CN112362960A - 一种电参数高速高精度大动态范围测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电参数高速高精度大动态范围测量系统及方法，包括模拟和数字两大部分。模拟部分包括三个通道，电压传感器信号调理通道、电流传感器调理通道以及功率测量通道。其中电压传感器调理通道和电流传感器调理通道结构基本相同分为前置调理电路、低通滤波器、程控放大器、采样保持器、抗混叠滤波器和高速AD转换器。该方法可以实现电压、电流和功率信号的高速、高精度和稳定测量，系统可靠，连线较少。
Description
技术领域
本发明涉及电参数测量领域，尤其涉及在直流电压供电系统中需要对电压、电流和功率等电参数进行高速高精度大动态范围测量系统及方法。
背景技术
在大功率电池、超级电容等大容量电能存储系统及其应用和测试场所中，需要对其电压、电流和功率等电参数进行快速、高精度测量。但这些系统运行工况十分复杂，时刻面临着剧烈的充放电行为，并且瞬时功率巨大；电机负载会给电流带来复杂的谐波；开关、继电器等给电流和电压带来给在瞬态扰动；各种能量回收系统会使功率流动的方向时刻可能发生变化；负载的突然性和大功率特性，使得输出功率面临着短时间内大动态范围的变化等等，这些特性要求在微秒级内对其电参数在大动态范围进行高精度测量。
为了提高测量精度，现有的方法有两三种，一种是采用AD转换器进行多次测量，然后进行滤波处理，这种方法可以在一定条件下获得较高的精度，只适合测量时间要求不高的场合
第二种方法是采用精度很高的高速AD转换器，转换后进行滤波处理，但高速高精度AD转换器成本较高，对电路环境要求较高，对AD转换器的前置处理电路要求较高，并且在信号输入较小时存在很大的噪声干扰。
第三种方法是采用量程转换，即对不同幅值的信号采用不同的量程，把信号幅值放大到适合AD转换的最佳要求，测量系统先预测量出输入信号的大小，后根据预测量值选择合适的量程，转换结果和量程相乘即得到实际值。现有的量程转换一般采用CPU进行控制，多通道测量时，测量的时间较长。
现有的功率测量方法一般采用模拟乘法器法和数字乘法器法。模拟乘法器法是采用模拟乘法器把模拟电压信号和电流信号进行相乘，然后进行AD转换，这种方法可以获得很高的精度，但高速模拟乘法器成本较高，应用电路较为复杂。数字乘法器法是把采用到的电压、电流数字值在CPU中直接进行相乘，这种方法速度快，但电压、电流信号数字量化误差进行相乘后会带来较大的误差。
发明内容
本发明就是为了解决上述技术问题而完成的。鉴于以上现有技术的不足，本发明采用片上系统（SOPC），利用FPGA完成量程的自动识别和控制，完成测量结果的数字滤波，并把测量结果暂存于FIFO中，CPU通过并行总线完成FIFO数据的读取和最后的数据处理，本发明充分发挥FPGA的高速并行处理能力以及CPU的大容量数据处理能力，完成电参数的高速高精度在大动态范围内的测量。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，其特征在于，数据采集单元和数据处理单元，其中，
数据采集单元包括
电压传感器信号调理通道：用于变换电压传感器输出信号使其达到AD转换芯片需求；
电流传感器调理通道：用于变换电流传感器输出信号使其达到AD转换芯片需求；
功率测量通道：用于对调理后的电压和电流信号进行运算变换得到瞬时功率。
数据处理单元包括
FPGA接口控制模块：同时与电压传感器信号调理通道、电流传感器调理通道以及功率测量通道连接，用于数据采集单元AD、DA转换器的控制和读写；
量程识别与控制模块：与FPGA接口控制模块连接，用于判断输入信号大小并选择合适的量程；
FIFO及读写控制模块：与量程识别与控制模块连接，用于暂存经过初步处理的测量数据；
指令收发控制模块：与CPU总线连接，用于CPU控制系统的采集以及数据的读取；
CPU总线：采用并行方式，用于CPU和FPGA系统进行数据传输
CPU系统：用于整个系统的控制和数据的最终处理、存储和输出。
在上述的一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，电压传感器信号调理通道包括依次连接的
精密分压电路：直接和被测点相连，用于获取设定的电压；
前置调理电路：用于和分压电路输出接口，抑制输入共模干扰，并预放大输入信号；
低通滤波器：用于滤掉输入信号中的高频分量；
程控放大器：用于对输入信号进行程控放大；
采样保持器：用于保证采样期间输入信号不变，并保证不同通道采样时刻的一致性；
抗混叠滤波器：用于滤掉高于采样频率的干扰信号；
