Pci總線電能質量瞬態事件采集卡及其采集方法

專利名稱：：Pci總線電能質量瞬態事件采集卡及其采集方法
技術領域：
：本發明屬于電能質量檢測分析
技術領域：
，涉及一種PCI總線電能質量瞬態事件采集卡及其采集方法，應用于記錄一個網點電壓發生的電能質量瞬態事件。
背景技術：
：現有的PCI總線數據采集卡構成原理是采集卡由輸入信號調理電路、A/D轉換器、RAM或FIFO(先進先出)存儲器、PCI總線橋接芯片及其A/D轉換、數據存儲與傳輸控制器組成。采集卡工作時，按所設定的采集速率，將模擬信號轉換為數據量、先緩存于存儲器中，而后通過PCI總線傳輸。根據？<:12.2總線規范，在33MHz時鐘下，PCI總線的數據最大流通量為132M字節/秒。考慮到在臺式PC體系結構中，系統其它外設要擠占一部分PCI總線資源，采集卡能夠實際利用的數據流通量只有上述的50%左右，致使在多通道高速采集卡設計中，數據采集速率和通道數目受到PCI總線的數據流通量嚴重制約。現有的采集卡設計方案為了規避這一瓶頸，或是采用較低采樣速率的連續采集方式、減少總數據采集量，以適應PCI總線的數據流通量；或是采用較高采樣速率的間歇采集方式，采集卡每次只采集一定時間長度的數據，先緩存于RAM或FIFO存儲器中，然后再逐一通過PCI總線傳輸數據。然而，對于采集電能質量瞬態事件信號的一類應用來說，常態下的被采集信號所包含的非基波分量位于低頻段，只是在發生瞬態事件的時段中，才會含有大量的中高頻分量，顯而易見，PCI總線數據采集卡采集這類信號，用持續不變的較高采樣速率是不合理的、這樣既限制了采集速率的提高，又采集了大量無意義數據，徒增PC系統開銷，而用較低采樣速率則會捕捉不到完整的瞬態事件信息。
發明內容為了解決上述技術問題，本發明提供一種PCI總線電能質量瞬態事件采集卡及其采集方法，具有采集一個電壓網點(A相、B相、C相和N線)所需要的4個數據采集通道，轉換精度為12位分辨率。在PCI總線能夠承載的數據流通量下，采集卡設計從優化采集卡的數據采集控制方式和數據傳輸控制策略兩個方面入手，使每一通道的事件采集速率達到20MSPS(每秒兆次采樣)。所采用的具體技術方案是一種PCI總線電能質量瞬態事件采集卡，由A/D轉換器、FIFO存儲器、PCI總線橋接加速器、數據采集控制器和數據傳輸控制器構成，其特征是設有第一、第二、第三、第四共四個采集通道分別采集一個電壓網點的A相、B相、C相和N線電壓，各采集通道單獨配置有A/D轉換器和FIFO存儲器，其相互之間通過數據總線連接，A/D轉換器為多級流水線結構；每二個采集通道設置一個數據采集控制器，這二個采集通道的A/D轉換器、FIFO存儲器分別通過控制信號總線與該數據采集控制器連接；各采集通道的FIFO存儲器通過控制信號總線與數據傳輸控制器連接，通過數據總線與PCI總線I/0加速器連接；數據傳輸控制器通過控制信號總線與PCI總線I/O加速器連接；PCI總線I/O加速器通過PCI總線連接器連接計算機PCI總線。所述的PCI總線電能質量瞬態事件采集卡，其特征在于驅動A/D轉換器的轉換時鐘和FIFO存儲器的寫時鐘是20MHz，相位差180°，每一FIFO存儲器的讀數時鐘是40MHz。所述的PCI總線電能質量瞬態事件采集卡，其數據采集方法的特征在于按電能質量瞬態事件發生與否自動變換數據采集速率，發生事件為20MSPS，未發生事件為20kSPS，且采集速率的切換是通過控制每一采集通道FIFO存儲器的寫使能信號實現的。所述的采集方法，其特征在于采集數據的PCI總線傳輸采用FIFO存儲器lk數據塊巡査發送控制策略。