CN1588305A

CN1588305A - 开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法

Info

Publication number: CN1588305A
Application number: CN 200410073010
Authority: CN
Inventors: 荣命哲; 贾申利; 马强; 李琨; 王小华
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: CN1303522C

Abstract

本发明公开了一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，首先设计数据采集模块，将模拟量转化为数字量存储在随机访问存储器的不同区域中；采集并存储完毕，输出使能信号启动数据处理模块，根据外部机械中断信号判断进行绝缘或机械数据处理，将结果写入随机访问存储器的区域中；温度信号送入温度数据处理模块进行处理，将温度值写入随机访问存储器的区域中；报警模块定时从随机访问存储器中读数，若超出阈值则进行报警，外部通讯接口模块从随机访问存储器中读取数据，与上位机进行通讯。本发明的芯片集成了采集、测量、报警、通信等多种功能，能够快速，准确监测断路器各项特性参数，及时报警并与上位机进行通讯，实现了高效性和高可靠性。

Description

开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法

技术领域

本发明属于计算机应用领域，涉及一种芯片的设计方法，特别涉及一种用可编程专用集成电路ASIC技术设计开关设备在线状态监测专用芯片的方法。

背景技术

成套开关设备是电力系统的关键主设备之一，其运行状态对电力系统的可靠性具有重大影响。多年来，国际大电网会议(CIGRE)第13研究委员会及我国电力部门(北京电科院)分别对世界范围及中国挂网运行的开关设备可靠性有全面的调查与统计。资料表明，到1999年底，全国电力系统中运行的6-220kV配电开关共27万余台(273153)，比1990年翻了一番。整个90年代中国电力系统配电电压等级开关事故类型分布如下，机械故障(拒分、拒合、误动)33.3％，绝缘故障37.3％，温升故障(载流)8.9％，其它20.5％。这一分布与国际大电网会议于88-91年进行的世界范围内开关可靠性的结果相近似。

开关设备故障的发生，带来的后果是十分严重的。其直接的危害是被开关设备所保护的线路、设备受损，电量损失；间接的危害则造成用户大面积停电，影响正常的生活、生产甚至社会稳定。因而，有必要对开关设备实施在线状态监测，及时发现事故隐患，避免事故发生；同时根据开关设备的工作状态，变定期检测为状态监测，可以大大提高电力系统运行的安全可靠性及自动化程度。上述研究已成为世界范围内电力工业运行及制造部门愈来愈关注的热点问题。

近年来，随着传感器技术、计算机技术、信息技术、微电子技术的飞速发展，开关设备的状态监测获得了快速发展。如ABB公司开发的GIS及SF₆断路器局部放电监测装置，日本明电舍公司开发的中压真空断路器真空度在线监测装置，ABB公司中压开关柜母线温度监测装置均已挂网运行。国内高压开关行业归口单位——西安高压电器研究所及一些科研院所正在研发机械特性在线监测技术。总的来说，开关设备的在线状态监测，国内外都在研究开发，目前国内仅西安交大对开关设备的机械特性、绝缘特性、温升特性综合在线检测进行全面的研究开发，并已取得了一定的进展。生产运行安全可靠的智能化开关设备适应了电力工业发展的需求，已成为开关行业发展的趋势。

到目前为止，国内的开关设备在线监测装置都是以单片机为核心设计的。CPU的性能高低直接决定了产品性能的好坏。十几年来，电器智能化监测装置在微处理器的选用上发生了很大的变化，从最初的单一8位CPU结构的智能装置问世，很快发展为16位单片机为主流的产品，近几年在高端产品中又发展为以32位单片机和以工业控制计算机以及以数字信号处理器(DSP)技术、多CPU为主导的事实标准。

