CN107797482A - 基于arm‑fpga的采样控制时序系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于ARM‑FPGA的采样控制时序系统及方法，ARM控制板发出片选信号选中ARM‑FPGA采样板进行频率信号采样，选中的ARM‑FPGA采样板读取并上传每个CLK‑100us时钟周期频率信号脉冲数，并在每个ARM‑CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM‑FPGA采样板上的数据；以及，ARM控制板发出片选信号选中ARM‑FPGA采样板进行直流信号采样，选中的ARM‑FPGA采样板读取并上传每个CLK‑20ms时钟周期直流信号脉冲数，并在每个ARM‑CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM‑FPGA采样板上的数据。采用本发明可以大大提高并行数据采集传输速度和容量。
Description
技术领域
本发明涉及数据采集保护控制技术领域，具体地，涉及一种基于ARM-FPGA的大规模并行数据采样控制时序系统及方法。
背景技术
在能源互联网技术迅猛发展的时代背景下，大规模的数据采样控制技术显得尤为关键。在大规模并行数据采样控制过程出现故障时及时、准确的做出保护动作，保障采集数据完好无损的传输完毕以及故障信息及时上报，是大规模数据采样控技术的保障。
常用的基于ARM的数据采样系统具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点，同时它支持16/32位双指令集，灵活性较高；而FPGA具有多路信号并行处理能力，此外还有速度快、灵活性高、设计周期短的特点。结合ARM与FPGA技术的大规模并行数据采样技术是目前应用较为广泛的方案之一，因此设计一种基于ARM-FPGA的大规模并行数据采样控制时序，使其控制采样安全可靠性较高，是目前市场的迫切技术需求。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于ARM-FPGA的采样控制时序系统及方法。
根据本发明提供的一种基于ARM-FPGA的采样控制时序系统，包括：
系统采样压频转换部分：通过电压频率转换器将输入的交流信号转换成频率信号传输至ARM-FPGA采样板；
链节采样压频转换部分：包括A、B、C三相，每相均包括链式结构，每条链式结构包括1块链节采样压频转换板，每块链节采样压频转换板输出1路直流信号；
ARM控制系统：包括ARM控制板、ARM-FPGA采样板和直流采样板，所述ARM控制板与所述ARM-FPGA采样板通信连接，所述直流信号通过所述直流采样板输入所述ARM-FPGA采样板；
ARM-FPGA控制时序模块：ARM控制板发出片选信号选中ARM-FPGA采样板进行频率信号采样，选中的ARM-FPGA采样板读取并上传每个CLK-100us时钟周期频率信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据；以及，ARM控制板发出片选信号选中ARM-FPGA采样板进行直流信号采样，选中的ARM-FPGA采样板读取并上传每个CLK-20ms时钟周期直流信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据。
优选的，所述交流信号包括三相系统电压、三相负载电流、三相输出电流和参考电压，共10路交流信号。
优选的，所述链节采样压频转换部分每相包括12条链式结构，所述链节采样压频转换部分最多输出36路直流信号。
优选的，所述频率信号以光纤传输并通过系统采样板进行光电转换再提供至所述ARM-FPGA采样板。
根据本发明一种基于ARM-FPGA的采样控制时序方法，提供如权利要求1所述的基于ARM-FPGA的采样保护控制系统，包括步骤：
步骤1、当ARM控制板发出频率信号传输的片选信号时，选中ARM-FPGA采样板并进行频率信号的数据传输；
步骤2、FPGA读取并上传每个CLK-100us时钟周期频率信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据；
步骤3、ARM控制板取消频率信号传输的片选信号；
步骤4、当ARM控制器发出直流信号采样的片选信号时，选中采样FPGA并进行直流信号的数据传输；
步骤5、ARM-FPGA采样板读取并上传每个CLK-20ms时钟周期直流信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据；
步骤6、ARM控制器取消直流信号传输的片选信号；
步骤7、采样结束。
优选的，所述交流信号包括三相系统电压、三相负载电流、三相输出电流和参考电压，共10路交流信号。
优选的，所述链节采样压频转换部分每相包括12条链式结构，所述链节采样压频转换部分最多输出36路直流信号。
优选的，所述频率信号以光纤传输并通过系统采样板进行光电转换再提供至所述ARM-FPGA采样板。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
