CN204461465U - 一种基于arm和fpga构架的风电监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风电监测领域，尤其涉及一种基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，包括：母板，其上开设有多个插槽，ARM系统和FPGA系统通过所述插槽与所述母板连接，所述ARM系统和FPGA系统线路连接；传感器，其设置在被监测对象和所述FPGA系统之间；处理终端，其与所述ARM系统线路连接；电源，其与所述母板线路连接。本实用新型减小了风电监测装置的体积和功耗，便于安装；同时实现了高速、高精度的数据采集，为风力发电机组实现在线实时监测提供了准确、稳定、可靠的数据。

Description

一种基于ARM和FPGA构架的风电监测装置

技术领域

本实用新型涉及风电监测领域，尤其涉及一种基于ARM和FPGA构架的风电监测装置。

背景技术

风力发电系统主要由风能资源、风力发电机组、控制装置及检测显示装置等组成。风力发电机组是风电系统的关键设备。而长期以来，风力发电一直采用计划维修的方式，在运行后的一定时间周期内进行定期的检查维修。一方面，这种检修方式无法及时准确的了解故障部位和原因，也无法清楚设备的运行状况，并且由于风电装置设备的特殊性，往往安装位置均在偏远的、气候较差的、不适宜监测人员长期逗留的地域。同时随着科学技术的不断发展，风电设备的整体结构也在不断改变，架构高度的提升、设备尺寸的增加都会给后期检修和维护带来很大困难。因此，综合考虑为了降低风电发电机组的运行风险，减小设备及部件的损坏，节省人力物力的损耗等因素，发展风电发电机组的实时在线监测系统是非常必要并具有重要意义的。

由于风力发电在线监测技术起步晚，国内外成熟的技术屈指可数。早期的风力发电监测设备采用ISA总线结构，该结构插槽形式不可靠，抗振性不好，不适用于振动监测的环境；另外，ISA占用CPU资源太多、速度不快，只能用于传输速率要求不高的场合，已经逐步被淘汰。近些年，有些企业采用基于X86的报警监测系统来完成对传感器供电以及模拟信号的输入输出等功能。风机振动监测系统现场数据采集单元的设计采用模块化结构，整个平台基于X86工业计算机、AD转换、信号调理模块、传感器构成，其中X86是系统的核心，主要完成数据处理存储、条件判断、远程数据通信等功能，信号调理模块完成对信号的调理，满足模数转换所需的条件，通过AD转换完成模数信号的转换，以供处理器处理。传统在线监测系统的结构图如图1所示，传动系统：传动链关键部件包括低速轴、齿轮箱、高速轴、发电机轴承，是风力机组监测系统的主要测点，即被测对象。传感器：由安装在测点位置的传感器来监测。信号采集器：对传感器输出的键相信号进行预处理、并对传感器输入的信号进行信号调整后进行A/D转换。主控模块：也称数据处理及逻辑控制单元，是监测软件运行的平台，可以存储数据、显示数据、分析数据、实现故障分析和报警保护。

基于X86的状态监测系统是一个较庞大的系统，如图2所示，要求现场有足够的安装场地和空间，而风力发电机组机舱和塔架的空间是有限的，这就要求各类自动化设备集成度越来越高，尺寸越来越小，功能越来越强大。由于ARM系统具有低功耗、体积小、抗干扰能力强、精度高等特点，对风力发电在线监测提供更优异的条件，使数据传输的准确性更有保障，在风力发电现场恶劣的环境因素下，对系统的整体实时监测更加准确可靠。正是在此前提下，我们研制了一套基于ARM和FPGA构架的风电监测装置。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型设计开发了一种基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，目的在于在减小风电监测装置的体积和功耗，便于安装；同时实现高速、高精度的数据采集，为风力发电机组实现在线实时监测提供准确、稳定、可靠的数据。

本实用新型提供的技术方案为：

一种基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，包括：

母板，其上开设有多个插槽，ARM系统和FPGA系统通过所述插槽与所述母板连接，所述ARM系统和FPGA系统线路连接，ARM系统和FPGA系统的功耗远远小于X86的功耗，显著减小了整个风电监测装置的功耗；

传感器，其设置在被监测对象和所述FPGA系统之间，并将监测到的信号传输至所述FPGA系统；

处理终端，其与所述ARM系统线路连接，接收所述ARM系统处理过的信号；

电源，其与所述母板线路连接，用于为所述母板供电。

优选的是，所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，所述FPGA系统上集成有滤波电路、AD转换电路和逻辑控制电路，所述滤波电路、AD转换电路和逻辑控制电路依次连接，滤波电路、AD转换电路和逻辑控制电路均集成到FPGA系统上，所占空间大为减小。

优选的是，所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，所述传感器通过一信号放大单元与所述滤波电路连接，信号放大单元用于将传感器接收到的信号进行放大后传送至滤波电路进行滤波。

优选的是，所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，所述信号放大单元置于所述母板之外，滤波电路、AD转化电路和逻辑控制电路均集成在母板上，大大减少了母板所占的空间。

优选的是，所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，所述ARM系统和FPGA系统通过SPI总线连接，信号传输速度更快。

优选的是，所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，所述母板上还设置有多个功能接口，包括通讯接口、显示接口、输入接口、输出接口和电源接口，便于与处理终端、传感器、信号放大单元、输入电路板、输出电路板和电源连接。

优选的是，所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，还包括一个箱体，所述母板、电源和信号放大单元均置于所述箱体中，避免风沙和灰尘的进入，保证设备内部清洁。

