CN203745562U - 数据采集电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种数据采集电路，该数据采集电路包括：互感器，用于实时采集电力传输线上的模拟量信号数据；前段滤波电路，所述前段滤波电路的输入端与所述互感器的输出端连接，用于滤除模拟量信号数据中的干扰信号；模数转换芯片，模数转换芯片的多路高速采样的模拟量输入通道与所述前段滤波电路的输出端连接，用于将过滤后的模拟量信号数据转换成数字信号数据。本实用新型实施例实现了采用多路高速采样通道在同一时刻实时地进行数据采集，从而实现了实时、高速地采集电力传输线上的信号数据，进而可以实现对电网运行状态的实时检测。

Description

数据采集电路

技术领域

本实用新型涉及配电自动化技术领域，特别涉及一种数据采集电路。

背景技术

配电采集系统是配电自动化系统的基本组成单元，其性能与可靠性直接影响到整个系统能否有效地发挥作用。而在传统电网中，数据采集系统不具有实时高速采集功能，一般数据采集的主要参数有电压幅值、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等参数，使得不能实现对电网运行状态的实时检测。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种数据采集电路，解决了现有技术中数据采集系统不能实时高速地采集数据的技术问题。

本实用新型实施例提供了一种数据采集电路，该数据采集电路包括：互感器，用于实时采集电力传输线上的模拟量信号数据；前段滤波电路，所述前段滤波电路的输入端与所述互感器的输出端连接，用于滤除模拟量信号数据中的干扰信号；模数转换芯片，模数转换芯片的多路高速采样的模拟量输入通道与所述前段滤波电路的输出端连接，用于将滤除干扰信号后的模拟量信号数据转换成数字信号数据。

在一个实施例中，所述前段滤波电路采用二阶滤波的方式滤除所述模拟量信号数据中的干扰信号。

在一个实施例中，所述模数转换芯片是电荷再分配逐次逼近型的芯片。

在一个实施例中，所述数据采集电路包括两片所述模数转换芯片。

在一个实施例中，所述模数转换芯片是AD7606芯片。

在一个实施例中，还包括：基准电压电路，与所述模数转换芯片连接，用于向所述模数转换芯片提供基准电压；电源电路，与所述模数转换芯片连接，用于向所述模数转换芯片提供电源。

在一个实施例中，所述基准电压电路和所述电源电路采用不同的地。

在一个实施例中，还包括：频率采集电路，与电力传输线连接，用于实时采集电力传输线上模拟量信号数据的频率。

在一个实施例中，所述频率采集电路包括：波形转换芯片，用于将实时采集的电力传输线上模拟量信号数据的波形由正弦波转换为方波，其中，方波的频率与电力传输线上信号数据的频率相同；处理器芯片，所述处理器芯片的捕获管脚与所述波形转换芯片连接，用于捕获所述方波的上升沿和下降沿，输出所述方波的频率参数。

在一个实施例中，所述波形转换芯片包括：比较器，用于采用过零比较的方式，将所述模拟量信号数据的波形由正弦波转换为方波。

在一个实施例中，所述波形转换芯片是AD8666芯片。

在一个实施例中，处理器芯片，与所述模数转换芯片连接，还用于获取所述数字信号数据。

在一个实施例中，所述处理器芯片是Blackfin架构的处理器芯片。

在一个实施例中，所述处理器芯片是ADSP-BF518芯片。

在一个实施例中，所述处理器芯片包括以下至少之一的通讯接口：CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线、以太网网口、串行接口。

在本实用新型实施例中，通过结合互感器、前段滤波电路和模数转换芯片，实现了可以采用多路高速采样通道在同一时刻实时地采集电力传输线上的模拟量信号数据，并实时、快速地将模拟量信号数据转换成数字信号数据，从而实现了实时、高速地采集电力传输线上的信号数据，进而可以实现对电网运行状态的实时检测。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中：

