CN108877189A - 一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，包括：传感器板、FPGA、电源及上位机；电源与FPGA相连接，FPGA与上位机相连接；FPGA包括数据解码模块、数据处理模块、FIFO模块和通信模块，数据解码模块通过外部接口与传感器板相连接，数据解码模块接收的数据依次经过数据处理模块、FIFO模块和通信模块传递给上位机。本发明的数据采集处理传输装置的成本较低，功能冗余度低，数据传输的可靠性较高。
Description
技术领域
本发明属于变电站噪声测试技术领域，特别涉及一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置。
背景技术
变电站内部噪声的准确分离和测量，是进行变电站环境噪声控制和防治的关键。但是变电站噪声的测量受到外界环境因素的影响，这其中有背景噪声和天气的影响。在实际测量时，除了有被测声源所产生的噪声外，还会有其他噪声的存在，如变电站周围的人流、车流等生活工作背景的噪声影响，以及狗叫、摩托车声等瞬态噪声，这些噪声之和称为背景噪声，背景噪声会影响到测量的准确性。通常测量某机器的噪声，当机器未开时测量背景噪声，开动机器时测量总噪声，然后进行修正得出机器的噪声。而投运的变电站不能随便因为测量其环境噪声而停止运行，因此利用单一声级计测量的噪声，是变电站自身噪声和其它环境噪声的叠加。利用单一的声级计，难以区分出变电站内部噪声的来源、分布、大小、频谱特征等参量，不利于变电站设备噪声的责任区分，给变电站环境噪声的治理带来不便。
现有的体积阵测试装置需要进行较多测点的检测，有大量的数据需要处理和传输，由于需要进行图像叠加，对数据传输的可靠性有较高要求，现有的体积阵测试装置的数据采集与传输装置大多采用通用的数据采集仪，其普遍存在的问题是：价格昂贵导致测试成本较高；传统数采仪器冗余功能多，无用功能损坏后也会影响数采仪器整机的使用，导致数据传输的可靠性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，以解决上述存在的技术问题。本发明的数据采集处理传输装置的成本较低，功能冗余度低，数据传输的可靠性较高。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，包括：传感器板、FPGA、电源及上位机；电源与FPGA相连接，FPGA与上位机相连接；FPGA包括数据解码模块、数据处理模块、FIFO模块和通信模块，数据解码模块通过外部接口与传感器板相连接，数据解码模块接收的数据依次经过数据处理模块、FIFO模块和通信模块传递给上位机。
进一步的，FPGA还构建有数据同步模块；所述数据同步模块设置在数据解码模块和数据处理模块之间。
进一步的，通信模块通过千兆以太网模块或USB模块实现，通讯速度不小于100兆比特每秒。
进一步的，千兆以太网模块由ARM或FPGA实现。
进一步的，千兆以太网模块包括ARM模块、MAC模块和以太网口；ARM模块包括DMA模块与TCP/IP协议栈，DMA模块的数据接收端与FIFO模块的数据输出端连接，DMA模块的数据输出端与TCP/IP协议栈的数据接收端相连接，TCP/IP协议栈的数据输出端与MAC模块的数据接收端连接，MAC模块的数据输出端通过以太网口与上位机相连接。
进一步的，传感器板包括：电源转换模块、时钟同步模块、信号同步模块、信号调理模块、信号增强模块和若干传感器；电源转换模块的电源输入端与电源连接，电源转换模块的电源输出端与每个传感器的电源接收端连接；时钟同步模块的信号输出端与每个传感器的时钟信号接收端连接；每个传感器采集的信号依次经过信号同步模块、信号调理模块和信号增强模块输入FPGA。
进一步的，传感器板还包括：时钟缓冲模块；时钟缓冲模块的信号接收端与时钟信号连接，时钟缓冲模块的信号输出端与时钟同步模块的信号接收端相连接。
一种变电站噪声云图测试装置的控制箱，基于任一种上述的变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，控制箱内设置有主控板，FPGA设置在主控板上。
