基于复杂可编程逻辑器件的在线监测数据采集系统的研制
|
摘要
本文根据电气设备绝缘在线监测技术的发展现状，针对以往在线监测数据
采集系统存在的集成度低，不能实现多通路并行采样，不能实现多通道同时程
控放大，不能进行同步频率监测，采样位数较低，采用外部存储器方式，对数
据进行查询的访问方式，安装调试不灵活等缺点，提出了应用现代微电子技术
电子设计自动化(EDA)技术实现对在线监测数据采集系统的改进。通过对可编
程逻辑器件原理的了解以及各种CPLD结构的对比，选取适用于在线监测的
FLEX10K系列芯片作为数据采集卡的中心控制部分。在外围电路的实现上，选
取了四通道14位A／D转换器，真正实现了各路信号的同步采样保持。
由于引入了CPLD的控制技术，使数据采集卡的工作方式更灵活，可实现3
种触发方式的任意选择，包括软件触发，硬件触发和外部触发；采样率可控制，
可选择128或256信号倍频；由于CPLD内部有EAB模块，可实现内部FIF0，
使数据的存取更为方便。利用MAXPLUSII软件的仿真测试平台，对CPLD各部分
功能模块的波形仿真和整体的时序仿真完全满足在线监测的要求。
在以往在线监测软件的基础上，编制了与数据采集卡配套的控制程序，并
用VtoolsD软件编写了VXD虚拟设备驱动程序，实现了工控机中断方式的数
据传送方式。进行了软件误差仿真分析，针对系统频率波动带来的测量误差，
提出用改进的正交算法测量介质损耗的方案。
最后经过系统调试，发现这种基于CPLD技术的在线监测数据采集卡达到
了预想的各种技术指标，并能够准确、稳定、灵活地测量电气设备绝缘的多种
参量。
This Master degree thesis,based on the observing of developing actuality of on-site electrical apparatus monitoring technology,aims at overcoming the problems existing in former on-site monitoring system,such as unable to realize multiple channels sampling and hold,unable to carry out multiple channel programmable magnification,unable to monitor frequency,low pick up bits,external ROM low speed data saving,inefficient data query method,inflexible debugging and installation,low precision etc. By introducing EDA(Electrical Design Automation) technology,we put forward a creative circuit design scheme,which can considerable updated the on-site monitor system.
By comprehending the theory of computer programmable logic device and comparing of various of CPLD structures,we choose FLEX10K series chip as the central controlling part of data acquisition card,which is theoretically fit for on-site monitoring technology. High speed 14 bits 4 channels synchronous A/D converter is also chosen,which can successfully lead to sampling and hold of multiple channels signals.
This CPLD based on-site monitoring data acquisition card can flexibly realize 3 triggering ways,including software triggering,hardware triggering and external triggering. In addition,this card can also realize optional 128 or 256 signal multiple frequency sampling. The FIFO module in CPLD's inner EABs (Embed Array Blocks) further lead to the convenience of data saving and loading. The function simulation by using MAXPLUSU software for CPLD internal modules proves the availability of design.
Computer controlling software is also programmed,by which the software miss simulation and analysis are processed to discover possible disturbing factors and present practical resolutions. To fulfill the sampling need,a VXD interruption driver program is composed by utilizing VtoolsD software. In
addition,a creative dielectric loss measuring method-enhanced orthogonal arithmetic method was
presented based on the flexibility design of the monitoring system.
Finally,this CPLD based on-site monitoring data acquisition card went through laboratory debugging. All test data indicate the precision,stability and flexibility of this product in measuring multiple parameters in power system.