图1是本实用新型实施例提供的一种数据采集电路的结构框图；

图2是本实用新型实施例提供的一种电流互感器采集数据的电路图；

图3是本实用新型实施例提供的一种电压互感器采集数据的电路图；

图4是本实用新型实施例提供的一种前段滤波电路的电路图；

图5是本实用新型实施例提供的一种AD7606芯片的电路原理图；

图6是本实用新型实施例提供的一种电压基准电路的电路图；

图7是本实用新型实施例提供的一种AD8666芯片的电路原理图；

图8是本实用新型实施例提供的一种TL16C752B芯片的电路原理图；

图9是本实用新型实施例提供的另一种数据采集电路的结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

在本实用新型实施例中，提供了一种数据采集电路，如图1所示，该数据采集电路包括：互感器101，用于实时采集电力传输线上的模拟量信号数据；前段滤波电路102，所述前段滤波电路的输入端与所述互感器的输出端连接，用于滤除模拟量信号数据中的干扰信号；模数转换芯片103，模数转换芯片的多路高速采样的模拟量输入通道与所述前段滤波电路的输出端连接，用于将滤除干扰信号后的模拟量信号数据转换成数字信号数据。

由图1所示的数据采集电路可知，在本实用新型实施例中，通过结合互感器、前段滤波电路和模数转换芯片，实现了可以采用多路高速采样通道在同一时刻实时地采集电力传输线上的模拟量信号数据，并实时、快速地将模拟量信号数据转换成数字信号数据，从而实现了实时、高速地采集电力传输线上的信号数据，进而可以实现对电网运行状态的实时检测。

在具体实施时，通过互感器来实时采集电力传输线上的模拟量信号数据的过程中，可以用电流互感器来采集电力传输线上的模拟量电流信号，具体的电流互感器采集数据的电路可以参考图2所示的电路，可外接PT、CT；用电压互感器来采集电力传输线上的模拟量电压信号，具体的电压互感器采集数据的电路可以参考图3所示的电路。

通过互感器采集到模拟量信号数据后，可以通过前段滤波电路滤出模拟量信号数据中的干扰信号，具体实施时，所述前段滤波电路可以采用二阶滤波的方式滤除所述模拟量信号数据中的干扰信号。该前段滤波电路可以采用如图4所示的电路来实现。

在采用模数转换芯片对过滤后的模拟量信号数据进行转换的过程中，为了提供数据转换的精度，模数转换芯片可以是电荷再分配逐次逼近型的芯片。

在具体实施时，为了提高数据采集速度，在本实施例中，所述数据采集电路可以包括两片所述模数转换芯片。

在具体实施过程中，模数转换芯片可以是AD7606芯片，为保证较高的测量精度，如图5所示，本实用新型中的模数转换芯片采用A D7606，AD7606是高速、低功耗、电荷再分配逐次逼近型的模数转换器，AD7606系列的所有8个通道都能实现最高200kSPS的采样速率，当两片模数转换芯片同时工作时，可以实现高速采集16路的模拟量信号数据，以满足系统对采集通道数据的要求以及电力计算对多个信号的同时采集要求。它内置低噪声、高阻抗输入和信号调整放大器，可处理最高22kHz的输入频率。AD7606的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）高达90dB，选用片内数字滤波器可以进一步改信噪比性能、缩小误码、扩频并提高抗混叠抑制。在数据转换过程与数据采集过程中，可以利用CONVST（转换启动）信号和片内部振荡器来控制所有八路模拟输入通道或者两组模拟输入通道（四路模拟输入通道构成一组）同时进行采样，以顾及变压器之间的相位差。AD7606内部的信号调理电路中已经包含了低噪声、高输入阻抗的信号调理电路，其等效输入阻抗完全独立于采样率且固定为1MΩ。同时，输入端集成了具有40dB抗混叠抑制特性的滤波器，更是简化了前端设计，不再需要外部驱动和滤波电路。因此，二次互感器输出的模拟量信号无需再经过运放来缓冲就可以直接接入AD7606。

在实施过程中，为了给模数转换芯片提供稳定的基准电压，并给模数转换芯片提供电源，在本实施例中，采用单独的电源分别给模数转换芯片提供基准电压，给模数转换芯片提供用于运行的电源，即上述数据采集电路还包括：基准电压电路，与所述模数转换芯片连接，用于向所述模数转换芯片提供基准电压；电源电路，与所述模数转换芯片连接，用于向所述模数转换芯片提供电源，具体实施时，所述基准电压电路和所述电源电路采用不同的地。