进一步的，主控板倾斜设置在控制箱内，主控板上设置有防水结构；所述防水结构包括排水孔和排气孔。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置专门针对于噪声云图测试装置设计，其无传统数采仪的冗余功能，数据采集传输的可靠性高；可降低成本，本发明装置的成本相较于目前使用数采仪的成本能够降低30％左右；系统开机速度快，数采效率较高，传统数采仪使用的是windows操作系统，功能冗余，系统启动慢，开机至能够开始测试需要近3分钟左右，本发明的装置从开机至能够开始测试只需要30秒左右，可提高数据采集传输的效率。
进一步的，通过设置数据同步模块，能够进一步确保数据的同步性，能够降低因数据同步性差导致的计算结果偏差。
进一步的，考虑到传输控制位等信息，通信速度至少达到100M，才能保证数据链路不会堵塞。
进一步的，电源转换模块设置在传感器板，就近连接于传感器附近，传输距离近，可降低电源受到的变电站电磁干扰。所有传感器共用一个时钟信号，可保证多个传感器严格同步采集，保证了数据采集的准确可靠。使用数字式传感器或模拟传感器就近进行AD转换(通过数字式传感器-调理电路或模拟式传感器-AD模块-调理电路实现)，传输线传输数字信号，可避免模拟信号在变电站中受到电磁干扰，进一步提升采集到的数据在传输过程中的可靠性。
进一步的，通过设置时钟缓冲模块能够使时钟信号更加稳定，可使采样数据更稳定，最终能在一定程度上减少测量误差。
本发明的控制箱内设置有数据采集处理传输装置，数据采集处理传输装置体积小重量轻，能够实现手持式便携采集。
进一步的，主控板适当地倾斜，在可能积水和留存湿气的空间开设排水孔和排气孔，使积水能够快速排除，防止积水处的侵蚀。
附图说明
图1是本发明的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置的连接结构示意框图；
图2是本发明的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置的主控板的结构示意框图；
图3是本发明的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置的传感器板的结构示意框图；
图4是图3中传感器板的数据传输示意框图；
图5是本发明的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置中主控板与传感器板的数据传输示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参考图1和图2，本发明的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，包括：传感器板、现场可编程逻辑阵列FPGA、电源及上位机；电源与主控板通过DC-0005接头连接，电源为主控板提供供电电源，FPGA与上位机相连接。
FPGA包括数据解码模块、数据同步模块、数据处理模块、先入先出存储器FIFO模块和通信模块，数据解码模块通过外部接口与传感器板相连接，数据解码模块接收的数据依次经过数据同步模块、数据处理模块、FIFO模块和通信模块传递给上位机。通过设置数据同步模块，能够进一步确保数据的同步性，能够降低因数据同步性差导致的计算结果偏差。
通信模块通过千兆以太网模块或USB模块实现，通讯速度不小于100兆比特每秒。USB模块由USB驱动电路构成，DMA模块的数据接收端与FIFO模块的数据输出端连接，DMA模块的数据输出端与USB驱动电路连接，采集的数据经USB驱动电路输出到USB从设备。考虑到传输控制位等信息，通信速度至少达到100M，才能保证数据链路不会堵塞。
千兆以太网模块由ARM或FPGA实现。千兆以太网模块包括ARM模块、MAC模块和以太网口；ARM模块包括DMA模块与TCP/IP协议栈，DMA模块的数据接收端与FIFO模块的数据输出端连接，DMA模块的数据输出端与TCP/IP协议栈的数据接收端相连接，TCP/IP协议栈的数据输出端与MAC模块的数据接收端连接，MAC模块的数据输出端通过以太网口与上位机相连接。数据进入FPGAK7控制器中进行阵列数据的解码、数据源同步、协议组帧，并存入高速FIFO，并以中断的形式通知ARM A9控制器。ARM A9控制器使用DMA从FPGAK7中读取组帧数据，并通过TCP/IP协议栈输出。数据经过千兆以太网PHY芯片处理后通过千兆以太网口送往上位机进行数据处理和算法解析。
