CN110108965A - 电能质量治理装置采样板测试平台及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种电能质量治理装置采样板测试平台及其测试方法，包括上位机、控制板、测试板和采样板固定检测平台；其中上位机与控制板通信，实现发送测试指令、接收测试数据、分析并显示测试结果、数据管理等人机接口功能；控制板与上位机和测试板连接用于完成测试程序控制和数据的接收、寄存和发送；测试板与控制板和采样板固定检测平台连接，用于为平台供电、提供采样板测试电路，生成采样板输入信号和读取采样板输出信号；采样板固定检测平台用于放置待测采样板，完成测试板与采样板的电气连接，提供通信及数据传输通道。本发明能够实现采样板的全程序自动测试和数据管理。

Description

电能质量治理装置采样板测试平台及其测试方法

技术领域

本发明涉及电力电子装置测试平台，具体涉及一种电能质量治理装置采样板测试平台及其测试方法。

背景技术

目前，电能质量综合治理优化装置已发展成一种智能化新型电力电子装置，采用高效的电力电子拓扑结构和先进的全数字控制技术，主要用来动态补偿系统无功电流、谐波电流及不平衡电流。

随着电能质量综合治理优化装置市场需求量的大大增加，生产企业需要量产装置模块内部的电路板。为了保证模块出厂质量，需要设计开发一种用于电能质量治理装置采样板的测试平台，用于验证所生产的采样板的工作电源，交流电流、电压采样和通信等功能是否正常，采样精度是否满足电力行业标准的要求。

现有技术中的采样板测试平台，通常采用上位机串口发送测试指令后，接收采样板测试信号回发同步进行的测试机制，由于串口通信速度与采样板A/D(模数转换)速度、数据宽度及收发速率的不匹配，当采样板多个采样通道、不同类型的采样点数较多时，极易造成数据接收的混乱和异常，现有技术未能提供测试数据收发的相应管理方案和技术方案。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：设计提供一种电能质量治理装置采样板测试平台及其测试方法，实现采样板的全程序自动采样和数据管理，提高测试的可靠性，大幅度降低故障排查时间，提高测试效率。

本发明的技术方案是：

一种电能质量治理装置采样板测试平台，其特征在于，包括：上位机、控制板、测试板和采样板固定检测平台；

上位机，与控制板通信，实现发送测试指令、接收测试数据、分析并显示测试结果、数据管理等人机接口功能；

控制板，与上位机和测试板连接，用于完成测试程序控制和数据的接收、寄存和发送；

测试板，与控制板和采样板固定检测平台连接，用于为平台供电、提供采样板测试电路，生成采样板输入信号和读取采样板输出信号；

采样板固定检测平台，用于放置待测试电能质量治理装置采样板，完成测试板与采样板的电气连接，提供通信及数据传输通道；

所述控制板，包括控制程序模块、A/D模块、数据存储模块、接口电路和数字时钟模块，所述A/D模块、数据存储模块、接口电路和数字时钟模块分别同控制程序模块连接，其中：

所述控制程序模块，一是接收上位机指令，控制测试流程，二是控制测试板完成相应测试功能；三是接收、寄存测试数据，按照预设格式向上位机发送数据；

所述A/D模块，用于将采样板上各电源测试点的直流电压和纹波转换为数字采样信号，用于数据分析判断采样板电路是否接通正常工作，以及将测试板生成的交流参考波形转换为数字采样信号，用于采样板A/D通道的采样功能、精度判断；

所述数据存储模块，包括电源信号采样存储FIFO、交流信号采样存储FIFO、交流参考波形采样存储FIFO和通信及数字量采样存储FIFO，分别用于电源信号测试数据、交流信号测试数据、交流参考波形数据、通信及数字量测试数据的寄存；

