一种基于FPGA的电力数据采集系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于FPGA的电力数据采集系统，所述系统包括FPGA模块、模拟量数据采集模块、网络模块、EEPROM模块和开关量采集模块；所述模拟量数据采集模块用于将模拟输入信号处理后传送给所述FPGA模块；所述开关量采集模块用于将开关量信号处理后传送给所述FPGA模块；所述FPGA模块用于处理所述模拟输入信号和所述开关量信号；所述EEPROM模块用于存储所述网络模块的配置信息，所述网络模块用于实现系统和外界传输数据。本发明专利技术采用FPGA为主控器件，大大提高了数据采集的速度和A/D转换的精度，该系统具有设计简单、成本低、功耗低和体积小等特点，可以根据不同的要求进行现场修改，增大了系统设计的成功率和灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的电力数据采集系统
本专利技术涉及一种电力数据采集系统，具体涉及一种基于FPGA的电力数据采集系统。
技术介绍
我国经济的高速发展带动了各行业对电力的大量需求，因此，迫切需要对电力供应进行科学的管理，电力数据采集系统作为电力供需管理的基本环节，发挥着重要作用，电力系统的发展对电力数据采集系统的精确性、实时性以及可靠性都提出了更高的要求。传统设计方法是应用MCU或DSP通过软件控制数据采集的A/D转换，这样必将频繁中断系统的运行，从而减弱系统的数据运算能力，数据采集的速度也受到限制。与MCU和DSP相比，FPGA在多路并行采集方面具有明显优势。单片机受指令周期以及处理速度的影响，难以对多个通道、A/D组成的阵列进行控制，且其总线宽度有限，对于多路数据采集来说，存在数据带宽不足的瓶颈。若采用多个单片机并行的方式，则又造成了系统复杂、功耗高、体积大等致命缺点。DSP虽然可以实现较高速的数据采集，但在其速度提高的同时，也增加了系统的硬件成本，特别是DSP的各种功能需要靠软件的运行来实现，其时间消耗在整个采样时间中所占比例偏大，因此其执行的速度和效率不高。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于FPGA的电力数据采集系统，本专利技术通过引入FPGA模块，增大了系统设计的成功率和灵活性，并具有功耗低、体积小等优点。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采取如下技术方案：一种基于FPGA的电力数据采集系统，所述系统包括FPGA模块、模拟量数据采集模块、网络模块、EEPROM模块和开关量采集模块；所述模拟量数据采集模块用于将模拟输入信号处理后传送给所述FPGA模块；所述开关量采集模块用于将开关量信号处理后传送给所述FPGA模块；所述FPGA模块用于处理所述模拟输入信号和所述开关量信号；所述EEPROM模块用于存储所述网络模块的配置信息，所述网络模块用于实现系统和外界传输数据。优选的，所述采集系统还包括GPS模块，所述GPS模块用于获取时间信息，提供串口秒脉冲和10ms脉冲。优选的，所述模拟量数据采集模块用于采用4个16位8通道自同步模拟转换器，并集成模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC内核、数字滤波器、2.5V基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口。优选的，所述网络模块内部集成了TCP/IP协议栈、以太网MAC层及PHY层，支持8个独立的Socket通信，内部128K字节的发送/接收缓冲区快速进行数据交换，在TCP协议下，网络速率最高达到80Mbps。优选的，所述FPGA模块包括数据校正模块、时间控制模块、AD控制模块、采集测量模块、SDU组包模块、PDU组包模块、数据转移模块、以太网控制模块和EEPROM控制模块，所述AD控制模块用于获得所述模拟输入信号；所述数据校正模块用于利用校正因子对所述模拟输入信号进行校正后得到最终的模拟数据；所述采集测量模块用于采集所述开关量信号；所述SDU组包模块用于将所述GPS模块提供的时间信息、所述最终的模拟数据和所述开关量信号组成业务数据单元SDU；所述PDU组包模块将多个所述SDU组成一个协议数据单元PDU；所述数据转移模块用于将所述PDU数据包内容及数据字节长度分别写入内容先入先出队列DataFIFO和字节长度先入先出队列SizeFIFO；所述以太网控制模块用于获取网络配置信息并将所述PDU数据通过网络接口发送出去，所述时间控制模块通过计数器控制AD采样及所述SDU数据包发送给模块的时序；所述EEPROM控制模块用于读取所述EEPROM模块的配置信息和写入命令到所述EEPROM模块。优选的，所述AD控制模块包括启动控制模块，用于根据不同的采样频率配置，向AD芯片发送采样指示脉冲；延迟控制模块用于数据迟延控制，将同时采集到的数据，通过延迟控制，让其在时间上错开；S2P模块用于将AD采样数据进行串行到并行16位变换。优选的，所述采集测量模块包括频率测试模块，根据4路测频信号，通过计数器控制输入信号频率，将4个32bit的计数器值打包写入所述SDU数据中；IO通道信号控制模块，用于将所述开关量信号通过DI通道输入，通过DO通道输出。优选的，所述EEPROM控制模块包括EEPROM接口控制模块、EEPROM数据写入模块和EEPROM数据读取模块，所述EEPROM接口控制模块时所述FPGA模块和所述EEPROM模块的接口模块；所述EEPROM数据写入模块在写使能有效时，将写命令、写地址和写数据通过串行方式写入所述EEPROM模块中；在读使能有效时，将读命令、读地址通过串行方式写入所述EEPROM模块中；所述EEPROM数据读取模块，用于从所述EEPROM模块中读取出AD校正因子和所述网络模块的配置信息。