在具体实施时，为了提高模数转换芯片的精度，采用专门的基准电压电路为两片模数转换芯片提供基准电压，例如，如图6所示，可以采用高初始精度和低温度系数的外部基准电压芯片，以消除不同器件内置基准之间的差异而带来的误差，例如，ADR421B芯片，该芯片的初始精度为0.04%，温度系数为3ppm/℃。

电力系统频率一方面作为衡量电能质量的指标，需加以动态监测；另一方面作为实施安全稳定控制的重要状态反馈量，要求能实时更新。频率参数的实时数字测量一直是电力系统参数测量的重点和难点。由于电力系统的频率时刻都有微小的变化，精确地测频手段成为实时控制的重要组成部分。在本实施例中，在实现实时、高速地采集信号数据，并高速传输给处理器后，上述数据采集电路还包括：频率采集电路104，与电力传输线连接，用于实时采集电力传输线上模拟量信号数据的频率。

在具体实施时，频率采集电路104可以这样实现：所述频率采集电路104包括：波形转换芯片，用于将实时采集的电力传输线上模拟量信号数据的波形由正弦波转换为方波，其中，方波的频率与电力传输线上模拟量信号数据的频率相同，处理器芯片105，所述处理器芯片的捕获管脚与所述波形转换芯片连接，用于捕获所述方波的上升沿和下降沿，输出所述方波的频率参数。即通过波形转换芯片将电力传输线上模拟量信号数据的波形由正弦波转换为方波，该方波的频率与电力传输线上模拟量信号数据的频率相同，可以通过处理器芯片的捕获管脚捕获所述方波的上升沿和下降沿，进而获取方波的频率参数，例如，获得方波的频率参数可以为方波的周期，进而获取电力传输线上模拟量信号数据的频率，上述处理器芯片可以采用ADSP-BF518芯片来实现，根据方波形式的信号数据获得模拟量信号数据的频率，以简单、可靠的方式实现了可以实时监控电力系统的频率，进而可以对电网运行的状态进行监控，根据频率变化，改变采用周期，以满足实时数据采集的准确性。

在具体实施时，为了提高获取频率的精度，在本实施例中，上述波形转换芯片包括：比较器，用于采用过零比较的方式，将模拟量信号数据的波形由正弦波转换为方波，例如，电压比较器。具体实施时，上述波形转换芯片可以是AD8666芯片，如图7所示，AD8666芯片可以采用图7所示的比较器的电路来将模拟量信号数据的波形由正弦波转换为方波。AD866x系列芯片均为单电源、低噪声、轨到轨输出放大器，具有最高16V的宽工作电压范围，另外还具有低输入偏置电流、宽信号带宽以及低输入电压和电流噪声等特性。额定温度范围为-40°C至+125°C扩展工业温度范围。可以满足各种现场的应用需求。

AD8666将正弦波输入信号转换为0-5V的同频率方波信号，然后将方波信号送入到处理器芯片（例如，ADSP-BF518芯片的频率捕捉管脚）。处理器将定时器设为频率捕获模式，即处理器芯片可根据方波得到正弦波的周期，从而得到频率。再根据电网频率的变化，计算相应参数，以达到实时监控检测频率的目的。

采集到信号数据后，为了提高数据采集电路对信号数据的处理能力，上述处理器芯片105，与所述模数转换芯片连接，还用于获取所述数字信号数据。处理器芯片可以对获取的数字信号数据进行分析，进而实现对电网运行状态的实时检测。

在具体实施时，为了实现信号数据的高速传输，在本实施例中，处理器芯片105可以与模数转换芯片的全双工同步串行端口连接，以便快速、实时地获得模数转换芯片转换成的数字信号数据。

为了提高数据采集电路对信号数据的处理能力，处理器芯片105可以是Blackfin架构的处理器芯片。具体实施时，该处理器芯片105可以是ADSP-BF518芯片，ADSP-BF518芯片可以主频可达到400MHz，可以实时、高速地采用多种算法对信号数据进行计算分析。