参考图3至图5，传感器板包括：电源转换模块、时钟缓冲模块、时钟同步模块、信号同步模块、信号调理模块、信号增强模块和若干传感器；电源转换模块的电源输入端与电源连接，电源转换模块的电源输出端与每个传感器的电源接收端连接；时钟缓冲模块的信号接收端与时钟信号连接，时钟缓冲模块的信号输出端与时钟同步模块的信号接收端相连接，时钟同步模块的信号输出端与每个传感器的时钟信号接收端连接；每个传感器采集的信号依次经过信号同步模块、信号调理模块和信号增强模块输入FPGA。具体为：外部接口的时钟经过缓冲、和多路同步后送给传感器，然后对传感器响应的数据进行信号调理、同步、信号增强等，并经过外部接口送给采集板。电源转换模块将外部提供的5V电源转换为内部麦克风即传感器和电路所需的电源。电源转换模块设置在传感器板，就近连接于传感器附近，传输距离近，可降低电源受到的变电站电磁干扰。所有传感器共用一个时钟信号，可保证多个传感器严格同步采集，保证了数据采集的准确可靠。使用数字式传感器或模拟传感器就近进行AD转换(通过数字式传感器-调理电路或模拟式传感器-AD模块-调理电路实现)，传输线传输数字信号，可避免模拟信号在变电站中受到电磁干扰，进一步提升采集到的数据在传输过程中的可靠性。通过设置时钟缓冲模块能够使时钟信号更加稳定，可使采样数据更稳定，最终能在一定程度上减少测量误差。
本发明的变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，在前端进行数字模拟变换，通过数字传输线传输至数据处理中心，数据处理中心中由可编程逻辑阵列进行数据处理，由ARM进行协调控制，并经以太网传输至后端，或通过内置、外置存储器进行本地保存。本发明的变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置专门针对于噪声云图测试装置设计，其无传统数采仪的冗余功能，数据采集传输的可靠性高；可降低成本，本发明装置的成本相较于目前使用数采仪的成本能够降低30％左右；系统开机速度快，数采效率较高，传统数采仪使用的是windows操作系统，功能冗余，系统启动慢，开机至能够开始测试需要近3分钟左右，本发明的装置从开机至能够开始测试只需要30秒左右，可提高数据采集传输的效率。
一种变电站噪声云图测试装置的控制箱，控制箱内设置有主控板，FPGA设置在主控板上。主控板倾斜设置在控制箱内，主控板上设置有防水结构；所述防水结构包括排水孔和排气孔。数据采集处理传输装置的电路板进行防腐蚀处理。本发明的控制箱内设置有数据采集处理传输装置，数据采集处理传输装置体积小重量轻，能够实现手持式便携采集。
避免积水结构：主控板的外型恰当地倾斜，尽量减少孔、槽等，在可能积水和留存湿气的空间开设排水和排气孔，并避免凹凸不平的表面等。使积水能够快速排除，防止积水处的侵蚀。湿度较大的气候环境下，控制箱尽量避免采用点焊、铆接、螺纹紧固等结构形式，优先选用钣金结构或整体浇铸机箱的结构形式，以避免形成缝隙腐蚀，同时在能形成缝隙腐蚀处加以密封处理或加密封衬垫。同一种结构中，如使用了不同类型的金属，则应在其中一种金属上镀涂上允许与第二种金属相接触的金属镀层，或两种金属材料均镀上同一种金属镀层，或在两种金属之间涂绝缘保护层或放置衬垫，此时应兼顾设备的电磁兼容性要求。在有可能产生应力腐蚀裂开的情况下，应注意避免引起应力集中的结构形式，并采取适当的工艺措施消除内应力。最容易发生腐蚀和最大腐蚀部位加厚构件尺寸，通常称为“腐蚀裕度”，一般取预期寿命所需量的两倍。对于易受腐蚀损坏而必须经常维护和更换的零件，应从结构上保证易于维修、更换。添加化学覆盖层。用电化学或化学的方法使结构件表面生产某种化合物而形成覆盖层，以达到抗环境因素影响的目的。在电路板表面进行防腐蚀处理，喷涂特殊的三防漆，保证酸性与盐雾不能直接接触到电路板。
一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输方法，包括以下步骤：
A、传感器板的传感器采集的信号经过模数转换、数据编码后同步传递给FPGA；
B、数据进入FPGA后依次进行数据解码、数据源同步和协议组帧后，存入FIFO模块，并通知通信模块；
C、通信模块从FPGA中读取组帧数据，并传递给上位机。
其中，步骤A中，外部接口的时钟信号经过缓冲和多路同步后送给各个传感器，传感器采集的数据依次进行信号调理、同步和信号增强后传递给FPGA；
电源转换模块将外部提供的电源转换为内部传感器和电路所需的电源。