采集系统存在的集成度低，不能实现多通路并行采样，不能实现多通道同时程
控放大，不能进行同步频率监测，采样位数较低，采用外部存储器方式，对数
据进行查询的访问方式，安装调试不灵活等缺点，提出了应用现代微电子技术
电子设计自动化(EDA)技术实现对在线监测数据采集系统的改进。通过对可编
程逻辑器件原理的了解以及各种CPLD结构的对比，选取适用于在线监测的
FLEX10K系列芯片作为数据采集卡的中心控制部分。在外围电路的实现上，选
取了四通道14位A／D转换器，真正实现了各路信号的同步采样保持。
由于引入了CPLD的控制技术，使数据采集卡的工作方式更灵活，可实现3
种触发方式的任意选择，包括软件触发，硬件触发和外部触发；采样率可控制，
可选择128或256信号倍频；由于CPLD内部有EAB模块，可实现内部FIF0，
使数据的存取更为方便。利用MAXPLUSII软件的仿真测试平台，对CPLD各部分
功能模块的波形仿真和整体的时序仿真完全满足在线监测的要求。
在以往在线监测软件的基础上，编制了与数据采集卡配套的控制程序，并
用VtoolsD软件编写了VXD虚拟设备驱动程序，实现了工控机中断方式的数
据传送方式。进行了软件误差仿真分析，针对系统频率波动带来的测量误差，
提出用改进的正交算法测量介质损耗的方案。
最后经过系统调试，发现这种基于CPLD技术的在线监测数据采集卡达到
了预想的各种技术指标，并能够准确、稳定、灵活地测量电气设备绝缘的多种
参量。
This Master degree thesis,based on the observing of developing actuality of on-site electrical apparatus monitoring technology,aims at overcoming the problems existing in former on-site monitoring system,such as unable to realize multiple channels sampling and hold,unable to carry out multiple channel programmable magnification,unable to monitor frequency,low pick up bits,external ROM low speed data saving,inefficient data query method,inflexible debugging and installation,low precision etc. By introducing EDA(Electrical Design Automation) technology,we put forward a creative circuit design scheme,which can considerable updated the on-site monitor system.
By comprehending the theory of computer programmable logic device and comparing of various of CPLD structures,we choose FLEX10K series chip as the central controlling part of data acquisition card,which is theoretically fit for on-site monitoring technology. High speed 14 bits 4 channels synchronous A/D converter is also chosen,which can successfully lead to sampling and hold of multiple channels signals.
This CPLD based on-site monitoring data acquisition card can flexibly realize 3 triggering ways,including software triggering,hardware triggering and external triggering. In addition,this card can also realize optional 128 or 256 signal multiple frequency sampling. The FIFO module in CPLD's inner EABs (Embed Array Blocks) further lead to the convenience of data saving and loading. The function simulation by using MAXPLUSU software for CPLD internal modules proves the availability of design.
Computer controlling software is also programmed,by which the software miss simulation and analysis are processed to discover possible disturbing factors and present practical resolutions. To fulfill the sampling need,a VXD interruption driver program is composed by utilizing VtoolsD software. In
addition,a creative dielectric loss measuring method-enhanced orthogonal arithmetic method was
presented based on the flexibility design of the monitoring system.
Finally,this CPLD based on-site monitoring data acquisition card went through laboratory debugging. All test data indicate the precision,stability and flexibility of this product in measuring multiple parameters in power system.
引文
[01] 李常禧，电气设各诊断技术概论，水利电力出版社，1994． 9
