CN109507629A - 一种三相电参数测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种三相电参数测试装置，包括：MCU模块、FPGA模块及测量卡模块；MCU模块包括微处理器模块及与其双向通信的人机接口模块、双向并口总线模块；测量卡模块包括三个测量卡；所述的FPGA模块包括指令双口RAM模块、指令解析模块、计算周期定时器模块、ADC周期定时器模块、换挡控制模块、频率源选择模块、频率计算模块、ADC控制模块、ADC计算模块、数据转存模块、数据双口RAM模块；本发明完成了多通道数据采集工作在保证精度的同时实现三相同步，提高了在同一时刻的电压、电流采样的同步性、稳定性，在提高单位周期采样点数的同时，提高了高频信号采样的灵敏性，对百K级高频信号以及畸形信号具有更强的处理能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力测试装置，具体涉及一种三相电参数测试装置。
背景技术
随着三相设备的日益发展，人们对三相测试的需求也在不断增加，尤其是在三相电机、三相家电领域，生产厂商对自家产品的效率测试(输入功率与输出功率比值)更加重视，而效率测试就不仅要做到各相测试的数据精度达到标准，也要尽可能的保证各通道同步采样，即三相测试数据尽可能为同一采样周期数据，我们称之为三相同步测试，就对功率测试模块的数字系统提出了更高的要求，如何在保持高速同步的同时，保持采样的精度是本设计要解决的技术问题。过去我们常采用DSP作为核心控制，DSP的优势是具有较强的数字信号处理能力及算法，非常适合进行数据计算与处理，该方案主要应用于三相电参数测试的数字控制系统中，系统架构如图1所示，人机交互与数据采集均由独立DSP负责处理，控制卡中小型FPGA为DSP间数据交流提供介质，信号通过采集卡进行AD转换，数据在控制卡进行简单计算，上传主板DSP数据整理及人机交互。
该测试系统结构主要存在如下缺点：
(1)内部容量有限，一块不足以支持三相所有数据的计算，所以无法单核完成多通道数据采集工作，为了不牺牲精度，只能使用上图所示1拖3模式，这样就无法做到完全的三相同步，也增加了数字系统的耦合性；
(2)受到时钟约束，时序控制能力较弱，仅能支持最高100kHz的信号、频率采样。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在以解决三相同步测试问题为前提，在此基础上保证高采样速度及精度，设计了一种三相电参数测试装置。
为解决上述问题，本申请所采取的技术方案为：一种三相电参数测试装置，包括：MCU模块、FPGA模块及测量卡模块；
MCU模块主要负责人机交互、外设接口配置及数据的二次处理；FPGA模块为整个系统最主要的数据采集模块，负责完成数据采集、数据累加和计算、采集卡档位硬件控制等工作；测量卡模块：主要负责硬件档位切换，模拟信号采集，AD转换。
所述的MCU模块包括微处理器模块及与其双向通信的人机接口模块、双向并口总线模块；
所述的测量卡模块包括三个测量卡；
所述的FPGA模块包括指令双口RAM模块、指令解析模块、计算周期定时器模块、ADC周期定时器模块、换挡控制模块、频率源选择模块、频率计算模块、ADC控制模块、ADC计算模块、数据转存模块、数据双口RAM模块；
双向并口总线模块经指令双口RAM模块连接指令解析模块，指令解析模块连接计算周期定时器模块、ADC周期定时器模块、换挡控制模块、频率源选择模块；
指令双口RAM模块负责接收微处理器模块下发的控制指令，例如，硬件换档，滤波开启。指令解析模块将指令双口RAM模块接收到的内容解析成具体功能信息下发至对应功能模块，例如：
(1)计算周期定时器的周期选择：1s，0.5s，0.1s；
(2)ADC周期定时器模块的频率设定：183.823kHz，189.394kHz，195.313kHz，Auto；
(3)换挡控制模块的档位信息：电压档、电流档；
(4)频率源模块的选择：一通道电压、一通道电流、二通道电压、二通道电流、三通道电压、三通道电流。
计算周期定时器模块连接ADC周期定时器模块、频率计算模块、ADC计算模块、数据转存模块、微处理器模块；
计算周期定时器模块根据所设置计算周期计时，每当计时完成时，直接生成IO中断信号作用于微处理器模块，微处理器模块根据该信号进行数据计算与更新；同时通知FPGA模块中的ADC周期定时器模块、频率计算模块、ADC计算模块、数据转存模块周期结束信息，各模块会进行复位及数据刷新。
ADC周期定时器模块连接ADC控制模块；换挡控制模块、频率源选择模块、ADC控制模块均与三个测量卡连接，频率源选择模块经频率计算模块连接至数据转存模块，ADC控制模块经ADC计算模块连接至数据转存模块，数据转存模块经数据双口RAM模块连接至双向并口总线模块。
换挡控制模块根据接收到的指令解析模块的指令信息，进行真值转换，通过SPI接口将档位信息同时下发至三个通道的测量卡档位控制芯片；