步骤B中，以中断的形式通知通信模块。
步骤C中，通过以太网或USB传递给上位机。
通信模块可由千兆以太网模块或高速USB模块实现，要求其通讯速度不小于100兆比特每秒，通信模块接到FPGA发送来的中断后接受数据并将数据发送至上位机。通信模块同时可以接收上位机发送来的控制数据，控制数据包括传感器采样率设置，以及电机控制数据，该数据经由通信模块传输至FPGA，FPGA控制传感器以上位机下达的采样率进行采样或控制电机按照上位机要求的转速和方向进行工作。
现有的采集传输方法中，大多将传感器采集到的模拟数据直接由同轴电缆发送给数采主机，模拟信号数据线长2米左右，变电站内电磁环境复杂，信号易受干扰，会影响测量结果的精确性和可靠性；本发明的传输方法中传输的是数字信号，数字信号抗干扰能力强。目前的采集传输方法中，传感器数据进入数采，数采内有上位机，上位机就是一台PC机，可想而知数采很大很重，不方便携带。本发明的FPGA模块很小，使用方便，开机快速，通过千兆以太网传输给上位机，上位机不受限制，可以千兆无线以太网传输给笔记本电脑(笔记本作为上位机)，使用更加便捷，可知本发明的数采传输方法使用更加灵活。
Claims (9)
1.一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，其特征在于，包括：传感器板、FPGA、电源及上位机；
电源与FPGA相连接，FPGA与上位机相连接；
FPGA包括数据解码模块、数据处理模块、FIFO模块和通信模块，数据解码模块通过外部接口与传感器板相连接，数据解码模块接收的数据依次经过数据处理模块、FIFO模块和通信模块传递给上位机。
2.根据权利1要求所述的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，其特征在于，FPGA还构建有数据同步模块；所述数据同步模块设置在数据解码模块和数据处理模块之间。
3.根据权利要求1所述的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，其特征在于，通信模块通过千兆以太网模块或USB模块实现，通讯速度不小于100兆比特每秒。
4.根据权利要求3所述的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，其特征在于，千兆以太网模块由ARM或FPGA实现。
5.根据权利要求3所述的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，其特征在于，千兆以太网模块包括ARM模块、MAC模块和以太网口；
ARM模块包括DMA模块与TCP/IP协议栈，DMA模块的数据接收端与FIFO模块的数据输出端连接，DMA模块的数据输出端与TCP/IP协议栈的数据接收端相连接，TCP/IP协议栈的数据输出端与MAC模块的数据接收端连接，MAC模块的数据输出端通过以太网口与上位机相连接。
6.根据权利要求1所述的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，其特征在于，传感器板包括：电源转换模块、时钟同步模块、信号同步模块、信号调理模块、信号增强模块和若干传感器；
电源转换模块的电源输入端与电源连接，电源转换模块的电源输出端与每个传感器的电源接收端连接；
时钟同步模块的信号输出端与每个传感器的时钟信号接收端连接；
每个传感器采集的信号依次经过信号同步模块、信号调理模块和信号增强模块输入FPGA。
7.根据权利要求6所述的一种变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，其特征在于，传感器板还包括：时钟缓冲模块；时钟缓冲模块的信号接收端与时钟信号连接，时钟缓冲模块的信号输出端与时钟同步模块的信号接收端相连接。
8.一种变电站噪声云图测试装置的控制箱，其特征在于，基于权利要求1至7中任一项所述的变电站噪声云图测试装置的数据采集处理传输装置，控制箱内设置有主控板，FPGA设置在主控板上。
9.根据权利要求8所述的一种变电站噪声云图测试装置的控制箱，其特征在于，主控板倾斜设置在控制箱内，主控板上设置有防水结构；所述防水结构包括排水孔和排气孔。
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