應用軟件通過PCI總線啟動數據傳輸，當數據傳輸控制器確認出現在本地總線上的數據傳輸控制信號有效后，首先判定是否從第一采集通道的FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線，若該FIFO存儲器的幾乎空標志為高電平，則指示已緩存數據已超過lk，于是數據傳輸控制器同時置FIFO存儲器的讀使能信號有效和本地控制總線中的數據已準備好信號有效，按40MHz的讀時鐘從該FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線，然后轉入判定是否從第二采集通道FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線；若FIFO存儲器的幾乎空標志為低電平，指示緩存的數據不足lk,則直接轉入判定是否從第二采集通道的FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線；第三、第四采集通道依次類推，如此周而復始，直至出現下述兩種情形之一后中斷數據傳輸進程，一是應用軟件請求傳輸的數據塊已傳完，則立即結束本次數據傳輸，釋放本地總線；二是每個通道的FIFO存儲器中所緩存的數據均不足lk，則暫停等待。數據采集采用按電能質量瞬態事件發生與否變換數據采集速率控制方式，在通道發生電能事件時的采集速率為20MSPS，而未發生電能事件則為20kSPS，有效提高了采集數據的信息量；數據傳輸釆用FIFO存儲器lk數據塊巡查發送控制策略，只有當巡査到的采集通道FIFO存儲器已緩存有lk數據時，才從該通道讀出lk數據塊傳送到PCI總線，若是緩存數據不足lk或是在傳送完lk數據塊后，立即轉入檢査下一采集通道，如此周而復始，避免單個通道獨占PCI總線，阻滯其它通道傳輸，進而阻塞數據采集，導致電能質量瞬態事件信息采集遺漏。本發明提供的PCI總線電能質量瞬態事件采集卡包括(1)用于模擬信號采集的模數轉換單元，每個采集通道獨立配置，由四片A/D轉換器AD9226構成。AD9226轉換器為8級流水線結構，最高采樣速率為65MSPS，將被采集模擬信號轉換為12位數據量，送至FIFO存儲器的輸入數據總線端口。(2)用于模數轉換結果的緩存單元，每個采集通道獨立配置，由四片FIFO存儲器IDT72V265構成。IDT72V265存儲器為18位字寬、16k存儲容量，具有超同步讀寫特性，并發數據讀寫互不影響。FIFO存儲器存儲的采集數據有效位為16位，其中D11D0為A/D轉換結果，D12位為A/D轉換結果溢出標志，D13位為控制器寫入的事件采集標志，D14和D15位為通道號。(3)用于通道數據采集的控制單元，由兩片CPLD(復雜可編程邏輯器件)控制器EPM7128S構成。一片控制A相和B相采集通道的A/D轉換器和模數轉換結果FIFO存儲器緩存，一片控制C相和N線采集通道的A/D轉換器和模數轉換結果FIFO存儲器緩存。控制器實現的每一通道數據采集控制功能是①產生AD9226模數轉換所需的20MHz時鐘信號，②產生將A/D轉換結果寫入FIFO存儲器所需的20MHz時鐘信號，由于A/D轉換器的模數轉換和FIFO存儲器的數據寫入都是由各自時鐘信號的上升沿驅動的，因此FIFO寫時鐘信號與A/D轉換時鐘信號互為倒相關系，③按FIFO存儲器的存儲狀態和發生電能質量瞬態事件的指示信號(由采集卡上連接器輸入)產生將A/D轉換結果寫入IDT72V265的寫使能信號，當發生電能質量瞬態事件時寫入速率為20M字/秒，未發生時為寫入速率20k字/秒，向FIFO存儲器的D13位寫入事件采集標志。(4)用于數據采集卡本地總線與PCI總線的橋接單元，由一片PCI總線I/0加速器PCI9054構成，支持兩側總線異步傳輸數據。通過對PCI9054的內部配置寄存器進行工作模式配置，實現將PCI總線側的數據傳輸控制信號變換為采集卡上本地總線側的數據傳輸控制信號。本發明使用PCI9054的DMA0通道傳輸采集數據，數據傳輸配置為地址不變(DMAMODEO[l1]=1)的連續突發(置結束突發使能位DMAMODE0[7]和突發使能位DMAMODE0[8])模式，數據總線為16位字寬(DMAMODE0=0)，本地總線時鐘為40MHz。(5)用于四個采集通道的FIFO存儲數據讀出并向PCI總線傳送的控制單元，由一片CPLD控制器EPM7128S構成。