采用本发明可以大大提高并行数据采集传输速度和容量，使大规模并行数据采样控制技术在传输速度、容量和安全性方面有很大提升。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的系统采样压频转换的流程图；
图2为本发明的链节采样压频转换部分的流程图；
图3为本发明的ARM控制系统原理图；
图4为本发明的ARM-FPGA采样控制时序图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一种基于ARM-FPGA的采样控制时序系统，包括：
系统采样压频转换部分：通过电压频率转换器将输入的交流信号转换成频率信号传输至ARM-FPGA采样板，交流信号包括三相系统电压、三相负载电流、三相输出电流和参考电压，共10路交流信号；
链节采样压频转换部分：包括A、B、C三相，每相包括12条链式结构，每条链式结构包括1块链节采样压频转换板，每块链节采样压频转换板输出1路直流信号，最多输出36路直流信号；
ARM控制系统：包括ARM控制板、ARM-FPGA采样板、直流采样板以及系统采样板，ARM控制板与ARM-FPGA采样板通信连接，直流信号通过直流采样板输入ARM-FPGA采样板，所述系统采样板获取所述三相系统电压、三相负载电流、三相输出电流和参考电压，共10路以光纤传输的频率信号，将其进行光电转换并提供至所述ARM-FPGA采样板；
ARM-FPGA控制时序模块：ARM控制板发出片选信号选中ARM-FPGA采样板进行频率信号采样，选中的ARM-FPGA采样板读取并上传每个CLK-100us时钟周期频率信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据；以及，ARM控制板发出片选信号选中ARM-FPGA采样板进行直流信号采样，选中的ARM-FPGA采样板读取并上传每个CLK-20ms时钟周期直流信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据。
ARM控制板批量读取2036个数据仅需要13.57us，平均每个数据采集读取时间仅为6.67ns，数据采集速度非常快，同时ARM-FPGA采样板可完成三相电压电流、三相负载电流、三相输出电流、参考电压以及36路直流信号大规模并行传输到ARM控制板，由此构成的大规模并行数据采样控制时序可以大大提高并行数据采集传输速度和容量。
图1为本发明的系统采样压频转换流程图。如图1所示，通过电压频率转换器将输入的交流信号转换成频率信号。电压频率转换器通过采集三相系统电压、三相负载电流、三相输出电流和参考电压信号共10路交流信号，进行判断后输出频率信号分别发送给ARM-FPGA采样板采样。
图2为本发明的链节采样压频转换部分的流程图。如图2所示，链节采样压频转换部分每相由12条链式结构构成，每条链式结构有1块链节采样压频转换板，共A、B、C三相。链节采样压频转换板共36块。每块链节采样压频转换板位于链节的内部，各输出1路直流信号。36块链节采样压频转换板共输出36路直流信号，通过光纤传至总控制器。总控制器再将36路直流信号分别输出到两块直流采样板(直流采样板#1和直流采样板#2)。直流采样板#1和直流采样板#2通过电平转换后将36路直流信号发送给ARM-FPGA采样板，ARM-FPGA采样板接收信息后完成自身工作。
图3为本发明的ARM控制系统原理图。如图3所示，ARM控制系统由ARM控制板、ARM采样系统、ARM其他系统三部分构成，其结构和功能如下：
(1)ARM控制板包括电源管理电路、电平转换电路、CAN通信电路、UART通信电路、JTAG调试接口电路、DSP板LED扫描电路和外接排针端子电路。
首先ARM控制板发出起始信号，若此时ARM-FPGA采样板采集完成10路频率信号和36路直流信号，则ARM-FPGA采样板停止采集，发出响应信号，并且立即在ARM控制板发出的控制信号下上传采样数据。若此时ARM-FPGA采样板未完成采集10路频率信号和36路直流信号，则ARM-FPGA采样板发出未应答信号，ARM控制板等待ARM-FPGA采样板采集完成10路频率信号和36路直流信号，发出应答信号并停止采集，随后在ARM控制板发出的控制信号下上传采样数据。
ARM控制板接收到数据后，经过计算发送到触摸屏上显示，同时读取威纶屏上的设置参数保存至flash,一部分设置参数通过CAN总线发给DSP以实现设备的运行控制等。
(2)ARM采样系统由ARM-FPGA采样板和直流采样板、系统采样板构成。36路直流信号，来源于2块直流采样板；10路交流信号，来源于系统采样板。
ARM-FPGA采样板通过8位数据总线、8位地址总线、9位控制总线与ARM控制板进行通信。通过母板插针获得最多36路直流信号和10路频率信号。检测外部36路直流信号和10路频率信号，并将这些信号发给ARM控制板进行管理，当需要读取的信号低于以上路数可用0代替不足的路。