[02] 电力部电力科学研究院，1984-1986年1] 0干伏及以上等级变压器事故统计分析，1987． 7
[03] 电力部电力科学研究院，1990年全国110千伏及以上电压等级变压器类设备事故统计分 析，1991． 10
[04] 陈宗穆，高压电流互感器的可靠性数据统计分析，湖南大学学报，1990． 15(5) ：219～225
[05] 操敦奎，变压器油中气体分析与诊断，中国水利电力企业管理协会、武汉电力企业管理协 会，1987． 10
[06] 王昌长、郑光辉、郑振中，电力电容器的可靠性评估和失效分析，清华大学学报， 1991． 31(4) ：107～112
[07] 魏新劳、韩树郁，过零时间差法介质损失角正切测量技术，哈尔滨电工学院学报，95． 3
[08] 电力部，电力设备预防性试验规程，中国电力出版社，1997． 4
[09] 姚文冰、马治亮等，变电站一次设备绝缘在线监测系统研究，高电压技术，1996，22(3)
[10] 王昌长、李福祺编著，电力设备的在线监测与故障诊断，清华大学电机工程与应用电子 技术系自编教材，1996． 5
[11] 侯伯亨、顾新，VHD[。硬件描述语言与数字逻辑电路设计，西安电子科技大学出版社，2000． 5
[12] Dave Bursky，High-Density PLD Family Combines gest Of FPGAs And CPLDs，E1ectronic Design，1999． 5
[13] Zhengkao Zhang and M． R． Rag}1u’veer， 0n-line Instllation Condjtjon Monitoring Technique fOr High V01tage Apparatus， 10th ISH'97
[14] Songlin Qin， The Integratjng Method for Tand Measurement， ISH’ 97
[15] 陈鹏云、贺景亮等，绝缘介质损耗因数在线监测的研究，高电压技术，1994，20(4)
[16] 吕延锋、钟连宏，介损测量技术及其最新发展，高电压技术，1996，22(2)
[17] 电子工程手册编委会、集成电路手册分编委会编，标准集成电路数据手册--高速CMOS 电路，电子工业出版社，1994． 6
[18] 刘顺英、昂秀芬等译，锁相环原理、设计及其应用，人民邮电出版社，1988． 12
[19] 张厥盛、郑继禹、万心平，锁相技术，西安电子科技大学出版社，1994． 6
[20] 阎石主编，数字电子技术基础(第三版)，高等教育出版社，1995． 4
[21] 陶德元、黄本淑编著，数字信号处理原理及应用，四川大学出版社，1991
[22] 贺景亮、陈鹏云等，数字波形分析系统在绝缘在线监测中的应用，高电压技术，1991，3
[23] 赵秀山、谈克雄等，介质损耗角的数字化测量，清华大学学报，1996． 36(9) ：51-56
[24] 肖文明，集中式绝缘在线监测系统运行情况浅析，高电压技术，1998． 3(1)
[25] 王玉川，微电流传感器及MOA阻性电流在线智能化监测的研究，重庆大学硕士学位论文， 1995． 6
[26] 曾繁泰、陈美金著，VHDL程序设计，清华大学出版社，2001． 1
[27] BurskyD．Low-complexity PLDs deliver top speed．Electronic Design，1997：45(3) (Supple-ment)：32-37
[28] BrownSD，FrancisRJ，Rose Jetal．Field Programmable Gate Arrays．Boston：Kluwer Academic Publishers，1992
[29] SinghS，RoseJ，Chow Petal．The effect of logic block architecture on FPGA performance．IEEE JSSC，1992：27(3) ：281287
[30] HeJ，RoseJ． Advantages of heterogeneous logic block architectures for FPGAs．In：ProcCI-CC，SanDiego，CA，USA，May1993：7． 4． 1～7． 4． 5
[31] J Techni cal Conference and Seminar Series，Xil-inx，1997
[32] Kouloheris．J，Gamal．A．E．FPGA area versus cell granularity-lookup table and PLA cellS．In：ProcFPGA．1992：9～14
[33] KavianiA， BrownS．Hybrid FPGA architectures． In：Proc FPGA， Monterey， CA，USA，1996：39
[34] ChanVC，Lewis．D．M．Area-speed tradeoffs for hierarchical field-programmable gate arrays．In：Proc FPGA，Monterey，CA，USA，1996：5157
[35] Brown．S，Rose．J，Vranesic．Z．G．A detailed router for field-programmable gate arrays．IEEE TransCAD，1992：11(5) ：620627
[36] Lemieux．G，Brown．S．A detailed routing algorithm for allocating wire segments in field-pro-grammable gate arrays．In：Proc ACM／SIGDA Physical Design Workshop，Lake Arrowhead，CA，USA，1993：215226
[37] http：∥www．xilinx．com：WhitePaperforFiveYearRoadmap，Xilinx，1997
[38] http：／／www．Actel．com，1997
[39] Xilinx Data book，1996
[40] Altera Data book，1996
[41] Altera Digital Library 2001． 10
[42] 雷丽文、朱晓华等，微机原理与接口技术，电子工业出版社，1997年2月
[43] MAXIM Product Selection Guide，1999． 10
[44] 陈建铎等，32位微型计算机原理与接口技术，高等学校计算机基础教材
[45] 沙占友编著，实用数字化测量技术，国防工业出版社，1991年9月
