CN212111645U - 基于光纤通讯的配网开关量扩展装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，包括FPGA模块、ARM控制器、光纤发射器、光纤接收器、多个开出隔离器、多个开入隔离器，所述ARM处理器、光纤发射器、光纤接收器、多个开出隔离器、多个开入隔离器均与FPGA模块连接，每个开出隔离器连接一个多路开出电路，每个开入隔离器连接一个多路开入电路；本实用新型实现了开关量的高速、高可靠性扩展，使便携式配网终端测试仪开关量得到延伸，而不影响其速度和精度，满足配网终端检测平台的扩展需求。

Description

基于光纤通讯的配网开关量扩展装置

技术领域

本实用新型属于开关量扩展的技术领域，具体涉及一种基于光纤通讯的配网开关量扩展装置。

背景技术

配网自动化建设具有重大意义，不但可以提高供电的可靠性缩短故障停电时间、停电范围，还能实现远程遥控和不停电合环转供电，实时监控配电设备运行状态。所以就对配网终端(DTU/FTU/TTU)的研发，生产效率、检测效率都提出了更高的要求，检测内容包括型式试验、出厂试验、到货全检、到货抽检、专业检测。常规的终端测试仪由于便携要求，对体积有所限制，不能将更多的功能集成到里面去，开关量数量也相对较少，配网检测平台应需而生，检测平台的完善关系到配网终端检测的效率和准确。检测平台需要完成的功能包括数据采集与处理功能、遥信功能、控制功能等，其中遥信功能和遥控功能对测试平台开关量的要求比较高。

目前开关量扩展设备基本都是基于电接口，例如RS485/RJ45等，电接口存在抗干扰差、速度低，导致实时性和准确性能低等缺点，对终端的检测不良率提高。由于接口速度低，扩展开关量的数量就大大减少，对于多间隔的DTU来说，则需要人工切换接线，降低了检测效率。

目前开关量扩展装置基本属于空白，行业内存在的少数也基本都是基于电接口，例如RS485/RJ45等，电接口存在抗干扰差、速度低，导致实时性和准确性能低等缺点，对终端的检测不良率提高。由于接口速度低，扩展开关量的数量就大大减少，对于多间隔的DTU来说，则需要人工切换接线，降低了检测效率，也带来了人员操作的出错概率，从而使得检测的结果错误。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，实现配网终端检测平台开关量的扩展。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，包括FPGA模块、ARM控制器、光纤发射器、光纤接收器、多个开出隔离器和多个开入隔离器；所述ARM处理器、光纤发射器、光纤接收器、多个开出隔离器、多个开入隔离器均与FPGA模块连接，每个开出隔离器连接一个多路开出电路，每个开入隔离器连接一个多路开入电路；对于开入量，多路开入电路将开入逻辑指令通过开入隔离器送到FPGA模块，FPGA模块对当前逻辑进行判断，并打上当前时戳，然后通过光纤发射器发送到外部主控仪器；对于开出量，光纤接收器从外部主控仪器收到开出量的变位信息，然后打上时戳，并通过IO口送到多个开出隔离器，多个开出隔离器收到信号后驱动开出电路实现端口的断开和闭合。

作为优选的技术方案，所述ARM处理器连接有外部PC，通过网络从外部PC端获取FPGA代码。

作为优选的技术方案，所述ARM控制器采用OMAP-L138处理器。

作为优选的技术方案，所述ARM处理器通过RJ45接口连接外部PC。

作为优选的技术方案，所述FPGA模块用于与外部主控仪器通讯，一方面获取外部主控仪器的开出量信息，并将开出量信息输出到多路开出电路；另一方面从多路开入电路读入开入量信息，并记录时间上传给外部主控仪器。

作为优选的技术方案，所述多个开出隔离器包括开出光耦隔离器和开出隔离电源，所述开出光耦隔离器采用PS2703，所述开出隔离电源采用B1215S。

作为优选的技术方案，所述多个开入隔离器包括开入光耦隔离和开入隔离电源，所述开入光耦隔离采用PS2703，所述开入隔离电源采用B0505。

作为优选的技术方案，所述光纤发射器为HFBR-1414光纤发射器。

作为优选的技术方案，所述光纤接收器为AFBR-2418TZ光纤接收器。

作为优选的技术方案，所述光纤发射器和光纤接收器连接高速光纤。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型实现了开关量的高速、高可靠性扩展，使便携式配网终端测试仪开关量得到延伸，而不影响其速度和精度；满足配网终端检测平台的扩展需求。

