CN109507629A - 一种三相电参数测试装置 - Google Patents

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许晓东
李高峰
彭文敏
白洪超
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/04Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass of instruments for measuring time integral of power or current

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

一种三相电参数测试装置
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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