一種電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要 介紹了一種電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，并針對信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、FPGA及外圍電路、USB接口以及電源模塊電路進行了詳細介紹。該電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用USB+FPGA結(jié)構(gòu)，在提高傳輸速率的同時也增加了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲與預處理的靈活性，具有較強的適用性。
關(guān)鍵詞 電力監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；A／D轉(zhuǎn)換器；USB接口

    隨著電力系統(tǒng)及其自動化的發(fā)展，越來越多的電力系統(tǒng)設(shè)備需要采用實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集，從而保證電力系統(tǒng)設(shè)備可以安全、可靠地運行。因此，對電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究，具有重要的現(xiàn)實意義。
    本文設(shè)計了一種電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用USB接口作為通信方式，同時利用AD9238完成電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)直接送到FPGA中。其中USB接口直接與FPGA相連，采集后的數(shù)據(jù)既可以暫存到FPGA中，也可直接經(jīng)過USB接口發(fā)送到PC中，同時對于采集后的數(shù)據(jù)也可以在FPGA內(nèi)部做相應的預處理后上報給PC機。因此，該電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有更廣泛的適用性。

1 電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計
    電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示，主要包括信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器電路、FPGA及其外圍電路、USB接口以及電源電路等。

    其中信號調(diào)理電路主要完成模擬信號的預處理，即經(jīng)過信號的調(diào)理使輸入模擬信號滿足A／D轉(zhuǎn)換器輸入信號要求，包括了輸入信號電壓范圍以及單端或是差分輸入形式等；A／D轉(zhuǎn)換器電路將調(diào)理后的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，其中A／D轉(zhuǎn)換器的采樣速率和分辨率的選擇可針對不同系統(tǒng)需求選擇合適的性能指標，設(shè)計中采用的AD9238采樣速率為40 Msample·s-1，分辨率為12 bit；FPGA及外圍電路主要將采集后的數(shù)字信號進行存儲或相應的預處理，由于其具有可編程的特點，使得該部分的處理功能具有更好的靈活性；為獲得較高的傳輸率，本設(shè)計利用USB接口電路將采集后的數(shù)據(jù)上報給PC機；電源模塊主要完成電壓轉(zhuǎn)換功能。

2 系統(tǒng)各組成電路設(shè)計
2．1 信號調(diào)理電路
    信號調(diào)理部分主要針對A／D轉(zhuǎn)換器性能要求而設(shè)計，包括模擬信號輸入電壓、信號輸入形式等。由于本設(shè)計中A／D轉(zhuǎn)換器需要差分信號輸入，因此信號調(diào)理部分需要采用單端轉(zhuǎn)差分器件，該器件采用Mini—Circuits生產(chǎn)的ADT1—1。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換器電路
    A／D轉(zhuǎn)換器電路采用ADI公司生產(chǎn)的AD9238，該器件是一款雙通道、12bit、20／40／65 Msample·s-1模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率選擇40Msa-mple·s-1。該器件采用差分輸入形式，模擬輸入范圍Vp-p=1～2 V。
2．3 FPGA及外圍電路
    FPGA(Programmable Gate Array)是現(xiàn)場可編程陣列的簡稱。FPGA器件是一種由用戶根據(jù)所設(shè)計數(shù)字電路系統(tǒng)的要求，在現(xiàn)場自行配置、定義的高密度專用數(shù)字集成電路。它具有小型化、低功耗、可編程、數(shù)字化和快速、方便、實用的特點。系統(tǒng)采用Cyclone系列FPGA，其內(nèi)部資源較多，可滿足系統(tǒng)中的存儲與預處理之用。
2．4 USB接口電路
    設(shè)計中USB接口電路采用了CY7C68013芯片，該芯片是Cypress公司USB2．0的集成微控制器，如圖2所示。該芯片內(nèi)部具有增強型8051內(nèi)核，其標準與8051兼容。同時，內(nèi)部集成了1個USB數(shù)據(jù)收發(fā)器、3個8位I／O口、1個智能USB串行接口引擎、16位地址線、4kB BFIFO等。

2．5 電源模塊電路
    系統(tǒng)電源采用5 V供電，F(xiàn)PGA以及A／D轉(zhuǎn)換器等器件需要采用3．3 V供電，因此需要采用電源模塊實現(xiàn)5～3．3 V的電壓轉(zhuǎn)換。設(shè)計中電源模塊采用LT1764-3．3，該芯片可以提供1 A的供電電流，可以滿足系統(tǒng)需求。

3 結(jié)束語
    電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動化體系中必不可少的設(shè)備，它可以對電力系統(tǒng)運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量以及各類信號報警等各項功能。設(shè)計的電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用USB接口，提高了數(shù)據(jù)傳輸率，同時FPGA的采用使數(shù)據(jù)存儲與預處理更加方便、靈活，因此該設(shè)計在電力系統(tǒng)中具有較強的適用性。