FPGA 需要内存来缓存这些数据，其内存结构如图7所示：

FPGA通过32bit总线与PCI桥芯片连接，将数据发送的PCI总线上。

振动采集卡的内存控制，是利用FPGA的内部RAM通过硬件语言搭建一个 FIFO存储器。其操作机制如图8所示。

定义写指针超前读指针的地址个数为剩余深度，表示FIFO中还有多少数据没有被读走。读指针会等待写指针，永远位于其后，通过这样的FIFO机制，解决了ADC采集速率和PCI总线传输速率不一致的问题，避免PCI总线速率过高，重复读取ADC的数据。

振动采集卡的程序流程

振动采集卡主要以数据传输任务为主，将振动信号高速、精确、可靠的传输到PCI总线上，其流程图如图9所示。

FPGA系统初始化时钟是80MHz，每个通道的ADC的采样控制时钟MCLK是 40MHz，选择64x抽样模式，ADC芯片的数据输出速率 ODR＝(MCLK/2)/64＝312.5KHz，所以每个通道的最高采样速率可以达到312.5Ksps。ADC转换出来的数据经过SPI传输协议传给FPGA的FIFO缓存器中，最后经过PCI桥把数据发送给PC工控机。

本发明的优点还在于：通过设计带通滤波电路，滤除电源等高频噪音，采用性能优异的ADC实现高精度的采样要求；ADC的SPI通信接口采用菊花链连接，每两个ADC形成一个菊链，在不影响采样速度的前提下，节约了FPGA的逻辑资源，节省走线条数；采用对地过孔的防护布线方法保证硬件电路高频信号的完整性；利用剩余深度技术解决了ADC采样速率和PCI总线传输速率不一致的问题。本发明每个采集卡有8个采样通道，频宽为0.2～15kHz，每个通道的采样率为 312Ksps，广泛适用于变压器振动采集、风机振动采集等系统。本发明采集卡拓展方便，可以根据应用场合调整采集卡的使用数量。本发明滤波器可以较好的滤除电源等高频噪音，采用对地过孔的防护布线方法也可以较好的保证高频信号的完整性。通过振动加速度传感器测量振动信号，经六阶贝塞尔滤波器、一阶无源滤波器滤波以及高精度ADC处理后传送给FPGA处理器，FPGA把采集到的信号通过PXI接口传送给PC工控机，PC工控机对接收到的数据进行分析处理，并评估电力变压器健康状况。

本发明通过在大型电力变压器壁面加装加速度传感器采集振动信号，并将采集的数据传送到在线监测分析系统，从而实现对大型电力变压器运行状况的评估，安装简单方便，满足多通道、高精度、同步采样的要求。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪，其特征在于：包括振动采集卡、PXI工控机、显示器；

所述PXI工控机包括PXI机箱、PXI背板、系统控制卡和电源；

其中PXI机箱为振动采集卡提供了坚固构架，方便振动采集卡的插入，PXI机箱内部设有系统控制卡、PXI总线、电源和PXI背板；PXI背板包括PCI总线、定时总线以及触发总线，为系统控制卡和振动采集卡提供数据交换通道；系统控制卡选择带有Windows操作系统的嵌入式控制器，且与机箱中的PXI总线相连接，接收和处理PXI总线上的数据；

振动采集卡通过PXI总线与机箱中的背板连接，采集振动传感器测量的振动信号；振动采集卡有8个振动采集通道可实现同步采样，每通道采样率为312Ksps，采样精度为24bit，用于在线监测变压器的振动信号；

FPGA：振动采集卡有8个振动信号测量通道，且每个通道的带宽较高，因此选用FPGA进行数据采集和传送；

SRAM：在总线繁忙、数据暂时无法发送时，用来缓存数据，待总线空闲时再发送；

PCI桥：作为FPGA与PCI总线之间的桥接芯片，将采集到的振动数据转换为PCI协议所规定的格式，传输到PCI总线上，工控机再从PCI总线上读取这些振动数据；

PXI接口：PXI接口是PCI的一种扩展，在数据协议上与PCI一致。不过PXI接口提供了时钟信号和同步总线，能够做到卡与卡之间ns级的同步。

2.按照权利要求1所述基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪，其特征在于：所述振动采集卡其中的每个通道包括振动传感器、信号调理电路、ADC模数转换器；振动传感器采用ICP型振动传感器，信号调理电路为振动传感器提供硬件滤波，去掉偏置电压、抗混叠，并将振动信号调制成频率在0.2～15kHz范围内、振幅在-5～+5V范围内的差分信号，便于ADC处理；ADC选用Σ-Δ型ADC，其最高采样率设计为312Ksps，采样精度24位；LEDs:信号灯显示设备的工作状态；电源为整个系统提供电源，保证整个系统的稳定运行，同时为ICP型振动传感器提供4mA的恒流源；振动采集卡有8个振动信号测量通道，且每个通道的带宽较高，因此选用FPGA进行数据采集和传送。

3.按照权利要求2所述基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪，其特征在于：所述信号调理电路包括滤波器，振动传感器得到的信号经六阶贝塞尔高通有源滤波器和一阶高通无源滤波器级联形成滤波器，滤除包括电源噪声在内的高频信号。

4.按照权利要求2所述基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪，其特征在于：所述ADC采用AD7764，具有312.5KHz采样率，24bit精度，振动信号通过滤波器去除偏置电压后利用ADC内部集成的差分运放搭建差分放大电路，将±5V的振动信号调制成±3.2768V的差分信号，提高信号的抗干扰能力，供ADC直接处理，ADC使用SPI接口通信，采用菊花链连接，每两个ADC形成一条菊链，这样可以有效节约FPGA的逻辑资源，节省走线条数。

5.按照权利要求1所述基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪，其特征在于：所述的PCI和PXI中，PCI9054作为PCI桥接芯片，支持33MHz的PCI总线频率。它将FPGA采集到的振动信号进行数据格式转换，变成符合PCI规范的电气信号，并将这些信号传输到PCI总线上。PCI9054挂接一块EEPROM芯片—93LC56B，用于储存总线的配置信息，掉电不丢失；PXI接口由两部分组成，一部分是PXI-J1接口，其电气规范和PCI接口一样，只是机械连接方式不再使用金手指，而是采用针脚连接方式，更加稳定可靠；另一部分是PXI-J2接口，该接口是对PCI总线的扩展，提供了一个10MHz的时钟信号、一个星形信号、8根触发总线。这些总线在背板上等长走线，保证了各个采集卡之间的ns级同步要求。

6.按照权利要求1所述基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪，其特征在于：所述振动采集卡设备需要24bit的振动信号采集精度，所以在模拟电路部分采用对地敷铜的方式进行防护布线，并且每1英寸设置3个对地短路过孔来减小线间串，路板为4层板，其中蓝色区域为GND层，整层铺铜处理，红色为TOP Layer层，红色区域为对地敷铜的防护布线区，通过在Top Layer对模拟信号区域大面积的对地铺铜，可以有效减小串扰、保证信号完整性。

7.按照权利要求1所述基于FPGA的PXI接口多通道变压器振动测试仪，其特征在于：所述振动采集卡的内存控制，是利用FPGA的内部RAM通过硬件语言搭建一个FIFO存储器，定义写指针超前读指针的地址个数为剩余深度，表示FIFO中还有多少数据没有被读走，读指针会等待写指针，永远位于其后。