ADSP-BF518芯片是ADI新推出的一款具有高性能、低功耗、针对工业应用优化的Blackfin处理器BF518。相对于以往异构MCU（Micro Controller Unit，多点控制单元）+DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）方案，BF518能够减少器件数量，节约系统成本，缩小电路板空间并降低功耗。与传统的DSP类似，BF518处理器的每个处理单元都具有高时钟速率和低功耗。

Blackfin所采用的高性能16/32位嵌入式处理器内核、灵活的高速缓存架构、增强的DMA子系统。内置的以太网10/100MAC（Media Access Control，硬件位址），实现了硬件支持的IEEE1588时钟同步，与IEEE1588version2标准完全兼容。BF518的这一特性与强大的数字信号处理及控制能力、多种其它外设的结合，使它成为要求苛刻的电力联网应用最具吸引力的选择。有NOR（或非）闪存、NAND（与非）闪存、铁电存储、SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器），还提供了支持Lockbox安全技术的一次性可编程存储器（One TimeProgramable，OTP）。此外，BF518能够在-40℃～85℃的环境温度下工作，非常适用于继电保护产品的应用环境。

为了实现数据采集电路能进行对外通信，在本实施例中，上述处理器芯片105可以通过以下至少之一的通讯接口进行对外通信：控制器局域网络CAN总线、以太网网口、串行接口。其中，可以通过如图8所示的TL16C752B芯片来扩展串行接口。

在具体实施过程中，如图9所述，上述数据采集电路可以采用以下部分实现：互感器101，前段滤波电路102，模数转换芯片103采用AD7606芯片，处理器芯片105采用ADSP-BF518芯片，采用AD8666芯片和ADSP-BF518芯片来实现频率采集电路104。

当前电力系统中进行检测、监控和数据采集的嵌入式设备软件升级的传统方法是工作人员到达设备现场，用随身携带的笔记本电脑对设备进行程序升级，但电力系统的地理范围覆盖广、供配电变压器节点多，电力网络线路复杂，设备数目庞大并且分布广泛，这必将造成程序升级过程繁琐、成本高、时间长等问题。

随着全球电网持续的发展，电力线监测、继电保护产品在不断地更新和换代并改变着设计模式。而新的技术指标和低功耗的要求，对产品的设计又有了新的定义和要求。人员成本的减少也在一定程度上制约着现场维护和产品升级。在传统电网向智能电网转变的过程中，要求电力二次设备具有更强的接口能力、控制能力、保护能力、测量能力、通信能力和数据处理能力，还要能实现少维护，免维护。为了克服上述数据采集进行升级时过程繁琐、成本高、时间长的问题，在具体实施过程中，上述数据采集电路还可以实现应用数据的更新，即处理器，还用于通过通讯接口接收输入的命令，并根据所述命令获取数据采集电路的新的应用数据。

在具体实施时，处理器105可以这样实现应用程序数据的更新：处理器105使用SSL（Secure Sockets Layer，安全套接层协议层），根据用户通过通信接口输入的命令来控制更新应用程序数据的过程，即首先处理器需要根据外部命令来加载SSL。SSL启动后首先初始化系统硬件，向上位机（主站、现场PC）发出是否更新的确认信息。如果在一定时间内没有得到上位机的回复，系统将进行正常的启动流程。用户也可以自定义等待回复的时间（不超过10秒）。

如果FLASH中没有有效的启动码流，处理器通过SSL会强制让用户更新的应用程序。在得到确认更新的消息后，处理器通过SSL要求上位机发送启动数据传输。当上位机发送完全部数据后，它要发送一个用户定义的结束标志符（不要和LDR文件中的数据重合），以通知SSL传输过程完成。

然后处理器通过SSL对缓存在SDRAM中的数据进行CRC（Cyclic RedundancyCheck，循环冗余校验码）校验并将结果反馈到上位机。如果校验失败，处理器通过SSL会让用户选择重新更新，还是放弃更新后，启动上一次使用的应用程序。CRC校验成功后，处理器通过SSL将更新FLASH中LDR文件和状态标志位。全部过程结束后，处理器通过SSL直接调用bfrom_Boot函数加载应用程序，不需要重新启动系统。