(2)本实用新型采用了高速光纤通讯，解决了开关量传输延时过大问题，从而达到了低延时开入开出。

(3)本实用新型采用了光纤通讯，解决了电信号传输容易受干扰的问题，从而实现了可靠的数据传输

(4)本实用新型采用了大规模可编程并行处理的FPGA，解决了多路任务串行CPU处理的时间不确定性，从而实现了多路开关量处理实时性的要求

附图说明

图1为一个实施例中基于光纤通讯的配网开关量扩展装置的结构示意图；

图2为另一个实施例中光纤发射器的电路原理图；

图3为另一个实施例中光纤接收器的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型各个实施例中的“连接”可以指有线连接也可以指无线连接。

本实用新型实施例提供的一种基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，包括FPGA模块、ARM控制器、光纤发射器、光纤接收器、多个开出隔离器、多个开入隔离器，所述ARM处理器、光纤发射器、光纤接收器、多个开出隔离器、多个开入隔离器均与FPGA模块连接，每个开出隔离器连接一个多路开出电路，每个开入隔离器连接一个多路开入电路；所述FPGA模块用于与外部主控仪器通讯，一方面获取外部主控仪器的开出量信息，并将开出量信息输出到多路开出电路；另一方面从多路开入电路读入开入量信息，并记录时间上传给外部主控仪器。

在本实用新型中，所述ARM控制器负责接收来自PC端的控制指令，控制设备的运行，以及升级FPGA代码；所述FPGA模块作为主要处理单元，实现了对开入和开出的控制。

进一步的，对于开入量：当开入端子检测到外部动作变化时(闭合到断开，或者断开到闭合)，多路开入电路把相应的逻辑通过开入隔离器后送到FPGA模块的端口，FPGA模块对当前逻辑进行判断，消抖动后记录到内部寄存器，并打上当前时戳，然后通过光纤发射器送到外部主控仪器，以上是开入监控的过程。

更进一步的，开出量过程刚好与开入量相反，扩展装置通过光纤接收器从外部主控仪器收到开出量的变位信息，然后打上时戳，接着通过IO口送到多个开出隔离器，多个开出隔离器收到信号后驱动开出电路，从而实现端口的断开和闭合。

现有技术中，开关量的响应速度，对配网终端来说极为重要，行业标准开出量延迟必须小于100us，当开关数量达到一定数量，开关量时戳功能加上后，普通的低速开关量扩展装置明显不能满足标准的要求，本实用新型使用的是高速光纤与高速FPGA处理器来实现低延时的性能。

光纤通信是通信系统中具体的物理传输形式的一种，光纤的全称是光导纤维。它的通信原理是首先将调制好的电信号通过光电转换模块转换为光信号之后，利用光波来作为整个光纤通信系统中的载体来进行信息传输。光纤通信中，既可以传输模拟信号，又可以传输数字信号，因此光纤通信有着广泛的应用，而高速光纤的使用可以进一步的提高传输速度。本实施例中，所述光纤发射器和光纤接收器连接高速光纤，利用光纤发射器和光纤接收器实现开出量扩展和开入量扩展。

高速FPGA传输技术是在FPGA内部集成了能实现高速串行数据传输的GTX模块；GTX收发器是高度可配置的，并与可编程逻辑资源紧密集成在一起。GTX由PMA(Physical MediaAttchment，物理媒介适配层)和PCS(Physical Coding Sublayer，物理编码子层)两个子层构成，其中，PMA子层主要用于串行化和解串，PCS子层主要包括线路编码和CRC校验编码。

在其中一个实施例中，所述ARM处理器连接有外部PC，通过网络从外部PC端获取FPGA代码，并对FPGA代码进行在线实时更新；更进一步的，所述ARM处理器通过RJ45接口连接外部PC。

更进一步的，所述ARM控制器采用OMAP-L138处理器；OMAP-L138是美国德州仪器(TI)推出全新DSP+ARM工业处理器，其为功耗最低的浮点数字信号处理器(DSP)+ARM9处理器，大大降低了双核通讯的开发难度，可充分满足工业应用的高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长电池使用寿命的需求。不仅具备通用并行端口(uPP)，同时也是TI首批集成串行高级技术附件(SATA)的器件。当然，本实施例中的OMAP-L138处理器也可用其他芯片替代，只要能实现本申请的发明目的即可。

隔离器是一种采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出，它的输入、输出以及工作电源三者之间是相互隔离的，从而提高工业生产过程的抗干扰能力，保证了系统的稳定性和可靠性，特别适合与需要电隔离的设备仪表配用。隔离器对各种工业信号进行变送、转换、隔离、传输、运算的仪表，可与各种传感器配合。本申请中采用了开出隔离器和开入隔离器来进行信号的隔离转换。