所述接口电路，用于测试板和控制板之间的电路接口和数据通道切换；

所述数字时钟模块，用于生成控制程序模块所需要的一系列采样频率时钟；

所述测试板，包括供电电路、电源电压纹波测试电路、交流信号采样测试电路、通信及数字量测试电路，其中：

所述供电电路，接受外部输入交流220V供电电源，输出提供平台各电路、芯片的供电以及测试用交流低电压信号；

所述电源电压纹波测试电路，用于采样板上各电源测试点模拟量信号的采集处理；采样数据经过连接电路至控制板A/D模块，将电源电压及纹波信号转换为数字采样信号，寄存到电源信号采样存储FIFO；

所述交流信号采样测试电路，用于提供采样板上源侧电流、补偿电流、源侧电压采样A/D通道的交流电压、电流输入信号、生成交流参考正弦波信号及其电路连接；交流信号采样数据经过连接电路至控制板数据存储模块中对应的存储FIFO芯片寄存；

所述通信及数字量测试电路，用于提供采样板上数字量输入和输出通道的输入测试信号和接收输出测试信号及其电路连接，通信及数字量通道采样数据经过连接电路至控制板数据存储模块中的通信及数字量采样存储FIFO芯片寄存。

一种电能质量治理装置采样板测试平台测试方法，其特征在于，包括：

步骤1、上位机发送通信指令；

步骤2、控制板控制程序模块接收指令，回发指令，确认通信正常；

步骤3、上位机发送测试指令；

步骤4、控制板控制程序模块接收指令，译码产生控制信号，使能相应测试模块；

步骤5、测试模块执行测试，测试数据存入相应控制板数据存储模块；

步骤6、控制板收到测试结束信号，向上位机回发测试数据；

步骤7、继续步骤3至步骤6循环测试，直到完成通信协议预设全部测试项目；

步骤8、上位机生成数据表格，分析判断、显示测试结果。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

(1)提供一种电能质量治理装置采样板测试平台及其测试方法，能够实现对采样板的全程序测试，提高测试的可靠性，大幅度降低故障排查时间，提高测试效率。

(2)能够实现对电能质量治理装置采样板预设测试项目和测试点的自动测试，通过数据回传上位机实现对采样板测试数据的管理。

(3)通过使用数据寄存FIFO，解决了一端为A/D板数据采集，另一端为上位机串口通信两个不同时钟域之间的数据宽度及数据传输匹配问题。

附图说明

图1为本发明电能质量治理装置采样板测试平台实施例的电路框图；

图2为本发明电能质量治理装置采样板测试平台实施例通信及数据流程示意图；

图3为本发明电能质量治理装置采样板测试方法实施例的测试简要流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明设计提供一种电能质量治理装置采样板测试平台及其测试方法，用于实现数据的全程序自动测试和数据管理。

参照图1，本发明实施例的电能质量治理装置采样板测试平台，包括：上位机、控制板、测试板和采样板固定检测平台；其中上位机连接控制板，与控制板通信实现控制程序模块中控制程序的升级、参数设置及测试数据分析、发送测试指令、接收测试数据、分析并显示测试结果、测试数据管理等人机接口功能；控制板与上位机和测试板连接，用于接收上位机测试指令，完成程序控制和数据的接收、存储和发送；测试板与控制板和采样板固定检测平台连接，用于为平台供电、提供采样板测试电路，生成采样板输入信号和读取采样板输出信号；采样板固定检测平台，用于放置待测试电能质量治理装置采样板，完成测试板与采样板的电气连接，提供通信及数据传输通道。

具体地，本实施例的控制板包括控制程序模块、A/D模块、数据存储模块、接口电路和数字时钟模块，A/D模块、数据存储模块、接口电路和数字时钟模块分别同控制程序模块连接，其中：