控制器實現的功能是①按本地總線上的數據傳輸控制信號啟動數據傳輸進程，②按巡査FIFO存儲器是否已存儲lk數據的結果控制lk數據塊傳輸，若均不足lk數據則暫停等待，③分別產生四個FIFO存儲器的40MHz讀時鐘信號，④按本地總線上的數據傳輸控制信號停止數據傳輸進程。控制器控制四個FIFO存儲器向PCI總線發送數據的控制策略是應用軟件通過PCI總線啟動數據傳輸，當CPLD控制器確認出現在本地總線上的數據傳輸控制信號有效后，首先判定是否從第一采集通道的FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線，若其FIFO存儲器的幾乎空標志為高電平，則指示已緩存超過lk數據，于是CPLD控制器同時置FIFO存儲器的讀使能信號有效和本地控制總線中的數據己準備好信號有效，按40MHz讀時鐘從該FIFO存儲器中讀出lk數據塊，通過PCI9054發送到PCI總線，然后轉入判定是否從第二采集通道FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線；若FIFO存儲器的幾乎空標志為低電平，指示已緩存數據不足lk，則直接轉入判定是否從第二采集通道的FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線；如此周而復始，直至出現下述兩種情形之一后中斷數據傳輸進程，一是應用軟件請求傳輸的數據塊已傳完，則立即結束本次數據傳輸，釋放本地總線；二是每個通道的FIFO存儲器中所緩存的數據均不足lk，則暫停等待。在上述數據傳輸過程中，由于超同步FIFO存儲器的數據讀寫互不影響，數據采集正常進行。本發明提出的用于采集電能質量瞬態事件的PCI總線4通道數據采集卡，具有以下應用效果和特點1、電能質量瞬態事件的發生具有突發隨機性和持續短暫性，數據采集控制方式按有事件20MSPS、無事件20kSPS進行，有效避免了大量無意義數據，在滿足PCI總線數據流通量前提下，保證了電能質量瞬態事件信息采集的在線連續性。2、采用8級流水線結構A/D轉換器，不會因事件鑒別的閾值和延時造成瞬態事件起始信息遺漏，確保了事件信息采集的完整性。3、通過置A/D轉換器為20M恒速轉換，用FIFO存儲器寫使能信號控制數據采集速率為20MSPS或20kSPS，既避免了采用A/D轉換速率切換所引起的轉換精度下降，又使流水線結構A/D轉換器的采樣數據存儲控制大為簡化。4、每一采集通道單獨配置超同步FIFO存儲器，采集數據的寫入與讀出互不影響。5、數據傳輸采用FIFO緩存lk數據塊巡查發送控制策略，既避免了一個通道獨占PCI總線傳輸，阻滯其它通道，進而阻塞數據采集，致使事件信息采集不完整，又減小了主機組織事件記錄文檔的開銷。綜上所述，本發明提出的用于采集電能質量瞬態事件的4通道PCI總線數據采集卡，能夠在線采集一個網點4路交流電壓中發生的電能質量瞬態事件，通過PCI總線傳輸并完整記錄，捕捉波形能力達到10MHz。圖1是本發明的電路構成原理方框圖。圖2是A相和B相采集通道的數據采集部分原理電路圖。圖3是C相和N線采集通道的數據采集部分原理電路圖。圖4是PCI總線數據傳輸部分的原理電路圖。圖5是PCI總線數據傳輸控制程序框圖。具體實施方式在圖1圖4中，l是采集卡外部輸入信號連接器，2是A相和B相采集通道的數據采集部分，3是C相和N線釆集通道的數據采集部分，4是PCI總線數據傳輸部分，5是PCI總線連接器，6-9分別是A相、B相、C相和N線采集通道的數據釆集電路，Dal、Dbl、Dcl和Dnl分別是A相、B相、C相和N線采集通道的A/D轉換器AD9226，Da2、Db2、Dc2和Dn2分別是A相、B相、C相和N線采集通道的FIFO存儲器IDT72V265，Dab是A相和B相采集通道的數據采集控制器EPM7128S，Dcn是C相和N線采集通道的數據采集控制器EPM7128S，D1是PCI總線I/0加速器PCI9054，D2是PCI總線數據傳輸控制器EPM7128S。