高速AD转换器：用于把输入模拟信号量化成数字信号。
在上述的一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，电流传感器调理通道包括依次连接的
串联精密电阻：直接和被测点相连，将电流传感器输出的电流信号转换为电压信号；
前置调理电路：用于抑制输入共模干扰，并预放大输入信号；
低通滤波器：用于滤掉输入信号中的高频分量；
程控放大器：用于对输入信号进行程控放大；
采样保持器：用于保证采样期间输入信号不变，并保证不同通道采样时刻的一致性；
抗混叠滤波器：用于滤掉高于采样频率的干扰信号；
高速AD转换器：用于把输入模拟信号量化成数字信号。
在上述的一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，功率采集通道包括依次连接的
DA转换器：用于完成数字电压信号和模拟电流信号的乘积功能；
高速AD转换器：用于对模拟功率信号进行数字量化。
在上述的一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，量程识别与控制模块包括
高速AD转换芯片控制模块：用于对高速AD转换芯片的转换、数据读取进行控制；
触发数据选择模块：用于在采样触发的上升沿到来时，根据预采样的电流和电压数据选择并锁定合适的量程，同时根据该量程控制程控放大器的放大倍数；
数据缓存模块：用于暂存两次采样间隔期间采样到的数据；
数字滤波器：用于对采样到的数据进行滤波；
触发延时模块：用于采样触发信号进行延时，确保在程控放大器稳定后进行AD采集；
采样计数模块：用于计数每个采样触发信号到来后采样到的有效数据，以便进行滤波处理。
一种电参数高速高精度大动态范围测量方法，其特征在于，包括：
数据采集步骤：采集被测点的电压、电流以及处理后的功率信号，通过高速AD进行转换，并进行量程控制、数字滤波后暂存于FIFO中，CPU完成数据的最后处理；
数据预处理步骤：将采集的电压、电流和功率数字信号依次进行量程控制、数字滤波，存在FIFO中；
数据量程识别步骤：根据采样值实时选择程控放大器的放大倍数，待程控放大器稳定后连续采样若干数据进行滤波，滤波后的数据连同量程数据一起存入FIFO中，并输出采样完成标志。
在上述的一种电参数高速高精度大动态范围测量方法，所述数据量程识别步骤具体包括：
步骤1：采用转换速度远高于采样触发信号频率的AD转换器，并把实时采样到的转换结果送到相应的触发数据选择模块，触发数据选择模块给出相应的量程控制的预备信号；
步骤2：当采用触发信号到来时，触发数据选择模块立即锁定输出当前的量程控制的预备信号，控制程控放大器的放大倍数；
步骤3：对采样触发信号进行延时，延时结束后启动采样计数器计数，在采样计数器控制下把连续采样到达的若干个AD转换数据存入相应的数据缓冲器中；
步骤4：把数据缓冲器的数据送入数字滤波器进行数字滤波；
步骤5：当采样计数器达到设定的计数值后，把滤波后的数据以及量程信息存入相应通道的FIFO中，并输出采样完成标志，复位采样计数器。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
在本发明中，采用FPGA和CPU协同处理来完成测量，利用FPGA的高速并行处理特性同时完成多路量程的高速识别和控制以及数字滤波，CPU则完成最后的运算、存储和现实显示等。CPU和FPGA利用并行总线大大提高通信效率。
采用高速AD不间断地对多路输入信号进行采样，并给出量程的预控制信号，当采样触发信号到来时立即锁定并输出当前的预控制信号，大大提高了量程的自动识别和控制速度。
增加了独立的功率采用通道，提高了功率测量的速度和精度。
附图说明
图1是本发明一种电参数高速高精度大动态范围测量方法的模拟部分实现方案。
图2是本发明一种电参数高速高精度大动态范围测量方法的数字部分实现方案。
图3是本发明一种电参数高速高精度大动态范围测量方法的量程识别与控制模块实现方案。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明分为模拟和数字两部分。其中模拟部分实现框图如图1所示，图中的FPGA接口控制模块在数字系统的SOPC芯片中。
模拟通道一共有三个，其中有两个主通道，结构基本相同，一路是电能源电压信号，其直接和被测点相连，一路为电流传感器输出电流信号。电压信号经过精密分压电路获取适当的电压，电流信号通过串联精密电阻把其转换为电压信号。