微处理器(MCU)技术的不断发展给人们一个错觉，似乎它是实现电器智能化监测装置的唯一选择。事实上，经过20多年的实践人们发现了微处理器的一些固有不足，有些甚至直接影响了在电器智能化领域的进一步应用。微处理器本身具有一些与生俱来的缺陷。例如：MCU以及数字信号处理器DSP都采用排队式串行指令执行方式，从而其工作速度和效率的提高也受限于该工作方式，微处理器MCU以及数字信号处理器DSP的速度不能满足不断出现的新算法对数据处理的要求。另外，由于每一个平台都是针对某一个具体的CPU设计的，因此其硬件、软件具有专用的特点，一旦需要硬件升级，尤其是CPU的升级，必须硬件软件全部重新设计，这也就是目前多种平台共存的一个很重要原因。尤其需要在线更改电路结构时更是无能为力。

EDA(电子设计自动化)是近年来迅速发展起来的一项新技术。基于EDA技术的CPLD/FPGA(复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列)器件的开发应用可以克服MCU的根本缺陷。首先，CPLD/FPGA产品越来越多的采用了先进的联合测试行动组-在系统编程JTAG-ISP和在系统配置编程方式。在工作电平下可以随时对正在工作的系统上的CPLD/FPGA进行全部或部分的在系统编程。其次，CPLD/FPGA的高速度也是MCU所无法比拟的，CPLD/FPGA的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。高可靠性也是它的优点之一，除了不存在MCU所特有的复位不可靠与PC可能跑飞等固有缺陷外，CPLD/FPGA的高可靠性还表现在几乎可以将整个系统下载到一片芯片中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。另外，开发工具和设计语言标准化，开发周期短也是另一个优点。如何将这一技术应用到电力系统开关设备在线监测领域，是本课题研究的主要内容。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，利用可编程ASIC技术开发一个片上系统SOC，代替以往的单片机用于开关设备在线状态监测，用硬件实现了以往用软件实现的功能，本发明的芯片集成了采集、测量、报警、通信等多种功能，能够快速，准确监测断路器各项特性参数，及时报警并与上位机进行通讯，实现了高效性和高可靠性。

本发明的技术方案是这样实现的：一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，利用可编程ASIC技术按照基于平台的方法对芯片进行设计，主要包括以下步骤：

首先设计数据采集模块，控制外部A/D转换器件，将模拟量转化为数字量存储在芯片内部RAM1的不同区域中；

一旦采集并存储完毕，则输出使能信号启动数据处理模块，数据处理模块根据外部机械中断信号判断进行绝缘数据处理或者机械数据处理，并将绝缘或机械数据处理结果写入RAM2相应的区域中；其中，温度信号是频率信号，直接送入温度数据处理模块进行处理，将计算出的温度值写入RAM2相应的区域中；报警模块定时从RAM2中读数，若超出阈值则进行报警，外部通讯接口模块从RAM1或RAM2中读取数据，与上位机进行通讯。

所述的数据采集模块由四部分组成：采样周期时序产生电路、AD通道选择控制器、读写地址发生器、RAM缓冲区；当有模拟量到来时，采样周期时序产生电路输出使能信号使A/D转换器Max125开始工作，同时A/D通道选择控制器输出通道选择信号控制外部的多路选择器进行多路选择；然后，采样周期时序产生电路通过双向总线将工作模式控制字写入A/D转换器内部寄存器；写入完毕后，采样周期时序产生电路输出AD转换启动信号启动A/D转换；转换完毕后，采样周期时序产生电路输出采样完毕信号启动读写地址发生器，同时AD通道选择控制器也输出通道号给读写地址发生器和后续模块；然后读写地址发生器输出写使能信号和写地址信号给RAM缓冲区，将A/D转换器Max125输入的数字量信号存储到RAM缓冲区内。

数据处理模块是由各部分独立的温度数据处理模块、绝缘数据处理模块、机械数据处理模块三部分组成。

所述的绝缘数据处理模块由任务调度子模块、数据去毛刺子模块、数据滤波子模块、计算有效值子模块、RAM2控制子模块组成；该模块以任务调度子模块为核心，当绝缘数据处理模块的使能信号到来时，任务调度子模块输出使能信号从RAM1取数据并进行数据去毛刺处理；数据去毛刺处理完毕后数据去毛刺子模块通知任务调度子模块，任务调度子模块输出使能信号对数据进行滤波；滤波完毕后数据滤波子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算有效值；有效值计算完毕后，计算有效值子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号启动RAM2控制子模块将结果送入RAM2；数据送完后RAM2控制子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出绝缘数据处理完毕信号。