在圖1中，十Va禾口-Va、+Vl^B-Vb、十Vc和-Vc、+丫!1和-￥11分別是八相、B相、C相、N線通道的差分輸入信號，Val和Vah、Vbl和Vbh、Vcl和Vch、Vnl和Vnh分別是指示A相、B相、C相、N線通道發生電能質量瞬態事件的輸入信號，DOal2DOaO、DOM2DObO、DOcl2DOcO和DOnl2DOnO分別是Dal、Dbl、Dcl和Dnl的模數轉換結果輸出數據總線(12位轉換結果+溢出標志)，ADa、ADb、ADc和ADn分別是Dal、Dbl、Dcl和Dnl的模數轉換控制信號總線，WRa、WRb、WRc和WRn分別是Da2、Db2、Dc2和Dn2的數據寫入控制信號總線，RDa、RDb、RDc和RDn分別是Da2、Db2、Dc2和Dn2的數據讀出控制信號總線，D15D0是Da2、Db2、Dc2和Dn2的輸出數據總線，LBus是數據采集卡的本地控制信號總線。采集卡的模數轉換輸入信號+Vx和-Vx(x=a、b、c、n)和指示發生電能質量瞬態事件輸入信號Vxl和Vxh(x=a、b、c、n)均來自信號調理板，由信號調理板電路將網點交流電壓進行電阻分壓、高輸入阻抗4低輸出阻抗變換、單端輸入信號—差動輸出信號變換以及二階高通濾波和瞬態事件鑒別(窗口比較器)等處理后得到。8采集卡的A相和B相采集通道原理電路如圖2所示，圖中+Va和-Va、+￥1)和々1)分別連接至ljDal和Dbl的46引腳VinA和47引腳VinB，Vah、Val、Vbh和Vbl分別連接到控制器Dab的IO腳68~71，A/D轉換器Dal和Dbl的ADC控制總線信號ADa和ADb(轉換時鐘CLK和數據輸出使能OEB弁)分別連接到控制器Dab的IO腳54、53和32、30，FIFO存儲器Da2和Db2的數據寫入控制總線信號WRa和WRb(發生事件標志D13、FIFO半滿標志HW、幾乎滿標志PAF弁、已滿標志FFl寫入使能WENL寫入時鐘WCLK和主復位MRS弁)，分別連接到控制器Dab的IO腳52、50、49、48、45、46、47和29、28、27、25、22、23、24，Dab實現的A相和B相通道數據采集控制邏輯如表l所示。表l通道數據采集控制邏輯<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注表中x表示采集通道，x=a、b、c或n，H表示邏輯高電平，L表示邏輯低電平。采集卡的C相和N線采集通道原理電路如圖3所示，圖中+Vc和-Vc、+￥11和^11分別連接到Dcl和Dnl的46引腳VinA和47引腳VinB，Vch、Vcl、Vnh和Vnl分別連接到控制器Dcn的10腳77~80，A/D轉換器Dcl和Dnl的ADC控制總線信號ADc和ADn(轉換時鐘CLK和數據輸出使能OEB弁)分別連接到控制器Dcn的IO腳55、53和33、31，FIFO存儲器Dc2和Dn2的數據寫入控制總線信號WRc和WRn(發生事件標志D13、FIFO半滿標志HFL幾乎滿標志PAF#、已滿標志FFl寫入使能WEN^寫入時鐘WCLK和主復位MRS"，分別連接到控制器Dcn的IO腳52、50、49、48、42、44、45和30、28、27、25、23、24、25，控制器Dcn實現的C相和N線通道數據采集控制邏輯同表1。圖4所示為PCI總線數據傳輸部分的原理電路，FIFO存儲器Da2、Db2、Dc2和Dn2的數據讀出控制總線信號RDa、RDb、RDc和RDn(幾乎空PAE艮讀時鐘信號RCLK和讀使能信號REN弁)，分別連接到控制器D2的IO腳41、42、43、46、48、50、52、53、54、67、68、69，本地總線的數據傳輸控制信號LBus包括了PCI9054的BLASTtADS#、LHOLDA、LHOLD、READY#、LBE1存和LW/R弁以及地址信號LA21、LA22、LA23,分別連接到控制器D2的IO腳16、17、19、20、21、36、37、22、23、24，控制器D2實現FIFO緩存lk數據塊巡査發送控制策略的控制邏輯如表2所示。數據傳輸控制程序框圖如圖5所示。