《电子技术应用》

基于AD7606的智能电网数据采集系统设计

2016年微型机与应用第22期 作者:王水鱼,王伟
2017/1/9 20:09:00

  王水鱼,王伟

  (西安理工大学,陕西 西安 710048)

        摘要:鉴于智能化变电站设备中的多路电流和电压的测量和监控需求,设计了一种基于AD7606多通道数据采集系统。详细介绍了16位、8通道模数转换芯片AD7606的工作特性及常用工作方式设置,以此为基础设计了以现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)为核心控制器的模/数转换的控制和信号传输的软件代码。该系统可通过串口总线与PC之间实现数据交换,适用于智能电网中电力系统参数的采集。

  关键词:数据采集;多通道;AD7606;FPGA;

  中图分类号:TM93文献标识码:A DOI: 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.22.002

  引用格式:王水鱼,王伟. 基于AD7606的智能电网数据采集系统设计[J].微型机与应用,2016,35(22):8-10.

0引言

  当今世界电力系统发展和变革日新月异,进入21世纪,智能电网成为最新动向,并逐步成为一项庞大的系统工程。智能电网就是电网的智能化,它是融合了现代先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术、控制技术以及先进的决策支持系统技术,与物理电网高度集成,以特高压电网为骨干网架,以各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础而形成的新型电网[1]。

  高性能模拟数字转换器ADC提供了可以满足智能化变电站系统所需的性能和分辨率,它的使用使信号处理技术日益增强,从而使系统的稳定性不断提高。AD7606是ADI公司生产的一款16位8通道同步采样ADC,具有优异的信噪比(SignalNoise Ratio,SNR),并且可以通过过采样模式进一步提高SNR。智能化变电站系统中往往包含多个电流/电压互感器,对ADC的通道数的需求较多。

  AD7606多通道的集成使得多路电压/电流的监控和测量变得轻松,可以更加方便地对电力线路上可能发生的各种异常事件进行实时检测和管理,实现变电站的管理智能化、测量数字化和功能综合化,顺应智能化系统发展方向,确保电力系统的安全稳定运行[2]。

1硬件电路设计

  本设计以Altera公司EP4C系列EP4CE15F23C8型芯片FPGA为采集模块控制核心,用于接受PC下发的采集命令,上传多通道采集数据。EP4C系列FPGA部逻辑资源丰富、配置灵活、处理速度高,可以满足多路信号的高速采集与处理需求,尤其适用于对实时性、可靠性要求严格的应用中。

  1.1A/D转换芯片AD7606

  AD7606为16位同步采样ADC,每个芯片有8个采集通道,所有的通道均能以200 kS/s的速率进行采样。它不需要正负双电源,而是采用5 V单电源供电,并支持双极性信号输入,输入范围可选±5 V、±10 V,同时模拟输入端箝位保护电路可以承受最高达±16.5 V的电压,具有1 MΩ模拟输入阻抗的输入缓冲器。它采用2.5 V基准电压源,提供了过采样和数字滤波功能。通过管脚OS[2:0]可以设置过采样倍数(OSR)为:×2,×4,×8,×16,×32,×64。AD7606具有并行接口、高速串行接口和并行字节接口,可以直接与FPGA相连,从而实现电压、电流数据的同步采集功能[3]。

  1.2AD7606硬件配置方式及其与FPGA接口

  (1)设置RANGE=0,设置模拟输入范围是±5  V。

  (2)设置PAR/SER/BYTE SEL=0,选择使用并行接口模式。

  (3)将CONVSTA与CONVSTB短接,所有通道同步采样。

  (4)设置REF SELECT=1,使用内部基准电压。

  AD7606与FPGA接口电路如图1所示。

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2系统软件设计与实现

  本数据采集系统采用Verilog HDL编程,在顶层模块中例化3个子模块,分别是AD7606模块、Volt_cal模块、UART模块。系统软件整体结构如图2。

 

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  2.1AD7606模块

  此模块根据AD7606的时序实现对其控制,并将采集到的8路16 bit数据送入Volt_cal模块。在采样开始之前,给AD7606的RESET引脚一个时间不小于50 ns的正脉冲,对AD7606进行复位。之后等待转换信号,FPGA生成一个不小于25 ns的CONNVST负脉冲,在CONNVST上升沿启动AD转换。转换期间BUSY信号保持高电平,直到所有通道转换结束,BUSY变为低电平,此时8路转换数据被锁存至输出数据寄存器。将CS设置为低电平,使能数据帧传输,同时设置8个RD负脉冲就可以将寄存器中的数据通过DB0DB15传输至FPGA,FPGA将8路信号分别输出供下级模块处理。时序图如图3所示。

 

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  2.2Volt_cal模块

  AD7606的输出编码方式为二进制补码。所设计的码转换在连续最低有效位(Least Significant Bit, LSB)整数的中间(即1/2LSB和3/2LSB)进行。AD7606的LSB大小为FSR(满量程)/65 536。AD7606的理想传递特性如图4所示。

 

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  本系统设置RANGE=0, 即模拟输入范围是±5 V。可知1 LSB=5 V/32 768=0.15 mV。Volt_cal模块把从AD7606模块采集到的16 bit的数据进行适当转换:bit[15]转换为正负符号,bit[14:0]先通过以下的公式转换成电压值,再把十六进制的电压值转换成20 bit BCD码,然后把8路数据的符号和电压值传输给UART模块进行发送[4]。

  VIN=(CODE×5 V)/32768

2.3UART串口发送模块

  此模块根据UART串口发送协议,依次将8路的电压值通过串口总线发送到PC,在上位机软件上可以观测采集到的电压值。

  串口的发送时钟通过50 MHz的片上时钟分频得到,发送的波特率采用9 600 b/s。

3系统测试及性能分析

  表1为8个通道(CH1~CH8)对四个模拟电压值的测试结果, 第一列基准电压为高精度数字万用表测量的数据,后面8列为AD7606采集的结果。通过外加电压和高精度的电压表的测量比较,在-5 V~+5 V电压输入范围之间AD7606的实际测量误差在2 mV以内,符合设计需求。

  

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  在本系统中,尚未使用过采样倍率使能过滤器来提高AD的精度,在对采样的速度要求不高的情况下,可以在程序里采用设置过采样倍率的方法,进一步提高采样的精度[5]。

4结论

  本方案设计了一个基于AD7606的8路模拟电压/电流信号的数据采集系统,通过并联AD7606芯片,还可以实现16路甚至更多通道的数据采集。这种方案不仅可以通过串口总线或者以太网上传实时的数据到PC,也可以利用FPGA强大的数据处理能力在本地把采样数据按照标准的数据传输协议进行组帧发送给合并单元。将FPGA与AD7606结合,进行数字系统设计,可以简便、高速地实现多路数据采集和处理,具有体积小、结构简单、数据处理能力强的优点,在智能电网系统具有很大的应用价值。

  参考文献

  [1] 于克泳,孙建军.新一代16位8通道同步采样ADCAD7606在智能电网中的应用[J].电子产品世界,2010,17(10):63-65.

  [2] 童宁. 基于FPGA的电子式互感器数据采集系统[D].武汉:华中科技大学,2013.

  [3] 吴骞. AD7606在电力系统参数采集中的应用与设计[J]. 电子世界,2012(21):68-69.

  [4] 丁国成,甄超,孙明利,等. 基于FPGA技术的高精度电子式互感器采集系统的设计[J]. 安徽电力, 2015(2):18-20.

  [5] 陶海军,张一鸣,曾志辉,等.基于AD7606的多通道数据采集系统设计[J].工矿自动化,2013,39(12):110-113.


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