所述的机械数据处理模块以任务调度子模块为核心，当机械数据处理模块使能信号到来时，任务调度子模块输出使能信号计算分、合闸线圈有效值并查找特征点，计算和查找完毕后，计算分、合闸线圈有效值并查找特征点子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算平均分、合闸速度；计算完毕后，计算平均分、合闸速度子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算三相不同期时间；计算完毕后，计算三相不同期时间子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出机械数据处理完毕信号。

所述的温度数据处理模块使用等精度测频法测量频率，被测信号和标准信号分别输入两个计数器的时钟输入端，预置门信号通过1个D触发器输入两个计数器的计数使能端，因为标准信号的频率值已知，通过对比两个计数器的输出值，就可以得到被测信号的频率值，温度值事先存入ROM中，将计算出的被测信号的频率值作为地址信号输入ROM，ROM的输出就是与频率值对应的温度值。

所述的外部通讯接口模块主要由发送数据缓冲器、发送数据移位寄存器、接收数据缓冲器、接收数据移位寄存器，状态寄存器，控制寄存器组成。通过通讯模块可以和上位机连接实现电力系统要求的“四遥”功能，构成变电站综合自动化系统。

所述的报警模块根据数据处理模块的计算结果进行阈值报警，包括温升故障报警、绝缘故障报警、机械故障报警，该模块定时从RAM2中读取处理结果，并将处理结果和相应的阈值相比较，若计算结果超出阈值，则进行报警。

所述的查找分、合闸线圈特征点采取以下算法：从随机访问存储器RAM中的第一个点查找，若该点比后面连续10个点都大，则认为该点为第一个最大值点；若该点比后面连续10个点都小，则认为该点为第一个最小值点；当前点与一个接近0的值比较，如果比该值小，认为是零点。

所述的计算分、合闸平均速度采取以下算法：首先从存有动触头位移信号的RAM里面取出前n个值和后n个值并计算其平均值，通过比较其大小来判断是分闸操作还是合闸操作，对于合闸操作，我们采用后n个值的平均值作为状态电压，并从随机访问存储器RAM里依次读数并与状态电压相比较，若两者之差的绝对值小于设定的起始点偏移因子或结束点偏移因子，就将该点定为起始点或结束点，对于分闸操作，我们采用前n个值的平均值作为状态电压，并从随机访问存储器RAM里依次读数并与状态电压相比较，若两者之差的绝对值大于设定的起始点偏移因子或结束点偏移因子，就将该点定为起始点或结束点，分、合闸结束点和起始点差值的绝对值是动触头的位移量，分、合闸结束点地址和起始点地址的差值与采样时间间隔相乘为分、合闸时间，动触头的位移量除以分、合闸时间即为分、合闸平均速度。

所述的采用短时能量分析的方法对动触头的振动信号进行分析，进而计算三相动触头合闸的不同期时间，设信号序列为x(n)，n＝0，…，N-1，其短时能量函数定义为：

E (n) = Σ_{i = - \infty}^{+} x^{2} (i) w (n - i) = Σ_{i = n - M + 1}^{n} x^{2} w (n - i) = x^{2} (n) * w (n)

w(n)(n＝0，…，M-1)为滑动窗函数，E(n)代表了信号在时刻n的局部能量，利用FPGA并行执行的特点，使用三个模块分别对A、B、C三相振动信号同时计算时刻n(n从0开始)的短时能量值，若短时能量值小于设定的阈值则滑动窗口向前移动一个数据(即n增加1)，继续计算时刻n的短时能量值，以此类推，直到时刻N的短时能量值大于设定的阈值时就输出变位点，当A、B、C三相的变位点都输出后，计算三个变位点之差的最大值，此值与振动信号采样时间间隔相乘即为三相不同期时间。