频率源选择模块根据接收到的指令解析模块的指令信息，进行频率源选择；频率计算模块根据信号脉冲计数、计算周期对频率信号进行计算，结果存储至数据转存模块；
ADC周期定时器模块根据接收到的指令解析模块下发的指令信息，生成200KHZ左右的ADC采样节拍，ADC控制模块根据ADC周期定时器模块给定的ADC采样节拍信号，同时控制三通道的6路ADC(每通道含一路电压、一路电流)进行数据采集，并将采样数据同时上传至ADC计算模块，将三相原始数据进行累加处理，并将数据存入数据转存模块；
数据转存模块对频率计算模块、ADC计算模块上传的数据进行分配，首先在RAM区分配不同的存储单元，识别不同模块上传的数据转存至对应的存储单元；数据双口RAM模块为MCU模块与FPGA模块之间数据交互的媒介，存储FPGA模块处理完成的半成品数据等待MCU模块提取。
优选的，所述的MCU模块中微处理器模块采用STM32F407模块。FPGA模块使用微处理器是XC65LX45。
STM32F407模块+FPGA平台有效整合了两部分核心优势，STM32F407模块具有丰富的外设接口和可以同时处理数字的能力；FPGA则具有高速的采样速度与庞大的数据处理能力，两者彼此互补，相辅相成，既保证同步测试，又保证了测试精度，STM32F407模块中搭载FreeRTOS系统，FPGA使用封装好的Verilog模块，模块化完善，对于后期的升级来说具有良好的可维护性和可移植性。
本发明完成了多通道数据采集工作，保证了精度且实现完全的三相同步；提高了时序控制能力，能够支持200kHz的信号、频率采样。
本发明完成了多通道数据采集工作：1、在保证精度的同时实现三相同步，大大提高了在同一时刻的电压、电流采样的同步性、稳定性，削弱了由于数字系统的时序误差而引入的测试误差，进而保证了瞬时三相参数的测试精度；2、提高了时序控制能力，采用最高200kHz的混频采样技术，在提高单位周期采样点数的同时，提高了高频信号采样的灵敏性，对百K级高频信号以及畸形信号具有更强的处理能力。
附图说明
图1为现有的三相测试系统示意图；
图2为本发明三相测试系统示意图。
具体实施方式
一种三相电参数测试装置，包括：MCU模块、FPGA模块及测量卡模块；所述的MCU模块包括微处理器模块及与其双向通信的人机接口模块、双向并口总线模块；所述的微处理器模块采用STM32F407模块。
所述的测量卡模块包括三个测量卡；
所述的FPGA模块包括指令双口RAM模块1、指令解析模块2、计算周期定时器模块3、ADC周期定时器模块4、换挡控制模块5、频率源选择模块6、频率计算模块7、ADC控制模块8、ADC计算模块9、数据转存模块10、数据双口RAM模块11；
双向并口总线模块经指令双口RAM模块1连接指令解析模块2；
指令解析模块2连接计算周期定时器模块3、ADC周期定时器模块4、换挡控制模块5、频率源选择模块6；
计算周期定时器模块3连接ADC周期定时器模块4、频率计算模块7、ADC计算模块9、数据转存模块10、微处理器模块；
ADC周期定时器模块4连接ADC控制模块8；
换挡控制模块5、频率源选择模块6、ADC控制模块8均与三个测量卡连接，频率源选择模块6经频率计算模块7连接至数据转存模块10，ADC控制模块8经ADC计算模块9连接至数据转存模块10，数据转存模块10经数据双口RAM模块11连接至双向并口总线模块。
Claims (2)
1.一种三相电参数测试装置，其特征在于包括：MCU模块、FPGA模块及测量卡模块；
所述的MCU模块包括微处理器模块及与其双向通信的人机接口模块、双向并口总线模块；
所述的测量卡模块包括三个测量卡；
所述的FPGA模块包括指令双口RAM模块(1)、指令解析模块(2)、计算周期定时器模块(3)、ADC周期定时器模块(4)、换挡控制模块(5)、频率源选择模块(6)、频率计算模块(7)、ADC控制模块(8)、ADC计算模块(9)、数据转存模块(10)、数据双口RAM模块(11)；
双向并口总线模块经指令双口RAM模块(1)连接指令解析模块(2)；指令解析模块(2)连接计算周期定时器模块(3)、ADC周期定时器模块(4)、换挡控制模块(5)、频率源选择模块(6)；
计算周期定时器模块(3)连接ADC周期定时器模块(4)、频率计算模块(7)、ADC计算模块(9)、数据转存模块(10)、微处理器模块；
ADC周期定时器模块(4)连接ADC控制模块(8)；
换挡控制模块(5)、频率源选择模块(6)、ADC控制模块(8)均与三个测量卡连接，频率源选择模块(6)经频率计算模块(7)连接至数据转存模块(10)，ADC控制模块(8)经ADC计算模块(9)连接至数据转存模块(10)，数据转存模块(10)经数据双口RAM模块(11)连接至双向并口总线模块。
2.根据权利要求1所述的三相电参数测试装置，其特征在于，MCU模块中微处理器模块采用STM32F407模块。
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