优选的是，所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，所述电源包括线性电源和开关电源，所述线性电源与所述传感器和信号放大单元线路连接，所述开关电源与所述母板线路连接。由于传统滤波电路是由模拟电路或数字电路构成，需要线性电源为其提供电源，滤波电路因为占用资源较多，功耗较大，所以传统电路要求线性电源的功率较大。而本申请中的滤波电路通过FPGA系统实现，同时也大大降低了线性电源的功耗，在信号处理方面所需的功耗可由原来的10W降低为5W，也减少了线性电源的体积。

本实用新型所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，将ARM系统和FPGA系统均固定在所述母板上，且FPGA系统上集成有滤波电路、AD转换电路和逻辑控制电路，信号放大单元置于所述母板之外，大大减少了母板的占用空间；同时由于ARM系统和FPGA系统的功耗远远小于X86的功耗，显著减小了整个风电监测装置的功耗；且ARM系统和FPGA系统强大的信息处理能力，改善了传统处理器处理数据速度慢、可靠性差的缺点，使得在线监测系统的运行速度大大提高、性能有所提升，实现了高速、高精度的数据采集。且将整个风电监测装置安装于一箱体中，避免了风沙和灰尘的进入，保证了设备内部清洁。

附图说明

图1是传统风电在线监测系统的系统示意图；

图2是基于X86的风电在线监测系统信号采集单元的结构示意图；

图3是本实用新型所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图3所示，本实用新型提供一种基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，包括：

母板，其上开设有多个欧式插槽，ARM系统和FPGA系统通过插针固定在所述母板上，使连接可靠，减少内部走线，所述ARM系统和FPGA系统通过SPI总线线路连接，所述FPGA系统上集成有滤波电路、AD转换电路和逻辑控制电路，所述滤波电路、AD转换电路和逻辑控制电路依次连接；传感器，其设置在被监测对象和所述FPGA系统之间，并将监测到的信号传输至所述FPGA系统，所述传感器通过一外置于母板的信号放大单元与所述滤波电路连接，传感器接收到的被监测对象的信号通过信号放大单元调理为AD转换电路可处理的有效范围，传送给FPGA系统；处理终端，其与所述ARM系统线路连接，接收所述ARM系统处理过的信号；电源，其与所述母板线路连接，电源包括线性电源和开关电源，线性电源与传感器和信号放大单元线路连接，开关电源与母板线路连接。

传感器实时采集被监测对象风电站的信号，并将监测的信号通过信号放大单元放大，滤波电路滤波，再经AD转化电路转化为数字信号传输至逻辑控制电路，并经SPI总线传输至ARM系统提取有效的特征值，ARM系统控制将处理过的数字信号传递给现场的处理终端进行分析。

原来系统中的X86主板可实现完整的计算机功能，对于专用系统，功能有冗余。而本申请中的ARM系统通过80×60mm的空间即可实现设备所需的主板资源。传统信号采集及处理装置需要对信号进行放大、滤波、AD转换及基本逻辑控制等，其中信号放大及滤波为模拟电路，每一通道均需有相应电路单独实现，当处理多通道信号采集(如16通道或24通道)的时候，信号处理单元的放大、滤波等模拟电路会占用很大的空间，甚至达到整个信号处理单元的1/2以上，剩下的空间则由AD转化及基本逻辑控制电路构成。本申请中的FPGA系统通过数字化电路，实现了信号的滤波、AD转换和基本逻辑控制，使其所占空间大为减小，FPGA系统整体尺寸为80×60mm，仅将信号放大部分分离在外，大大减少了母板所占空间(最多可减至一半)。

所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，所述母板上还设置有多个功能接口，包括通讯接口、显示接口、输入接口、输出接口和电源接口，方便与其他设备进行连接。

所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置中，还包括一个箱体，所述母板、电源和信号放大单元均置于所述箱体中。一方面，本申请中的ARM系统和FPGA系统自身的功耗比X86小很多，只有10W，而一般X86功耗可达到几十瓦甚至上百瓦，因此本申请的监测装置功耗很低，发热量小，完全可实现无风扇设计。另一方面，将整个装置放进一个密封的箱体中，可以防尘，保证设备内部清洁，是体现工业级产品的一个重要指标。在保证现场周围环境整洁的情况下可给箱体设计适当的通风散热孔，以有利于设备及时散热。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，其特征在于，包括：

母板，其上开设有多个插槽，ARM系统和FPGA系统通过所述插槽与所述母板连接，所述ARM系统和FPGA系统线路连接；

传感器，其设置在被监测对象和所述FPGA系统之间；

处理终端，其与所述ARM系统线路连接；

电源，其与所述母板线路连接。

2.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，其特征在于，所述FPGA系统上集成有滤波电路、AD转换电路和逻辑控制电路，所述滤波电路、AD转换电路和逻辑控制电路依次连接。

3.如权利要求2所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，其特征在于，所述传感器通过一信号放大单元与所述滤波电路连接。

4.如权利要求3所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，其特征在于，所述信号放大单元置于所述母板之外。

5.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，其特征在于，所述ARM系统和FPGA系统通过SPI总线连接。

6.如权利要求1所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，其特征在于，所述母板上还设置有多个功能接口，包括通讯接口、显示接口、输入接口、输出接口和电源接口。

7.如权利要求4所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，其特征在于，还包括一个箱体，所述母板、电源和信号放大单元均置于所述箱体中。

8.如权利要求2所述的基于ARM和FPGA构架的风电监测装置，其特征在于，所述电源包括线性电源和开关电源，所述线性电源与所述传感器和信号放大单元线路连接，所述开关电源与所述母板线路连接。