本发明的优越性主要体现在：

1、可重构性：和以往的平台相比，该平台的最大特点在于用可编程专用芯片代替了通用的微处理器，它是平台实现可重构计算的关键。根据不同需要可以通过重构芯片完成不同的功能。

2、通用性：该系统的所有IP核均用通用的硬件描述语言——VHDL描述，可以在不同的EDA平台下开发，可以运行于各种FPGA芯片之上。

3、高可靠性：以往使用微处理器设计的监测系统有一个共同的特点：程序指针在强干扰或某种偶然条件下会越出正常的程序流程，尤其是当PC指针干扰与复位不可靠因素相交错时，情况将变得更为复杂。本发明所采用的可编程ASIC技术可以从根本上改变微处理器所面临的问题，实现高可靠性。

4、高效率：以往的微处理器都采用排队式的串行指令执行万式，其工作速度和效率的提高也受限于该工作方式，，难以满足大计算量和高速测控(如：振动信号的测量)的场合。FPGA采用并行执行的方式，可以显著提高系统的工作效率和工作速度。

附图说明

图1是本发明设计的用于开关设备在线状态监测的专用芯片结构框图；

图2是数据采集模块结构框图；

图3是温度数据处理模块中的等精度测频法的原理框图；

图4是绝缘数据处理模块框图；

图5是机械数据处理模块框图；

图6是计算分、合闸平均速度的模块框图；

图7是用短时能量法计算三相不同期时间的模块框图；

图8是外部通讯接口模块结构框图。

具体实施方式

附图为本发明的具体实施例：

下面结合附图对本发明内容作进一步的详细说明；

以往的设计方法是以功能设计为基础，而本发明的片上系统SOC设计方法则以设计复用或功能组装为基础，即在芯片上用若干个大型的宏模块来搭建一个复杂的系统，这些宏模块就是通用的IP核。

参照图1所示，芯片主要由数据采集模块，数据处理模块，报警模块，通讯接口模块等部分组成。数据采集模块主要完成模拟量的采集和暂时存储；数据处理模块主要完成各特性参数的计算，包括温度特性参数，绝缘特性参数，机械特性参数；报警模块完成阈值报警的功能；通讯模块提供标准的232/485接口。

参照图2所示，数据采集模块提供了通常用的A/D转换芯片MAX125的接口、完成采样和数据的存储。该模块有四部分组成：采样周期时序产生电路、AD通道选择控制器、读写地址发生器、RAM缓冲区，产生A/D接口需要的所有信号和时序，读取转换结果并存储到芯片内部的RAM里面。

首先，外部输入的模拟量信号分别输入两片多路选择开关芯片MAX4533，其中一片MAX4533负责6路绝缘泄漏电流的多路选择，另一片负责5路机械信号(包括1路分、合闸线圈电流信号，1路动触头位移电压信号，3路三相动触头振动电压信号)的多路选择。两片MAX4533均由FPGA内部的AD通道选择控制器输出信号AD_SEL控制。MAX4533输出的模拟量输入至FPGA，此时AD_CS输出低电平使能MAX125，AD_WR输出低电平，并通过双向总线BIDATA[3..0]将工作模式控制字写入MAX125内部寄存器。然后，AD_CST输出低电平启动A/D转换，并读AD_INT的值；一旦AD_INT变低，表示A/D转换结束。AD_RD置低，将转换结果读入RAM1中。然后AD通道选择控制信号增加1，进行下一路A/D转换。

其中采样周期时序产生电路产生A/D接口需要的所有信号和时序：包括AD片选信号AD_CS，AD转换时钟信号AD_CLK，MAX125寄存器读写信号AD_WR和AD_RD、转换启动信号AD_CST以及MAX125的转换结束中断信号AD_INT；AD通道选择控制器产生AD通道选择控制信号；读写地址发生器输出RAM1的读、写地址信号，读、写使能信号；RAM1缓冲区由双口RAM构成，一方面将AD转换结果写入其中，另一方面可供数据处理模块读出数据进行处理。

