基于ARM和FPGA的電力光纖信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)

0 引言
    隨著電力網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大復(fù)雜化和區(qū)域互聯(lián)趨勢(shì)的到來(lái)，電力系統(tǒng)的行為也將越來(lái)越復(fù)雜。一些原有的假設(shè)條件和簡(jiǎn)化模型的適用性都將接受進(jìn)一步的挑戰(zhàn)與檢驗(yàn)。在此情況下豐富詳盡的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是故障或非正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。無(wú)疑將具有越來(lái)越重要的價(jià)值。它們不僅是分析故障原因檢驗(yàn)繼電保護(hù)動(dòng)作行為的依據(jù)，也為電力工作者研究了解復(fù)雜系統(tǒng)的真實(shí)行為，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律提供寶貴的資料，這種電力信號(hào)實(shí)時(shí)分析儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種有用信息，電力系統(tǒng)也對(duì)其提出了更高的要求，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷突飛猛進(jìn)，也為這種光纖信號(hào)分析儀的采樣速率、分析、處理、顯示能力提供保證，為提高監(jiān)控可靠性、準(zhǔn)確性、靈活性、實(shí)時(shí)性以及信息資源共享提供了充分的條件。
    目前，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的制定及其內(nèi)容已超變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的范圍，擴(kuò)展到其他工業(yè)控制領(lǐng)域，成為基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的工業(yè)控制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外很多電力設(shè)備生產(chǎn)商都在圍繞IEC61850開展研究和應(yīng)用工作，并提出IEC61850的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)“即插即用”，在工業(yè)控制通信上實(shí)現(xiàn)“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及要求
    結(jié)合一些與該設(shè)計(jì)方案關(guān)于示波器儀表類似的優(yōu)秀文章，并取其精華作為設(shè)計(jì)參考。該光纖信號(hào)分析儀主要由三部分組成，包括：接口部分、A／D采集控制部分和顯示控制部分，如圖1所示。其中每個(gè)模塊都實(shí)現(xiàn)各自的功能，具有良好的可移植性。

    為了達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，信號(hào)分析儀還需具有以下功能：
    (1)光電轉(zhuǎn)換模塊將來(lái)自不同光接口的光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成正比的電信號(hào)，完成1EC61850規(guī)定的9-1，9-2，GOOSE格式光信號(hào)的接入和轉(zhuǎn)發(fā)、IEC60044-7／8規(guī)定的FT3格式光信號(hào)的接入和轉(zhuǎn)發(fā)以及專用采集器光纖信號(hào)的接入，而且信號(hào)轉(zhuǎn)換誤差和測(cè)量范圍滿足一定精度要求。其光信號(hào)頻率范圍為125MBit／s，光電、電光轉(zhuǎn)換誤差精度為2％左右為宜。
    (2)A／D采集控制部分實(shí)現(xiàn)滿足一定精度要求、具有足夠采樣速率的電信號(hào)瞬時(shí)值采集、儲(chǔ)存、顯示、分析。波形分析則主要圍繞波形質(zhì)量和信號(hào)特征進(jìn)行，可能包括“1”狀態(tài)光電平數(shù)值，光信號(hào)的上升時(shí)間、下降時(shí)間，光信號(hào)的過(guò)沖，光信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)間，光信號(hào)頻率等內(nèi)容。由于需要與光纖信號(hào)的速度配套，其采樣帶寬與光信號(hào)的帶寬需配合良好；如可能的情況下，采樣速率應(yīng)大于光信號(hào)速率的50倍，也可根據(jù)實(shí)際情況確定；而在A／D轉(zhuǎn)換精度方面優(yōu)先采用10位的A／D，有困難時(shí)考慮8位A／D。
    (3)顯示控制部分主要實(shí)現(xiàn)IEC 61850規(guī)約對(duì)GOOSE、9-1、9-2格式的通信方案和要求對(duì)其進(jìn)行信息解碼、信息組儲(chǔ)存、信息組識(shí)別、報(bào)文信息顯示功能等；IEC60044-7／8對(duì)FT3格式(曼徹斯特碼)的要求對(duì)其進(jìn)行信息解碼、信息組識(shí)別、信息組儲(chǔ)存、信息顯示功能。實(shí)現(xiàn)滿足IEC 61850規(guī)約的MMS報(bào)文信息解碼、信息組儲(chǔ)存、信息組識(shí)別、報(bào)文信息顯示等功能。規(guī)約分析單元實(shí)現(xiàn)對(duì)上述報(bào)文的解析、注釋、信息計(jì)算等功能；還需具有一定容量的波形存儲(chǔ)能力和一定容量的報(bào)文信息儲(chǔ)存能力。最終通過(guò)液晶屏幕顯示出來(lái)，并提供一個(gè)人性化、可視效果好、可操作性好的人機(jī)交互界面。
    另外，儀器接入測(cè)量信號(hào)時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，具有在線監(jiān)測(cè)功能，光纖信號(hào)分析儀接線示意圖如圖2所示。