前置调理电路主要包括共模干扰信号抑制、闪变信号抑制、阻抗变换和信号预放大等电路。低通滤波器的作用是滤除信号中的杂波和高频扰动信号。程控放大器用于控制输入到AD转换芯片信号的幅值，保证数据采集精度。采样保持器有两个作用，一是保证电压电流采样的同时性，二是保证信号在AD转换期间的幅值不变。抗混叠滤波器则用以滤掉混叠频率分量。
第三个模拟通道为功率采集通道。为提高功率测量精度，本发明采用模数结合的方法测量功率。电压信号通过AD转换成数字量后，送到DA转换芯片的数据口进行变换，而模拟电流信号则作为DA转换器的基准源，这样DA转换器的输出即为电压和电流的乘积，即为功率的瞬时值，该信号经过高速AD转换后就得到了瞬时功率的量化值。
系统的数字部分以SOPC系统为核心，其把嵌入式处理器和可编程逻辑资源集成在一个芯片中，相当于把CPU和FPGA集成到一个芯片上，极大提高了系统设计的灵活性。该技术能保证内核CPU和FPGA之间的高速通信，解决了传统CPU和数据采集系统之间的通信速度瓶颈。
系统实现框图如图2所示。系统的数据采集量程识别与控制等功能采用FPGA技术完成，充分利用FPGA技术时序处理能力强，并行处理等特点，把通过AD采集到的数据缓存在FIFO中，CPU系统则通过并行总线高速将数据从FIFO中读取，数据在CPU中进行最终处理，或存储或显示或通过网络接口输出。
FPGA接口控制模块用于控制AD、DA转换芯片的工作与数据读取，同时输出对程控放大器和采样保持器的控制信号。量程识别与控制模块则用于自动识别量程并控制程控放大器的放大倍数，并完成采集数据的预处理。FIFO读写控制模块用于对FIFO存储器的读写进行控制。控制指令收发控制模块用于处理CPU下达的各种命令和设定数据，并上传FPGA部分的各种状态。
触发控制模块用于产生采样触发时钟，每一次触发完成一次有效采样。
量程自动识别与控制技术的核心思想是采用高速转换和数字处理技术，在采样触发信号到来之前完成量程的自动识别和控制。其实现方案如图3所示，图中高速AD转换与控制模块用于实时采集电压、电流和功率信号，其采集速度远大于采样触发信号频率。采集的AD数据送往触发数据选择模块，当采样触发信号上升沿到来时，触发数据选择功能启用，其根据AD数据选择合适的量程信号去控制模拟电路中的程控放大器，同时把量程信息送往CPU，由于是触发选择，因此当采样触发信号到来时就锁定了量程。
触发延时的目的是等待量程切换后信号稳定，延时结束输出采样计数允许信号，采样计数器的计数时钟为AD转换结束信号，AD转换每结束一次，采样计数器计数一次，同时输出一次写信号，把AD转换数据存入数据缓存器。
当规定的采样计数器的计数值到达设定值后，输出信号清掉触发延时模块输出，计数器清零且禁止计数，同时使能数字滤波模块，数字滤波模块在系统时钟的作用下，对数据缓存区的数据进行滤波，滤掉采样触发信号频率和抗混叠滤波器截止频率之间的频率信号，数字滤波完成后输出采集到的电流、电压和功率数据，同时输出采样完成标志。系统恢复到采样前的状态。
采用上述结构的一种电参数高速高精度大动态范围测量方法，包括：
数据采集步骤：采集被测点的电压、电流以及处理后的功率信号，通过高速AD进行转换，并进行量程控制、数字滤波后暂存于FIFO中，CPU完成数据的最后处理；
数据预处理步骤：将采集的电压、电流和功率数字信号依次进行量程控制、数字滤波，存在FIFO中；
数据量程识别步骤：根据采样值实时选择程控放大器的放大倍数，待程控放大器稳定后连续采样若干数据进行滤波，滤波后的数据连同量程数据一起存入FIFO中，并输出采样完成标志；具体包括：
步骤1：采用转换速度远高于采样触发信号频率的AD转换器，并把实时采样到的转换结果送到相应的触发数据选择模块，触发数据选择模块给出相应的量程控制的预备信号；
步骤2：当采用触发信号到来时，触发数据选择模块立即锁定输出当前的量程控制的预备信号，控制程控放大器的放大倍数；
步骤3：对采样触发信号进行延时，延时结束后启动采样计数器计数，在采样计数器控制下把连续采样到达的若干个AD转换数据存入相应的数据缓冲器中；
步骤4：把数据缓冲器的数据送入数字滤波器进行数字滤波；
步骤5：当采样计数器达到设定的计数值后，把滤波后的数据以及量程信息存入相应通道的FIFO中，并输出采样完成标志，复位采样计数器。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，其特征在于，数据采集单元和数据处理单元，其中，
数据采集单元包括
电压传感器信号调理通道：用于变换电压传感器输出信号使其达到AD转换芯片需求；
电流传感器调理通道：用于变换电流传感器输出信号使其达到AD转换芯片需求；