(1)控制程序模块，包括FPGA(现场可编程门阵列)芯片及其基本工作电路、接口电路和串口电路组成,具体地，本实施例采用一款XC6SLX4-3TQG144I芯片，内嵌电源及交流信号采样测试模块驱动程序和通信口及数字I/O测试模块驱动程序，利用其I/O端口，通过使能信号控制A/D模块、数据存储模块及接口电路，通过串口通讯方式和上位机通信，一是完成接收上位机指令，控制测试流程，二是控制测试板完成相应测试功能；三是接收、存储测试数据，按照预设格式向上位机发送数据。本实施例利用FPGA芯片丰富的资源为控制板A/D模块及采样板每个A/D通道配置独立的驱动程序，避免了复用程序带来的大量译码电路，支持同步采样。其中，因交、直流采样需要完成的功能基本一致，因此电源及交流信号采样测试共用一个驱动程序模块，通过译码产生相关信号予以区别。

(2)A/D模块，包括ADC芯片和基本工作电路，具体地，本实施例采用一款高速12位ADC模块，用于将采样板上各电源测试点的电压、纹波转换为数字采样信号，用于数据分析判断采样板电路是否接通正常工作、纹波大小，以及将测试板生成的交流参考波形信号转换为数字采样信号，用来作为采样板A/D通道的采样功能、精度判断；

(3)数据存储模块，包括电源信号采样存储FIFO、交流信号采样存储FIFO、交流参考波形采样存储FIFO和通信及数字量采样存储FIFO，分别用于电源信号测试数据、交流信号测试数据、交流参考波形数据、通信及数字量测试数据的寄存。鉴于现有技术采用上位机串口发送测试指令后同步接收采样板测试信号回发的测试机制，由于串口通信速度与采样板A/D(模数转换)速度、数据收发速率的不匹配，当采样板多个采样通道、不同类型的采样点数较多时，极易造成数据接收的混乱和异常，本发明提供的测试平台技术方案及测试方案中，采样存储没有采用采样与回发同步进行的机制，而是对采样数据进行预存储的方式，即每个测试项目测试点完成测试后，先将存储器写满后结束存储，然后再读储存器回发数据。存储器的选择使用同步FIFO而不是使用RAM，因为如果使用RAM，则需要增加地址产生电路，本发明的测试方案采样存储数据只需要完全回发上位机而无需变址寻址RAM，因此使用FIFO可以节省地址产生电路，FIFO自动完成读写操作后的地址增减，同时使用FIFO的Full信号作为采样完成标志，Empty作为数据已完全发往上位机的标志，有利于程序的简化。具体地，本实施例的直流采样存储器使用深度1024、宽度为12位的FIFO芯片，1024个采样值全部有效发送上位机；交流信号及交流参考波形采样存储分别各使用一个深度为256，宽度为12位的FIFO芯片，但回发上位机的实际有效采样个数各为255个采样值，因此设计在上位机中将接收到的无效数据屏蔽即可；通信及数字量测试采样存储器FIFO芯片设计宽度8位，深度按照采样数据寄存量选取，本实施例选取数据data1-data5。交流信号及交流参考信号均为工频正弦波，因此需要能够采样到一个工频周期20ms时间内的波形。本实施例中A/D模块完成一次采样转换时间约为1.9μs，交流信号采样存储FIFO容量为256，A/D模块转换每完成40次存储一次，256点实际对应的采样时间约19.5ms,大致为1个工频周期。

(4)接口电路，用于测试板和控制板之间的电路连接和数据通道切换,具体地，本实施例选用受FPGA控制的HPC FMC接口模块和继电器开关阵列，FPGA使能信号通过HPC FMC接口模块控制开关阵列，实现采样板与控制板A/D模块、数据存储模块、FPGA之间的数据通道切换。具体参照图2本发明实施例通信及数据流程示意图。

(5)数字时钟模块，用于生成控制程序模块所需要的一系列采样频率时钟。具体地，本实施例选用基于Xilinx FPGA中内嵌的数字时钟管理DCM模块建立可靠的系统时钟。