    除了滿足上述要求外，該分析儀還具有很好的信息存儲(chǔ)能力及后臺(tái)分析能力。能實(shí)時(shí)保存報(bào)文信息，保存的幀信息中包含全部的幀信息，包括報(bào)文頭、添加字節(jié)、CRC校驗(yàn)碼等數(shù)字信息，以便進(jìn)行后續(xù)分析。

2 硬件設(shè)計(jì)方案
2．1 接口部分設(shè)計(jì)方案
    接口控制部分主要完成光纖信號(hào)接收、轉(zhuǎn)發(fā)，主要完成的功能如光纖信號(hào)接收、放大；對(duì)兩路需要采集信號(hào)進(jìn)行放大、選擇。這部分的關(guān)鍵技術(shù)在于光電／電光模塊的選擇，光接口波長(zhǎng)全為1310 nm、多模、ST接口，主要采用HFBR-5905多模光纖收發(fā)器，同樣，光纖分路器也為1 310 nm、多模、ST接口，采用型號(hào)為DS25BR204的2分4信號(hào)分路器。
    如圖3的接口板原理框圖所示，光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后一分為二，一份提供給信號(hào)分析儀作為采集、存儲(chǔ)分析使用，另外一份直接作為輸出，提供給被測(cè)信號(hào)或試驗(yàn)信號(hào)發(fā)生器。

2．2 A／D采集控制板設(shè)計(jì)方案
    A／D采集控制板是該系統(tǒng)的核心部件。由于考慮到光信號(hào)頻率較高，一般的A／D轉(zhuǎn)換器根本不能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，要達(dá)到該光信號(hào)分析儀中要求的采樣率大于光信號(hào)的25倍甚至50倍的要求，需采用高速A／D采集光信號(hào)。A／D采集控制板作為系統(tǒng)的核心部件之一，主要完成的功能有：光模擬信號(hào)的7級(jí)可變?cè)鲆娣糯螅还庑盘?hào)3 GHz的采集；信號(hào)的實(shí)時(shí)緩存，緩存深度達(dá)到50 K×8 b；信號(hào)的非實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；信號(hào)的上升沿檢測(cè)(觸發(fā))；信號(hào)的抽??；ARM接口板控制接口實(shí)現(xiàn)等。采集控制板的原理框圖如圖4所示。采集控制板主要分成采集前端、控制存儲(chǔ)和電源管理3個(gè)部分。