功率测量通道：用于对调理后的电压和电流信号进行运算变换得到瞬时功率；
数据处理单元包括
FPGA接口控制模块：同时与电压传感器信号调理通道、电流传感器调理通道以及功率测量通道连接，用于数据采集单元AD、DA转换器的控制和读写；
量程识别与控制模块：与FPGA接口控制模块连接，用于判断输入信号大小并选择合适的量程；
FIFO及读写控制模块：与量程识别与控制模块连接，用于暂存经过初步处理的测量数据；
指令收发控制模块：与CPU总线连接，用于CPU控制系统的采集以及数据的读取；
CPU总线：采用并行方式，用于CPU和FPGA系统进行数据传输；
CPU系统：用于整个系统的控制和数据的最终处理、存储和输出。
2.根据权利要求1所述的一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，其特征在于，电压传感器信号调理通道包括依次连接的
精密分压电路：直接和被测点相连，用于获取设定的电压；
前置调理电路：用于和分压电路输出接口，抑制输入共模干扰，并预放大输入信号；
低通滤波器：用于滤掉输入信号中的高频分量；
程控放大器：用于对输入信号进行程控放大；
采样保持器：用于保证采样期间输入信号不变，并保证不同通道采样时刻的一致性；
抗混叠滤波器：用于滤掉高于采样频率的干扰信号；
高速AD转换器：用于把输入模拟信号量化成数字信号。
3.根据权利要求1所述的一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，其特征在于，电流传感器调理通道包括依次连接的
串联精密电阻：直接和被测点相连，将电流传感器输出的电流信号转换为电压信号；
前置调理电路：用于抑制输入共模干扰，并预放大输入信号；
低通滤波器：用于滤掉输入信号中的高频分量；
程控放大器：用于对输入信号进行程控放大；
采样保持器：用于保证采样期间输入信号不变，并保证不同通道采样时刻的一致性；
抗混叠滤波器：用于滤掉高于采样频率的干扰信号；
高速AD转换器：用于把输入模拟信号量化成数字信号。
4.根据权利要求1所述的一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，其特征在于，功率测量通道包括依次连接的
DA转换器：用于完成数字电压信号和模拟电流信号的乘积功能；
高速AD转换器：用于对模拟功率信号进行数字量化。
5.根据权利要求1所述的一种电参数高速高精度大动态范围测量系统，其特征在于，量程识别与控制模块包括
高速AD转换芯片控制模块：用于对高速AD转换芯片的转换、数据读取进行控制；
触发数据选择模块：用于在采样触发的上升沿到来时，根据预采样的电流和电压数据选择并锁定合适的量程，同时根据该量程控制程控放大器的放大倍数；
数据缓存模块：用于暂存两次采样间隔期间采样到的数据；
数字滤波器：用于对采样到的数据进行滤波；
触发延时模块：用于采样触发信号进行延时，确保在程控放大器稳定后进行AD采集；
采样计数模块：用于计数每个采样触发信号到来后采样到的有效数据，以便进行滤波处理。
6.一种电参数高速高精度大动态范围测量方法，其特征在于，包括：
数据采集步骤：采集被测点的电压、电流以及处理后的功率信号，通过高速AD进行转换，并进行量程控制、数字滤波后暂存于FIFO中，CPU完成数据的最后处理；
数据预处理步骤：将采集的电压、电流和功率数字信号依次进行量程控制、数字滤波，存在FIFO中；
数据量程识别步骤：根据采样值实时选择程控放大器的放大倍数，待程控放大器稳定后连续采样若干数据进行滤波，滤波后的数据连同量程数据一起存入FIFO中，并输出采样完成标志。
7.根据权利要求6所述的一种电参数高速高精度大动态范围测量方法，其特征在于，所述数据量程识别步骤具体包括：
步骤1：采用转换速度远高于采样触发信号频率的AD转换器，并把实时采样到的转换结果送到相应的触发数据选择模块，触发数据选择模块给出相应的量程控制的预备信号；
步骤2：当采用触发信号到来时，触发数据选择模块立即锁定输出当前的量程控制的预备信号，控制程控放大器的放大倍数；
步骤3：对采样触发信号进行延时，延时结束后启动采样计数器计数，在采样计数器控制下把连续采样到达的若干个AD转换数据存入相应的数据缓冲器中；
步骤4：把数据缓冲器的数据送入数字滤波器进行数字滤波；
步骤5：当采样计数器达到设定的计数值后，把滤波后的数据以及量程信息存入相应通道的FIFO中，并输出采样完成标志，复位采样计数器。
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