进一步地，本实施例的测试板，包括供电电路、电源电压纹波测试电路、交流信号采样测试电路、通信及数字量测试电路，其中：

(1)供电电路，接受外部输入交流220V供电电源，输出提供采样板、控制板各电路、芯片的供电包括3.3V、±8V、+5VS电路及内部电源包括5V、12V、24V等，以及测试用交流电压、电流信号；

(2)电源电压纹波测试电路，用于采样板上各电源测试点±8V、+5VA、+5VS信号的采集处理，具体地，上位机0x10系列测试指令使能控制板FPGA中电源信号采样测试程序模块，根据FPGA指令，本实施例将采集信号幅值比例调整到接近5V、电压纹波信号放大101倍后，经过接口电路切换数据通道至控制板A/D模块，将电源电压及纹波信号转换为数字采样信号，寄存到电源信号采样存储FIFO；

(3)交流信号采样测试电路，用于提供采样板上源侧电流、补偿电流、源侧电压采样A/D通道的交流电压、电流输入信号、生成交流参考正弦波形信号及其电路连接。交流电流测试要求电路输出2A正弦波形电流信号，送入被测采样板A/D通道，具体地，上位机0x20系列测试指令使能控制板FPGA中交流信号采样测试程序模块，根据FPGA指令，本实施例将采样板六路交流电流A/D通道(三相源侧电流、三相补偿电流)被测电流信号串联，被测电流正负端接入一个由220V-5V变压器(50Hz)输出的交流低电压，串联2.5欧姆电阻来实现2A正弦波形电流信号的输入；对于交流电压测试要求电路输出220V交流电压，本实施例将采样板源侧电压三相并联，接入供电电路输入220V交流电压，引入的220V交流电后接一个继电器，开关由控制板FPGA控制，当交流信号采样测试程序模块被使能时，控制继电器开通，为避免测试板电路板串联电阻发热严重，不适宜交流220V长时间接入，测试项目结束后同步控制继电器关闭；被测采样板上源侧电流、补偿电流、源侧电压采样A/D通道的输出分别通过连接电路切换数据通道至数据存储模块中的交流信号采样存储FIFO芯片寄存；交流参考正弦波形信号的生成均采用现有技术，以满足可通过接口电路送到控制板A/D模块的输入端进行交流电压、电流采样，A/D转换后的参考波形采样值则送至交流参考波形采样存储FIFO寄存；

(4)通信及数字量测试电路，用于提供采样板上数字量输入和输出通道的输入测试信号和接收输出测试信号及其电路连接。FPGA内部为被测采样板2个232通讯口和2个485通讯口及4个数字量I/O通道配置的驱动程序采用并行机制，利用FPGA计数器的时序节拍，完成测试使能、通信及数字量测试电路工作、各自测试结束后测试数据寄存、FPGA数据发送上位机等功能。具体地，上位机0x30测试指令使能控制板FPGA中通信口及数字I/O测试程序模块，根据FPGA指令，232通讯口、485通讯口以及数字量I/O测试同步进行，该设计有利于精简命令空间，简化驱动程序。为了测试准确，使用0x00、0x55、0xAA、0xFF作为测试数据，先测试232com1发数据，232com2收数据，得到测试数据data1，然后测试232com2发数据，232com1收数据，得到测试数据data2；485通讯口测试同232通讯口测试，得到测试数据data3、data4。数字量I/O测试方案：数字输出通道先发“0000”，利用数字量测试电路配置，延时反相后输入数字输入通道“1111”，然后再将下一数字输出通道发出的“1111”，延时反相读入另一数字输入通道，测试该读入数据应该为“0000”，然后这两个四位数拼接成0xF0,如果数字通道有异常，则测试数据不是0xF0，从而得到测试数据data5；采样板通信及数字量通道测试完成后测试数据data1-data5通过接口电路切换数据通道至通信及数字量采样存储FIFO芯片寄存。