直流采样板共有2块，每块直流采样板通过光纤连接至主电路上的直流采样板，两块直流采样板共提供36路直流信号，通过排针接口经母板汇集至ARM-FPGA采样板I/O口。
系统采样板采集三相系统电压、三相输出电流、三相负载电流以及参考电压共10路信号。同样以光纤信号形式从主电路传输至系统采样板，经转换后通过母板传输给ARM采样FPGA。
图4为本发明的ARM-FPGA采样控制时序图。如图4所示，ARM-FPGA采样控制时序详细描述了ARM实施保护控制的具体过程，包括：
(1)当ARM控制板发出FPGA1-VI-CS为0的片选信号时，选中ARM-FPGA采样板并进行电压电流的数据传输；
(2)ARM-FPGA采样板读取并上传每个CLK-100us时钟周期频率信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据；
(3)按步骤(2)依次将10路频率信号发送至ARM控制板；
(4)ARM控制板将FPGA1-VI-CS置1，取消频率信号数据传输片选信号；
(5)当ARM控制板发出FPGA1-DC-CS为0的片选信号时，选中ARM-FPGA采样板并进行直流信号的数据传输；
(6)FPGA读取并上传每个CLK-20ms时钟周期电压电流压频信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据；
(7)按步骤(6)依次将36路直流电压发送至ARM控制板；
(8)ARM控制板将FPGA1-DC-CS置1，取消直流信号数据传输片选信号；
(9)采样结束。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种基于ARM-FPGA的采样控制时序系统，其特征在于，包括：
系统采样压频转换部分：通过电压频率转换器将输入的交流信号转换成频率信号传输至ARM-FPGA采样板；
链节采样压频转换部分：包括A、B、C三相，每相均包括链式结构，每条链式结构包括1块链节采样压频转换板，每块链节采样压频转换板输出1路直流信号；
ARM控制系统：包括ARM控制板、ARM-FPGA采样板和直流采样板，所述ARM控制板与所述ARM-FPGA采样板通信连接，所述直流信号通过所述直流采样板输入所述ARM-FPGA采样板；
ARM-FPGA控制时序模块：ARM控制板发出片选信号选中ARM-FPGA采样板进行频率信号采样，选中的ARM-FPGA采样板读取并上传每个CLK-100us时钟周期频率信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据；以及，ARM控制板发出片选信号选中ARM-FPGA采样板进行直流信号采样，选中的ARM-FPGA采样板读取并上传每个CLK-20ms时钟周期直流信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据。
2.根据权利要求1所述的基于ARM-FPGA的采样控制时序系统，其特征在于，所述交流信号包括三相系统电压、三相负载电流、三相输出电流和参考电压，共10路交流信号。
3.根据权利要求1所述的基于ARM-FPGA的采样保护控制系统，其特征在于，所述链节采样压频转换部分每相包括12条链式结构，所述链节采样压频转换部分最多输出36路直流信号。
4.根据权利要求2所述的基于ARM-FPGA的采样控制时序系统，其特征在于，所述频率信号以光纤传输并通过系统采样板进行光电转换再提供至所述ARM-FPGA采样板。
5.一种基于ARM-FPGA的采样控制时序方法，其特征在于，提供如权利要求1所述的基于ARM-FPGA的采样保护控制系统，包括步骤：
步骤1、当ARM控制板发出频率信号传输的片选信号时，选中ARM-FPGA采样板并进行频率信号的数据传输；
步骤2、FPGA读取并上传每个CLK-100us时钟周期频率信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据；
步骤3、ARM控制板取消频率信号传输的片选信号；
步骤4、当ARM控制器发出直流信号采样的片选信号时，选中采样FPGA并进行直流信号的数据传输；
步骤5、ARM-FPGA采样板读取并上传每个CLK-20ms时钟周期直流信号脉冲数，并在每个ARM-CLK时钟上升沿时，ARM控制板读取ARM-FPGA采样板上的数据；
步骤6、ARM控制器取消直流信号传输的片选信号；
步骤7、采样结束。
6.根据权利要求5所述的基于ARM-FPGA的采样控制时序方法，其特征在于，所述交流信号包括三相系统电压、三相负载电流、三相输出电流和参考电压，共10路交流信号。
7.根据权利要求5所述的基于ARM-FPGA的采样控制时序方法，其特征在于，所述链节采样压频转换部分每相包括12条链式结构，所述链节采样压频转换部分最多输出36路直流信号。
8.根据权利要求6所述的基于ARM-FPGA的采样控制时序方法，其特征在于，所述频率信号以光纤传输并通过系统采样板进行光电转换再提供至所述ARM-FPGA采样板。
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