参照图3所不，温度数据处理模块首先采用等精度测频法完成与温度值相对应的频率值的计算。等精度测频法主要由CNT1和CNT2两个可控计数器实现。标准频率(fs)信号从CNT1的时钟输入端CLK输入；经整形后的被测信号(fx)从CNT2的时钟输入端CLK输入。每个计数器中的CEN输入端为时钟使能端控制时钟输入。当预置门信号为高电平(预置时间开始)时，被测信号的上升沿通过D触发器的输出端，同时启动两个计数器计数；同样，当预置门信号为低电平(预置时间结束)时，被测信号的上升沿通过D触发器的输出端，同时关闭计数器的计数。通过对比两个计数器的输出就可以计算出被测信号的频率。

温度值事先存入只读存储器ROM中，将计算出的被测信号的频率作为地址信号输入只读存储器ROM，只读存储器ROM的输出就是与频率对应的温度值。

参照图4所示，绝缘数据处理模块完成绝缘泄漏电流有效值的计算。绝缘数据处理模块由任务调度子模块、数据去毛刺子模块、数据滤波子模块、计算有效值子模块、RAM2控制子模块组成。该模块以任务调度子模块为核心，当绝缘数据处理模块的使能信号到来时，任务调度子模块输出使能信号从RAM1取数据并进行数据去毛刺处理；数据去毛刺处理完毕后数据去毛刺子模块通知任务调度子模块，任务调度子模块输出使能信号对数据进行滤波；滤波完毕后数据滤波子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算有效值；有效值计算完毕后，计算有效值子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号启动RAM2控制子模块将结果送入RAM2；数据送完后RAM2控制子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出绝缘数据处理完毕信号。

其中，数据去毛刺采取以下算法：设x(n)与x(n+1)为相邻的两点，d(n+1)＝|x(n+1)-x(n)|，若d(n+1)大于设定的去毛刺阈值，则用x(n)代替x(n+1)。数据滤波采用一阶惯性滤波法。设X(k)为第k次采样值，Y(k)，Y(k-1)分别为第k次及k-1次滤波后的输出值，α为滤波系数，则Y(k)＝(1-α)Y(k-1)+αX(k)为一阶惯性滤波的数学表达式。有效值计算涉及到开平方运算，开平方运算采用查表法：与输入数据对应的平方根值事先存入ROM中，输入数据作为ROM的地址输入ROM，ROM的输出值即为输入值的平方根。

参照图5所示，数据处理模块中的机械数据处理模块由任务调度子模块，计算分、合闸线圈有效值并查找特征点子模块，计算平均分、合闸速度，计算三相不同期时间子模块组成；该模块以任务调度子模块为核心，当机械数据处理模块使能信号到来时，任务调度子模块输出使能信号计算分、合闸线圈有效值并查找特征点，计算和查找完毕后，计算分、合闸线圈有效值并查找特征点子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算平均分、合闸速度；计算完毕后，计算平均分、合闸速度子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算三相不同期时间；计算完毕后，计算三相不同期时间子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出机械数据处理完毕信号。

其中分、合闸线圈电流的有效值的计算采用与绝缘泄漏电流有效值计算相同的算法。分、合闸线圈电流的特征点是指线圈电流的第一个最大值点，第一个最小值点和电流过零点，他们与电磁铁铁心的运动状态、操作机构的工作状态有密切的关系。我们根据分、合闸线圈电流曲线的特点，采取以下算法查找特征点：从RAM中的第一个点查找，若该点比后面连续10个点都大，则认为该点为第一个最大值点；若该点比后面连续10个点都小，则认为该点为第一个最小值点；当前点与一个接近0的值比较，如果比该值小，认为是零点。