在其中一个实施例中，所述多个开出隔离器包括开出光耦隔离器和开出隔离电源，所述开出光耦隔离器采用PS2703，所述开出隔离电源采用B1215S。

在其中一个实施例中，所述多个开入隔离器包括开入光耦隔离和开入隔离电源，所述开入光耦隔离采用PS2703，所述开入隔离电源采用B0505。

在其中一个实施例中，请参见图2，所述光纤发射器为HFBR-1414光纤发射器，主要包括HFBR-1414Z芯片U4和SN74ACT00PWR芯片U33，U4的NC0-NC3接地，ANODE1-ANODE3连接5V电源，并通过电容C63、C59和C64接地，U4的CATHODE一方面通过电阻R91接地，另一方面通过电阻R87和R96连接至U33的第6管脚，U33的第1、2、4管脚引出后与第9、12、14管脚连接，并通过电容C96接地。

在其中一个实施例中，请参见图3，所述光纤接收器为AFBR-2418TZ光纤接收器主要包括AFBR-2418TZ芯片U3和运算放大器U25，U3的NC0-NC3接地接地，U3的VCC口连接到电感，RSSI口连接电容C65和电阻R66，nDO口连接到运算放大器U25的输入端，U25的输出端连接电阻R99。

开关电路是指具有“接通”和“断开”两种状态的电路。输入、输出信号具有两种状态的电路就是一种开关电路.逻辑门电路、双稳态触发器也都是开关电路。开关电路的原理是由开关管和PWM(Pulse Width Modulatioon)控制芯片构成振荡电路，产生高频脉冲。将高压整流滤波电路产生的高压直流电变成高频脉冲直流电，送到主变压器降压，变成低频脉冲直流电。本申请中的开关电路包括开出电路和开入电路，所述开出电路和开入电路与外部对象连接。

在其中一个实施例中，所述开出电路和开入电路均为16路的开关量，并且可以根据实际的需要进一步的扩展，可以大大提高扩展量；通过开出电路和开入电路实现与被测对象的开关量对接，并实现低延时、高遮断容量的开关量。

本实用新型过高速光纤通讯，将外部主控仪器的开光量扩展出多路，并可为每路开关量在最前端打时戳，实现配网终端检测平台开关量的扩展。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，不能理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，包括FPGA模块、ARM控制器、光纤发射器、光纤接收器、多个开出隔离器和多个开入隔离器；所述ARM处理器、光纤发射器、光纤接收器、多个开出隔离器、多个开入隔离器均与FPGA模块连接，每个开出隔离器连接一个多路开出电路，每个开入隔离器连接一个多路开入电路；对于开入量，多路开入电路将开入逻辑指令通过开入隔离器送到FPGA模块，FPGA模块对当前逻辑进行判断，并打上当前时戳，然后通过光纤发射器发送到外部主控仪器；对于开出量，光纤接收器从外部主控仪器收到开出量的变位信息，然后打上时戳，并通过IO口送到多个开出隔离器，多个开出隔离器收到信号后驱动开出电路实现端口的断开和闭合。

2.根据权利要求1所述基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，所述ARM处理器连接有外部PC，通过网络从外部PC端获取FPGA代码。

3.根据权利要求2所述基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，所述ARM控制器采用OMAP-L138处理器。

4.根据权利要求2所述基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，所述ARM处理器通过RJ45接口连接外部PC。

5.根据权利要求1所述基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，所述FPGA模块用于与外部主控仪器通讯，一方面获取外部主控仪器的开出量信息，并将开出量信息输出到多路开出电路；另一方面从多路开入电路读入开入量信息，并记录时间上传给外部主控仪器。

6.根据权利要求1所述基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，所述多个开出隔离器包括开出光耦隔离器和开出隔离电源，所述开出光耦隔离器采用PS2703，所述开出隔离电源采用B1215S。

7.根据权利要求1所述基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，所述多个开入隔离器包括开入光耦隔离和开入隔离电源，所述开入光耦隔离采用PS2703，所述开入隔离电源采用B0505。

8.根据权利要求1所述基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，所述光纤发射器为HFBR-1414光纤发射器。

9.根据权利要求1所述基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，所述光纤接收器为AFBR-2418TZ光纤接收器。

10.根据权利要求1所述基于光纤通讯的配网开关量扩展装置，其特征在于，所述光纤发射器和光纤接收器连接高速光纤。

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