本发明实施例提供的技术方案，将电能质量治理装置采样板放入采样板固定检测平台后，采样板和测试平台完成电气连接，提供采样板正常工作条件、外围测试电路、通信及数据传输通道。上位机发出测试指令，控制板内部程序控制测试板按照预设测试项目和测试点，自动完成采样板供电、通信及采样通道等功能测试，通过数据回传上位机，分析并显示测试结果，以预定格式将数据存储在Excel文件中，从而实现对采样板测试数据的管理。

参照图2，本发明电能质量治理装置采样板测试平台实施例的通信及数据流程示意图。

(1)上位机和控制板之间的通讯协议设计。

平台整个测试流程由FPGA和上位机的通讯协议而定，通讯协议的一个实施例如表1、表2所示。

表1：基本通讯协议

物理层协议	RS232
		波特率	115200bps
校验方式	无校验
		数据位宽	8bits
命令字长度	单字节

表2：指令含义、测试项目及回发测试数据

(2)控制程序主控机制

FPGA响应上位机的机制是单指令响应，即只对最近一次的新指令响应，响应后，立即擦除接收新指令标志信号；在测试过程中，FPGA不再响应上位机指令。FPGA响应指令后进入译码状态，译码产生相应的控制信号，使能控制板和测试板上相应的测试模块和电路，被使能的测试模块测试结束后，数据寄存相应的存储FIFO，其满/空标志被作为FPGA的控制值(Full信号作为采样完成标志，Empty作为数据已完全发往上位机的标志)。FPGA接到测试已完成信号后，控制状态机进入回发数据状态，根据当前响应的指令，确定回发上位机的数据类型，逐一将测试寄存数据回发上位机。

具体测试时，将待测的电能质量治理装置采样板放入采样板固定检测平台，打开电源，供电电路工作，平台上电。打开上位机，选择串口通讯地址和格式，与控制板建立连接，上位机发送连接测试指令0x77(通过该指令确认FPGA与上位机通信是否正常)，FPGA接收到上位机连接测试命令后，原样回发0x77后进入空闲状态，开始接收测试指令。根据接收到的上位机指令，译码产生控制信号，使能相应测试模块，控制测试过程并使能接口电路将测试板各测试电路输出数据连接到控制板A/D模块输入数据端口(采样板直流电源和交流参考波形采样数据先进行A/D模块转换后再寄存)或对应的数据存储FIFO端口(采样板交流电流、电压采样数据及通信和数字量采样数据寄存)。

(3)FPGA控制回发直流电源采样值

先回发指令头如0x10，然后读直流采样存储FIFO，每个采样值读出的12位数据拆分成两个字节，高六位前拼接“10”，低六位前拼接“01”，分别先后写入串口，先发送高六位再发送低六位。

(4)FPGA控制回发交流信号采样值

被测采样板A/D正常时，先回发指令头如0x20，然后读参考波形存储器FIFO，直到将参考波形存储器FIFO的数据读空发往上位机后，开始读交流采样存储器FIFO，直到读空该存储器。交流信号每个采样值也是12位宽，发数时，数据拆分方法同直流电源数据回发。

(5)FPGA控制回发通讯口及数字量I/O测试数据

回发数据包括：命令头0x30+232com1发数据+232com2发数据+485发数据+485收数据+数字量I/0测试数据。

本发明电能质量治理装置采样板测试方法实施例的测试简要流程框图参照图3，包括：

步骤1、上位机发送通信指令；

步骤2、控制板控制程序模块接收指令，回发指令，确认通信正常；

步骤3、上位机发送测试指令；

步骤4、控制板控制程序模块接收指令，译码产生控制信号，使能相应测试模块；

步骤5、测试模块执行测试，测试数据存入相应控制板数据存储模块；

步骤6、控制板收到测试结束信号，向上位机回发测试数据；

步骤7、继续步骤3至步骤6循环测试，直到完成通信协议预设全部测试项目；

步骤8、上位机生成数据表格，分析判断、显示测试结果。

综上，本发明实施例提供的技术方案，能够实现对电能质量治理装置采样板预设测试项目和测试点的自动测试，通过数据回传上位机实现对采样板测试数据的管理，更进一步地，通过使用数据寄存FIFO，解决了一端为A/D板数据采集，另一端为上位机串口通信两个不同时钟域之间的数据传输匹配问题。