计算分、合闸平均速度的关键是确定分、合闸的起始点和结束点。首先从存有动触头位移信号的RAM里面取出前n个值和后n个值并计算其平均值，通过比较其大小来判断是分闸操作还是合闸操作。对于合闸操作，我们采用后n个值的平均值作为状态电压，并从RAM里依次读数并与状态电压相比较，若两者之差的绝对值小于设定的起始点偏移因子或结束点偏移因子，就将该点定为起始点或结束点。对于分闸操作，采用前n个值的平均值作为状态电压，判断方法与合闸操作相似。然后，根据分、合闸的起始点和结束点计算平均分闸速度、平均合闸速度。分、合闸结束点和起始点差值的绝对值是动触头的位移量，分、合闸结束点地址和起始点地址的差值与采样时间间隔相乘为分、合闸时间，动触头的位移量除以分、合闸时间即为分、合闸平均速度。

采用短时能量分析的方法对动触头的振动信号进行分析，进而计算三相动触头合闸的不同期时间。设信号序列为x(n)，n＝0，…，N-1，其短时能量函数定义为

E (n) = Σ_{i = - \infty}^{+ \infty} x^{2} (i) w (n - i) = Σ_{i = n - M + 1}^{n} x^{2} (i) w (n - i) = x^{2} (n) * w (n)

w(n)(n＝0，…，M-1)为滑动窗函数，E(n)代表了信号在时刻n的局部能量。我们利用FPGA并行执行的特点，使用三个模块分别对A、B、C三相振动信号同时计算时刻n(n从0开始)的短时能量值，若短时能量值小于设定的阈值则滑动窗口向前移动一个数据(即n增加1)，继续计算时刻n的短时能量值，以此类推，直到时刻N的短时能量值大于设定的阈值时就输出变位点。当A、B、C三相的变位点都输出后，计算三个变位点之差的最大值，此值与振动信号采样时间间隔相乘即为三相不同期时间。

参照图6所示，首先从存有动触头位移信号的RAM里面取出前n个值和后n个值并计算其平均值，通过比较其大小来判断是分闸操作还是合闸操作。对于合闸操作，我们采用后n个值的平均值作为状态电压，并从RAM里依次读数并与状态电压相比较，若两者之差的绝对值小于设定的起始点偏移因子或结束点偏移因子，就将该点定为起始点或结束点。对于分闸操作，我们采用前n个值的平均值作为状态电压，判断方法与合闸操作相似。然后，根据分、合闸的起始点和结束点计算平均分闸速度、平均合闸速度。

参照图7所示，采用短时能量分析的方法对动触头的振动信号进行分析，进而计算三相动触头合闸的不同期时间。设信号序列为x(n)，n＝0，…，N-1，其短时能量函数定义为

E (n) = Σ_{i = - \infty}^{+ \infty} x^{2} (i) w (n - i) = Σ_{i = n - M + 1}^{n} x^{2} (i) w (n - i) = x^{2} (n) * w (n)

参照图8所示，外部通讯接口模块主要由发送数据缓冲器、发送数据移位寄存器、接收数据缓冲器、接收数据移位寄存器，状态寄存器，控制寄存器组成。发送数据缓冲器缓存其他模块送来的数据并当数据发送完毕后将数据写入发送数据移位寄存器，发送数据移位寄存器将并行数据转化为串行数据发送出去。接收数据移位寄存器将接收到的串行数据转换为并行数据。控制寄存器分为发送控制寄存器和接收控制寄存器。发送控制寄存器用于控制发送模式、发送字长度、停止位位数、校验方式。接收控制寄存器控制将发送数据移位寄存器输出的并行数据存入接收数据缓冲器中。状态寄存器存放发送控制寄存器和接收控制寄存器的状态。本发明通过通讯模块可以和上位机连接实现电力系统要求的“四遥”功能，构成变电站综合自动化系统。

报警模块由若干个比较器构成。阈值内容存放到ROM当中，由控制模块将各计算结果和相应的阈值输入到比较器的两个输入端口，若计算结果超出阈值，则比较器输出高电平，并通过LED进行报警。该模块包括温度故障报警、绝缘故障报警、机械故障报警。