表2PCI總線數據傳輸控制邏輯<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>注H表示邏輯高電平，L表示邏輯低電平，x表示任意邏輯電平。權利要求1.一種PCI總線電能質量瞬態事件采集卡，由A/D轉換器、FIFO存儲器、PCI總線橋接加速器、數據采集控制器和數據傳輸控制器構成，其特征是設有第一、第二、第三、第四共四個采集通道分別采集一個電壓網點的A相、B相、C相和N線電壓，各采集通道單獨配置有A/D轉換器和FIFO存儲器，其相互之間通過數據總線連接，A/D轉換器為多級流水線結構；每二個采集通道設置一個數據采集控制器，這二個采集通道的A/D轉換器、FIFO存儲器分別通過控制信號總線與該數據采集控制器連接；各采集通道的FIFO存儲器通過控制信號總線與數據傳輸控制器連接，通過數據總線與PCI總線I/O加速器連接；數據傳輸控制器通過控制信號總線與PCI總線I/O加速器連接；PCI總線I/O加速器通過PCI總線連接器連接計算機PCI總線。2.根據權利要求1所述的PCI總線電能質量瞬態事件采集卡，其特征在于驅動A/D轉換器的轉換時鐘和FIFO存儲器的寫時鐘是20MHz，相位差180°，每一FIFO存儲器的讀數時鐘是40MHz。3.根據權利要求1所述的PCI總線電能質量瞬態事件采集卡，其數據采集方法的特征在于按電能質量瞬態事件發生與否自動變換數據采集速率，發生事件為20MSPS，未發生事件為20kSPS，且采集速率的切換是通過控制每一采集通道FIFO存儲器的寫使能信號實現的。4.根據權利要求3所述的采集方法，其特征在于采集數據的PCI總線傳輸采用FIFO存儲器lk數據塊巡查發送控制策略；應用軟件通過PCI總線啟動數據傳輸，當數據傳輸控制器確認出現在本地總線上的數據傳輸控制信號有效后，首先判定是否從第一采集通道的FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線，若該FIFO存儲器的幾乎空標志為高電平，則指示已緩存數據已超過lk，于是數據傳輸控制器同時置FIFO存儲器的讀使能信號有效和本地控制總線中的數據已準備好信號有效，按40MHz的讀時鐘從該FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線，然后轉入判定是否從第二采集通道FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線；若FIFO存儲器的幾乎空標志為低電平，指示緩存的數據不足lk，則直接轉入判定是否從第二采集通道的FIFO存儲器中讀出lk數據塊發送到PCI總線；第三、第四采集通道依次類推，如此周而復始，直至出現下述兩種情形之一后中斷數據傳輸進程，一是應用軟件請求傳輸的數據塊已傳完，則立即結束本次數據傳輸，釋放本地總線；二是每個通道的FIFO存儲器中所緩存的數據均不足lk，則暫停等待。全文摘要本發明提供一種PCI總線電能質量瞬態事件采集卡及其采集方法，屬于電能質量檢測分析
技術領域：
。采集卡按采集一個網點需要設置四個采集通道，每一通道獨自配置有12位分辨率的A/D轉換器和FIFO存儲器，按電能質量瞬態事件發生與否變換數據采集速率，發生事件為20MSPS，未發生為20kSPS，有效提高了采集數據的信息量。PCI總線數據傳輸采用FIFO緩存1k數據塊巡查發送控制策略，只有當巡查到的采集通道中的FIFO存儲器已緩存有1k數據時，才從該通道讀出1k采集數據傳送到PCI總線，若是緩存數據不足1k或傳送完1k數據塊后，立即轉入檢查下一采集通道，避免單個通道獨占PCI總線，阻滯其它通道傳輸，進而阻塞數據采集。文檔編號G01R19/00GK101308171SQ200810122530公開日2008年11月19日申請日期2008年5月30日優先權日2008年5月30日發明者偉孫,宣善立,戴冬明,朱明星,查志民,棟梁,年王,鄭常寶,權陳申請人:安徽大學;上海寶鋼安大電能質量有限公司