    采集前端主要完成模擬信號(hào)的調(diào)理，信號(hào)的采集等功能。由ADC，可變?cè)鲆娴驮肼暦糯笃骱蜁r(shí)鐘構(gòu)成，其關(guān)鍵芯片A／D轉(zhuǎn)換芯片采用的是ADC08D1500。
    控制存儲(chǔ)部分主要包括控制和存儲(chǔ)兩個(gè)部分。控制部分主要由FPGA來(lái)完成，主要功能包括：DDR數(shù)據(jù)的接收、時(shí)鐘管理、脈沖檢測(cè)、FLA-SH接口和ARM控制接口等功能。存儲(chǔ)部分由FPGA和NANDFLASH兩部分完成，其中FPGA提供RAM存儲(chǔ)，NAND FLASH提供ROM存儲(chǔ)，其關(guān)鍵芯片F(xiàn)PGA選定為XC5VLX30-1FFG676C。該FPGA總共包含300萬(wàn)門，內(nèi)置RAM為1 152 Kb，可用管腳為400個(gè)，最大支持200對(duì)LVDS，有32個(gè)專用乘法器資源。由于緩存深度要求為400 Kb，所以FPGA滿足緩存深度的要求。FPGA和AD前端的管腳消耗小于100位，和FLASH的管腳消耗小于60位，和ARM部分連接資源消耗小于100位，所以管腳資源肯定滿足要求。至于邏輯門數(shù)和乘法器的消耗也充分滿足系統(tǒng)要求。
    電源管理主要為了生成板內(nèi)所需要的各種電壓，根據(jù)主機(jī)板的需要，電源模塊能夠?qū)㈦姵靥峁┑碾妷恨D(zhuǎn)換為多路電壓提供給主機(jī)板，而當(dāng)接電源適配器時(shí)，不僅能對(duì)電池進(jìn)行充電，還可以同時(shí)向主機(jī)板供電，其中的關(guān)鍵芯片DC／DC使用TPS54331實(shí)現(xiàn)5V直流轉(zhuǎn)換為所需要的1.0 V，1.8 V，2．5 V等直流電壓，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    另外，為了節(jié)省電池電量以及設(shè)備的安全運(yùn)行，可通過(guò)軟件控制，當(dāng)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有操作使用時(shí)，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)機(jī)。
2．3 顯示控制部分設(shè)計(jì)方案
    該部分完成整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)界面、數(shù)據(jù)顯示、協(xié)議解析等功能，基本思路是在設(shè)定的工作模式下控制其他模塊進(jìn)行放大、選擇、高速采集并存儲(chǔ)，完成波形顯示、處理等任務(wù)。還可以根據(jù)需要選擇被測(cè)信號(hào)的格式類型以及測(cè)試通道的切換。顯示板卡完成功能及連接關(guān)系如圖6所示。

2．3．1 存儲(chǔ)器接口
    該部分由三部分構(gòu)成，即雙口RAM，NORFLASH及FRAM，其中RAM的數(shù)據(jù)來(lái)源于ADC采集板實(shí)時(shí)存放顯示控制板需要的數(shù)據(jù)；NOR FLASH存放需要備份的數(shù)據(jù)，如檢測(cè)到重要的數(shù)據(jù)信息等；FRAM是整個(gè)系統(tǒng)的BIOS，提供系統(tǒng)工作初始狀態(tài)等信息。
2．3．2 IEC61850規(guī)約
    ARM對(duì)來(lái)自接口板的經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及采集板高速A／D轉(zhuǎn)換的9-1，9-2及GOOSE報(bào)文信號(hào)進(jìn)行解析、注釋、報(bào)文存儲(chǔ)等操作。
2．3．3 人機(jī)界面
    該部分包含人機(jī)交互界面控制、波形顯示等功能，實(shí)現(xiàn)用液晶顯示屏完成來(lái)自采集板的數(shù)據(jù)顯示，并通過(guò)鍵盤操作完成部分等同于數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能。如波形平移、放大、縮小以及測(cè)試通道的切換等操作。使操作者能更直接地觀察到變電站實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文從硬件方面介紹了一臺(tái)基于ARM和FPGA用于完成數(shù)字化變電站實(shí)時(shí)信號(hào)的獲取、解碼、分析、顯示等功能的光纖信號(hào)分析儀的研究與設(shè)計(jì)。能快速直接的掌握變電站的工作狀態(tài)，設(shè)備的運(yùn)行情況及報(bào)警、報(bào)修等有用信息。為了操作攜帶更為方便，以后將考慮將設(shè)備向小型化、手持式方向發(fā)展，這就需要設(shè)備在功耗、節(jié)能方面的表現(xiàn)更加優(yōu)越。