Claims (2)

1.一种电能质量治理装置采样板测试平台，其特征在于，包括：上位机、控制板、测试板和采样板固定检测平台；

上位机，与控制板通信，实现发送测试指令、接收测试数据、分析并显示测试结果、数据管理等人机接口功能；

控制板，与上位机和测试板连接，用于完成测试程序控制和数据的接收、寄存和发送；

测试板，与控制板和采样板固定检测平台连接，用于为平台供电、提供采样板测试电路，生成采样板输入信号和读取采样板输出信号；

采样板固定检测平台，用于放置待测试电能质量治理装置采样板，完成测试板与采样板的电气连接，提供通信及数据传输通道；

所述控制板，包括控制程序模块、A/D模块、数据存储模块、接口电路和数字时钟模块，所述A/D模块、数据存储模块、接口电路和数字时钟模块分别同控制程序模块连接，其中：

所述控制程序模块，一是接收上位机指令，控制测试流程，二是控制测试板完成相应测试功能；三是接收、寄存测试数据，按照预设格式向上位机发送数据；

所述A/D模块，用于将采样板上各电源测试点的直流电压和纹波转换为数字采样信号，用于数据分析判断采样板电路是否接通正常工作，以及将测试板生成的交流参考波形转换为数字采样信号，用于采样板A/D通道的采样功能、精度比较判断；

所述数据存储模块，包括电源信号采样存储FIFO、交流信号采样存储FIFO、交流参考波形采样存储FIFO和通信及数字量采样存储FIFO，分别用于电源信号测试数据、交流信号测试数据、交流参考波形数据、通信及数字量测试数据的寄存；

所述接口电路，用于测试板和控制板之间的电路接口和数据通道切换；

所述数字时钟模块，用于生成控制程序模块所需要的一系列采样频率时钟；

所述测试板，包括供电电路、电源电压纹波测试电路、交流信号采样测试电路、通信及数字量测试电路，其中：

所述供电电路，接受外部输入交流220V供电电源，输出提供平台各电路、芯片的供电以及测试用交流低电压信号；

所述电源电压纹波测试电路，用于采样板上各电源测试点模拟量信号的采集处理；采样数据经过连接电路至控制板A/D模块，将电源电压及纹波信号转换为数字采样信号，寄存到电源信号采样存储FIFO；

所述交流信号采样测试电路，用于提供采样板上源侧电流、补偿电流、源侧电压采样A/D通道的交流电压、电流输入信号、生成交流参考正弦波信号及其电路连接；交流信号采样数据经过连接电路至控制板数据存储模块中对应的存储FIFO芯片寄存；

所述通信及数字量测试电路，用于提供采样板上数字量输入和输出通道的输入测试信号和接收输出测试信号及其电路连接，通信及数字量通道采样数据经过连接电路至控制板数据存储模块中的通信及数字量采样存储FIFO芯片寄存。

2.根据权利要求1所述的电能质量治理装置采样板测试平台的测试方法，其特征在于，包括：

步骤1、上位机发送通信指令；

步骤2、控制板控制程序模块接收指令，回发指令，确认通信正常；

步骤3、上位机发送测试指令；

步骤4、控制板控制程序模块接收指令，译码产生控制信号，使能相应测试模块；

步骤5、测试模块执行测试，测试数据存入相应控制板数据存储模块；

步骤6、控制板收到测试结束信号，向上位机回发测试数据；

步骤7、继续步骤3至步骤6循环测试，直到完成通信协议预设全部测试项目；

步骤8、上位机生成数据表格，分析判断、显示测试结果。