本发明主要监测开关设备的温度特性(主要指开关设备电连接处的温度情况)，绝缘特性(主要指绝缘套管的泄漏电流)以及机械特性(主要指分、合闸线圈电流，动触头行程，平均分、合闸速度，三相不同期性)。可以监测电流、电压、温度、位移、加速度等各种模拟量，并根据需要在芯片内部对模拟量进行计算处理。计算功能主要包括温度特性参数，绝缘特性参数，机械特性参数的计算。通讯功能可以提供标准的232/485接口，使芯片可以与上位机或其他微处理器相连接。报警功能包括温度故障报警、绝缘故障报警、机械故障报警。

其功能主要包括，监测断路器电连接处的温度情况；监测断路器三相进出绝缘套管的泄漏电流；监测断路器分、合闸线圈电流，并查找特征点；监测断路器动触头位移行程并计算平均分、合闸速度；监测动触头振动情况并计算三相不同期时间。若各参数超过阈值则通过指示灯报警。芯片通过标准232/485总线可以与上位机通讯。

本发明的芯片采用一片10万门的FPGA芯片(EP1K100QC208-3)，芯片的编程工艺基于SRAM结构，IP核采用VHDL语言编写，开发环境使用Altera公司的MaxplusII。芯片可以通过标准的JTAG接口直接连接计算机下载程序对芯片进行配置，也可以通过外部ROM加载。

Claims

1、一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，芯片采用一种基于平台的设计方法；包括以下步骤：

首先设计数据采集模块，控制外部A/D转换器件，将模拟量转化为数字量存储在芯片内部随机访问存储器RAM1的不同区域中；

一旦采集并存储完毕，则输出使能信号启动数据处理模块，数据处理模块根据外部机械中断信号判断进行绝缘数据处理或者机械数据处理，并将绝缘或机械数据处理结果写入随机访问存储器RAM2相应的区域中；其中，温度信号是频率信号，直接送入温度数据处理模块进行处理，将计算出的温度值写入随机访问存储器RAM2相应的区域中；报警模块定时从随机访问存储器RAM2中读数，若超出阈值则进行报警，外部通讯接口模块从随机访问存储器RAM1或随机访问存储器RAM2中读取数据，与上位机进行通讯。

2、根据权利要求1所述的一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，所述的数据采集模块由四部分组成：采样周期时序产生电路、AD通道选择控制器、读写地址发生器、随机访问存储器RAM缓冲区；当有模拟量到来时，采样周期时序产生电路输出使能信号使A/D转换器开始工作，同时A/D通道选择控制器输出通道选择信号控制外部的多路选择器进行多路选择；然后，采样周期时序产生电路通过双向总线将工作模式控制字写入A/D转换器内部寄存器；写入完毕后，采样周期时序产生电路输出AD转换启动信号启动A/D转换；转换完毕后，采样周期时序产生电路输出采样完毕信号启动读写地址发生器，同时AD通道选择控制器也输出通道号给读写地址发生器和后续模块；然后读写地址发生器输出写使能信号和写地址信号给随机访问存储器RAM缓冲区，将A/D转换器输入的数字量信号存储到随机访问存储器RAM缓冲区内。

3、根据权利要求1所述的一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，数据处理模块是由各部分独立的温度数据处理模块、绝缘数据处理模块、机械数据处理模块三部分组成。

4、根据权利要求1或3所述的一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，所述的绝缘数据处理模块由任务调度子模块、数据去毛刺子模块、数据滤波子模块、计算有效值子模块、RAM2控制子模块组成；该模块以任务调度子模块为核心，当绝缘数据处理模块的使能信号到来时，任务调度子模块输出使能信号从存储器RAM1取数据并进行数据去毛刺处理；数据去毛刺处理完毕后数据去毛刺子模块通知任务调度子模块，任务调度子模块输出使能信号对数据进行滤波；滤波完毕后数据滤波子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算有效值；有效值计算完毕后，计算有效值子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号启动随机访问存储器RAM2控制子模块将结果送入随机访问存储器RAM2；数据送完后随机访问存储器RAM2控制子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出绝缘数据处理完毕信号。