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用FPGA为主控器件，大大提高了数据采集的速度和A/D转换的精度，该系统具有设计简单、成本低、功耗低和体积小等特点，可以根据不同的要求进行现场修改，增大了系统设计的成功率和灵活性。附图说明图1是本专利技术提供的一种基于FPGA的电力数据采集系统的结构图图2是本专利技术提供的电力数据采集系统中FPGA模块的结构图具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，一种基于FPGA的电力数据采集系统，包括FPGA模块、模拟量数据采集模块、网络模块、EEPROM模块、开关量采集模块和GPS模块。本系统以FPGA为核心，模拟输入信号通过模拟量数据采集模块处理，将数字信号输出给FPGA；输入的开关量信号通过开关量采集模块处理后输出给FPGA。在FPGA内对采集的模拟信号和开关量信号进行处理，利用GPS模块获取时间信息，使用EEPROM模块存储网络模块的配置信息，最终通过网络接口实现系统和外界传输数据。1、FPGA模块如图2所示，FPGA模块包括：数据校正模块、时间控制模块、AD控制模块、采集测量模块、SDU组包模块、PDU组包模块、数据转移模块、以太网控制模块和EEPROM控制模块。数据校正模块利用校正因子对AD控制模块获得模拟数据进行校正后得到最终的模拟数据。SDU组包模块将GPS提供的时间信息、最终的模拟数据和采集测量模块得到的开关量信号组成业务数据单元(SDU)。PDU组包模块将SDU数据包组成协议数据单元(PDU)，通过数据转移模块将PDU数据包经送给以太网控制模块。以太网控制模块从EEPROM控制模块获取网络配置信息，并将PDU数据通过网口发送出去。1.1、AD控制模块本模块是AD芯片的控制模块，包括启动控制模块、延迟控制模块和S2P模块。实现的主要功能是：根据不同的采样频率配置，向AD芯片发送采样指示脉冲；读取AD采样数据，并作串行到并行16位变换；数据迟延控制，将同时采集到的数据，通过延迟控制，让他们在时间上错开；将非自然顺序的AD采样数据转换成自然顺序(按照通道号由小到大)的AD采样数据。1.2、采集测量模块该模块包含频率测试模块和IO通道信号控制模块。频率测量模块主要功能是根据4路测频信号，通过计数器控制测量输入信号频率，将4个32bit的计数器值打包写入SDU数据中；IO通道信号控制模块主要功能是输入的开关量数据通过DI通道输入，将其写入SDU数据包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的电力数据采集系统，其特征在于，所述系统包括FPGA模块、模拟量数据采集模块、网络模块、EEPROM模块和开关量采集模块；所述FPGA模块与所述模拟量数据采集模块、所述网络模块、所述EEPROM模块和所述开关量采集模块之间为双向连接；所述模拟量数据采集模块用于将模拟输入信号处理后传送给所述FPGA模块；所述开关量采集模块用于将开关量信号处理后传送给所述FPGA模块；所述FPGA模块用于处理所述模拟输入信号和所述开关量信号；所述EEPROM模块用于存储所述网络模块的配置信息，所述网络模块用于实现系统和外界传输数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的电力数据采集系统，其特征在于，所述系统包括FPGA模块、模拟量数据采集模块、网络模块、EEPROM模块和开关量采集模块；所述FPGA模块与所述模拟量数据采集模块、所述网络模块、所述EEPROM模块和所述开关量采集模块之间为双向连接；所述模拟量数据采集模块用于将模拟输入信号处理后传送给所述FPGA模块；所述开关量采集模块用于将开关量信号处理后传送给所述FPGA模块；所述FPGA模块用于处理所述模拟输入信号和所述开关量信号；所述EEPROM模块用于存储所述网络模块的配置信息，所述网络模块用于实现系统和外界传输数据。2.根据权利要求1所述采集系统，其特征在于，所述采集系统还包括GPS模块，所述GPS模块用于获取时间信息，提供串口秒脉冲和10ms脉冲。3.根据权利要求1所述采集系统，其特征在于，所述模拟量数据采集模块用于采用4个16位8通道自同步模拟转换器，并集成模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC内核、数字滤波器、2.5V基准电压源及缓冲、高速串行和并行接口。4.根据权利要求1所述采集系统，其特征在于，所述网络模块内部集成了TCP/IP协议栈、以太网MAC层及PHY层，支持8个独立的Socket通信，内部128K字节的发送/接收缓冲区快速进行数据交换，在TCP协议下，网络速率最高达到80Mbps。5.根据权利要求2所述采集系统，其特征在于，所述FPGA模块包括数据校正模块、时间控制模块、AD控制模块、采集测量模块、SDU组包模块、PDU组包模块、数据转移模块、以太网控制模块和EEPROM控制模块，所述AD控制模块用于获得所述模拟输入信号；所述数据校正模块用于利用校正因子对所述模拟输入信号进行校正后得到最终的模拟数据；所述采集测量模块用于采集所述开关量信号；所述SDU组包模块用于将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，杨昆，姜学平，崔文朋，张亚朋，卢慧慧，张威龙，王蒙，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京,11