当前一般的更新方式多是基于ping-pong的方法，每次都会更新最旧的版本，这样的设计保证了即使升级失败，系统也能够正常启动。但是使用这种方法，系统需要启动码流两倍大小的FLASH存储器，增加了系统成本。相对于一般的更新方式，本实用新型中的这种方式的远程更新优点明显，整个过程用户可以参与控制，如果在通信上面出现问题，有误码，使出现更新失败，也不会导致系统瘫痪，可以重新更新，而不会损坏原有程序；而且不需要增加额外的FLASH存储器空间。

在本实用新型实施例中，通过结合互感器、前段滤波电路和模数转换芯片，实现了可以采用多路高速采样通道在同一时刻实时地采集电力传输线上的模拟量信号数据，并实时、快速地将模拟量信号数据转换成数字信号数据，从而实现了实时、高速地采集电力传输线上的信号数据，进而可以实现对电网运行状态的实时检测。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本实用新型实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本实用新型实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种数据采集电路，其特征在于，包括：

互感器，用于实时采集电力传输线上的模拟量信号数据；

前段滤波电路，所述前段滤波电路的输入端与所述互感器的输出端连接，用于滤除所述模拟量信号数据中的干扰信号；

模数转换芯片，所述模数转换芯片的多路高速采样的模拟量输入通道与所述前段滤波电路的输出端连接，用于将滤除干扰信号后的模拟量信号数据转换成数字信号数据。

2.如权利要求1所述的数据采集电路，其特征在于，所述前段滤波电路采用二阶滤波的方式滤除所述模拟量信号数据中的干扰信号。

3.如权利要求1所述的数据采集电路，其特征在于，所述模数转换芯片是电荷再分配逐次逼近型的芯片。

4.如权利要求1所述的数据采集电路，其特征在于，所述数据采集电路包括两片所述模数转换芯片。

5.如权利要求1所述的数据采集电路，其特征在于，所述模数转换芯片是AD7606芯片。

6.如权利要求1所述的数据采集电路，其特征在于，还包括：

基准电压电路，与所述模数转换芯片连接，用于向所述模数转换芯片提供基准电压；

电源电路，与所述模数转换芯片连接，用于向所述模数转换芯片提供电源。

7.如权利要求6所述的数据采集电路，其特征在于，所述基准电压电路和所述电源电路采用不同的地。

8.如权利要求1至7中任一项所述的数据采集电路，其特征在于，还包括：

频率采集电路，与电力传输线连接，用于实时采集电力传输线上模拟量信号数据的频率。

9.如权利要求8所述的数据采集电路，其特征在于，所述频率采集电路包括：

波形转换芯片，用于将实时采集的电力传输线上模拟量信号数据的波形由正弦波转换为方波，其中，方波的频率与电力传输线上模拟量信号数据的频率相同；

处理器芯片，所述处理器芯片的捕获管脚与所述波形转换芯片连接，用于捕获所述方波的上升沿和下降沿，输出所述方波的频率参数。

10.如权利要求9所述的数据采集电路，其特征在于，所述波形转换芯片包括：

比较器，用于采用过零比较的方式，将所述模拟量信号数据的波形由正弦波转换为方波。

11.如权利要求9所述的数据采集电路，其特征在于，

所述波形转换芯片是AD8666芯片。

12.如权利要求9所述的数据采集电路，其特征在于，

所述处理器芯片，与所述模数转换芯片连接，还用于获取所述数字信号数据。

13.如权利要求9所述的数据采集电路，其特征在于，

所述处理器芯片是Blackfin架构的处理器芯片。

14.如权利要求9所述的数据采集电路，其特征在于，

所述处理器芯片是ADSP-BF518芯片。

15.如权利要求9所述的数据采集电路，其特征在于，所述处理器芯片包括以下至少之一的通讯接口：

控制器局域网络CAN总线、以太网网口、串行接口。