5、根据权利要求1所述的一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，所述的机械数据处理模块以任务调度子模块为核心，当机械数据处理模块使能信号到来时，任务调度子模块输出使能信号计算分、合闸线圈有效值并查找特征点，计算和查找完毕后，计算分、合闸线圈有效值并查找特征点子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算平均分、合闸速度；计算完毕后，计算平均分、合闸速度子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出使能信号计算三相不同期时间；计算完毕后，计算三相不同期时间子模块通知任务调度子模块，随后任务调度子模块输出机械数据处理完毕信号。

6、根据权利要求1或3所述的一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，所述的温度数据处理模块使用等精度测频法测量频率，被测信号和标准信号分别输入两个计数器的时钟输入端，预置门信号通过1个D触发器输入两个计数器的计数使能端，因为标准信号的频率值已知，通过对比两个计数器的输出值，就可以得到被测信号的频率值，温度值事先存入只读存储器ROM中，将计算出的被测信号的频率值作为地址信号输入只读存储器ROM，只读存储器ROM的输出就是与频率值对应的温度值。

7、根据权利要求1所述的一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，报警模块根据数据处理模块的计算结果进行阈值报警，包括温升故障报警、绝缘故障报警、机械故障报警，该模块定时从随机访问存储器RAM2中读取处理结果，并将处理结果和相应的阈值相比较，若计算结果超出阈值，则进行报警。

8、根据权利要求1或5所述的一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，所述的查找分、合闸线圈特征点采取以下算法：从随机访问存储器RAM中的第一个点查找，若该点比后面连续10个点都大，则认为该点为第一个最大值点；若该点比后面连续10个点都小，则认为该点为第一个最小值点；当前点与一个接近0的值比较，如果比该值小，认为是零点。

9、根据权利要求1或5所述的一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，所述的计算分、合闸平均速度采取以下算法：首先从存有动触头位移信号的RAM里面取出前n个值和后n个值并计算其平均值，通过比较其大小来判断是分闸操作还是合闸操作，对于合闸操作，我们采用后n个值的平均值作为状态电压，并从随机访问存储器RAM里依次读数并与状态电压相比较，若两者之差的绝对值小于设定的起始点偏移因子或结束点偏移因子，就将该点定为起始点或结束点，对于分闸操作，我们采用前n个值的平均值作为状态电压，并从随机访问存储器RAM里依次读数并与状态电压相比较，若两者之差的绝对值大于设定的起始点偏移因子或结束点偏移因子，就将该点定为起始点或结束点，分、合闸结束点和起始点差值的绝对值是动触头的位移量，分、合闸结束点地址和起始点地址的差值与采样时间间隔相乘为分、合闸时间，动触头的位移量除以分、合闸时间即为分、合闸平均速度。

10、根据权利要求1或5所述的一种开关设备在线状态监测专用芯片的设计方法，其特征在于，所述的采用短时能量分析的方法对动触头的振动信号进行分析，进而计算三相动触头合闸的不同期时间，设信号序列为x(n)，n＝0，…，N-1，其短时能量函数定义为

E (n) = Σ_{i = - \infty}^{+ \infty} x^{2} (i) w (n - i) = Σ_{i = n - M + 1}^{n} x^{2} (i) w (n - i) = x^{2} (n) * w (n)

w(n)(n＝0，...，M-1)为滑动窗函数，E(n)代表了信号在时刻n的局部能量，利用FPGA并行执行的特点，使用三个模块分别对A、B、C三相振动信号同时计算时刻n(n从0开始)的短时能量值，若短时能量值小于设定的阈值则滑动窗口向前移动一个数据(即n增加1)，继续计算时刻n的短时能量值，以此类推，直到时刻N的短时能量值大于设定的阈值时就输出变位点，当A、B、C三相的变位点都输出后，计算三个变位点之差的最大值，此值与振动信号采样时间间隔相乘即为三相不同期时间。