[46] 傅宾兰，变电所电气设备运行状况在线监洲，电网技术，1993
[47] 王忠毅，电气设备介质损耗和MOA阻性泄漏电流在线监测原理及系统的研究，重庆大学硕
士论文，1999． 6
[48] VHDL语言100例详截，北京理工大学ASIC研究所，清华大学出版社，1999年12月
[49] Max+Plus II Simplified Getting Started User Guide，Altera International Limited
[50] [美]Namir Clement Shammas著，王国印、张赤红译，Visual C++使用指南，清华大 学出版社，1995． 12
[51] 马为民、吴维韩，电源谐波对介质损耗测量的影响，清华大学学报，1997． 37(1) ：65-68
[52] 肖文明，集中式绝缘在线监测系统运行情况浅析，高电压技术，1998． 3(1)
[53] 傅宾兰，电容型电气设备带电或在线监测消除电压互感器影响的探讨
[54] 张平，变电站设备绝缘在线检测结果分析，高电压技术，1998． 3(1)
[55] 姚松，杨兆选等，一种新型数据采集卡的研制，测控技术，2001年第20卷第7期
[56] 宋万杰、罗丰等，CPLD技术及其应用，西安电子科技大学出版社，2001年6月
[57] 武安河、周利莉，Windows设备驱动程序(VXD与WDM)开发实务，电子工业出版社，2001 年9月
[58] 孙守阁、徐勇，Windows设备驱动程序技术内幕，清华大学出版社，2000年6月
[59] 廖瑞金、宋杨等，两种数字化介质损耗监测方法的软件仿真分析，高电压技术，2001年 第二期
[02] 电力部电力科学研究院，1984-1986年1] 0干伏及以上等级变压器事故统计分析，1987． 7
[03] 电力部电力科学研究院，1990年全国110千伏及以上电压等级变压器类设备事故统计分 析，1991． 10
[04] 陈宗穆，高压电流互感器的可靠性数据统计分析，湖南大学学报，1990． 15(5) ：219～225
[05] 操敦奎，变压器油中气体分析与诊断，中国水利电力企业管理协会、武汉电力企业管理协 会，1987． 10
[06] 王昌长、郑光辉、郑振中，电力电容器的可靠性评估和失效分析，清华大学学报， 1991． 31(4) ：107～112
[07] 魏新劳、韩树郁，过零时间差法介质损失角正切测量技术，哈尔滨电工学院学报，95． 3
[08] 电力部，电力设备预防性试验规程，中国电力出版社，1997． 4
[09] 姚文冰、马治亮等，变电站一次设备绝缘在线监测系统研究，高电压技术，1996，22(3)
[10] 王昌长、李福祺编著，电力设备的在线监测与故障诊断，清华大学电机工程与应用电子 技术系自编教材，1996． 5
[11] 侯伯亨、顾新，VHD[。硬件描述语言与数字逻辑电路设计，西安电子科技大学出版社，2000． 5
[12] Dave Bursky，High-Density PLD Family Combines gest Of FPGAs And CPLDs，E1ectronic Design，1999． 5
[13] Zhengkao Zhang and M． R． Rag}1u’veer， 0n-line Instllation Condjtjon Monitoring Technique fOr High V01tage Apparatus， 10th ISH'97
[14] Songlin Qin， The Integratjng Method for Tand Measurement， ISH’ 97
[15] 陈鹏云、贺景亮等，绝缘介质损耗因数在线监测的研究，高电压技术，1994，20(4)
[16] 吕延锋、钟连宏，介损测量技术及其最新发展，高电压技术，1996，22(2)
[17] 电子工程手册编委会、集成电路手册分编委会编，标准集成电路数据手册--高速CMOS 电路，电子工业出版社，1994． 6
[18] 刘顺英、昂秀芬等译，锁相环原理、设计及其应用，人民邮电出版社，1988． 12
[19] 张厥盛、郑继禹、万心平，锁相技术，西安电子科技大学出版社，1994． 6
[20] 阎石主编，数字电子技术基础(第三版)，高等教育出版社，1995． 4
[21] 陶德元、黄本淑编著，数字信号处理原理及应用，四川大学出版社，1991
[22] 贺景亮、陈鹏云等，数字波形分析系统在绝缘在线监测中的应用，高电压技术，1991，3
[23] 赵秀山、谈克雄等，介质损耗角的数字化测量，清华大学学报，1996． 36(9) ：51-56
[24] 肖文明，集中式绝缘在线监测系统运行情况浅析，高电压技术，1998． 3(1)
[25] 王玉川，微电流传感器及MOA阻性电流在线智能化监测的研究，重庆大学硕士学位论文， 1995． 6
[26] 曾繁泰、陈美金著，VHDL程序设计，清华大学出版社，2001． 1
[27] BurskyD．Low-complexity PLDs deliver top speed．Electronic Design，1997：45(3) (Supple-ment)：32-37
[28] BrownSD，FrancisRJ，Rose Jetal．Field Programmable Gate Arrays．Boston：Kluwer Academic Publishers，1992
[29] SinghS，RoseJ，Chow Petal．The effect of logic block architecture on FPGA performance．IEEE JSSC，1992：27(3) ：281287
[30] HeJ，RoseJ． Advantages of heterogeneous logic block architectures for FPGAs．In：ProcCI-CC，SanDiego，CA，USA，May1993：7． 4． 1～7． 4． 5
[31] J Techni cal Conference and Seminar Series，Xil-inx，1997
[32] Kouloheris．J，Gamal．A．E．FPGA area versus cell granularity-lookup table and PLA cellS．In：ProcFPGA．1992：9～14
[33] KavianiA， BrownS．Hybrid FPGA architectures． In：Proc FPGA， Monterey， CA，USA，1996：39
[34] ChanVC，Lewis．D．M．Area-speed tradeoffs for hierarchical field-programmable gate arrays．In：Proc FPGA，Monterey，CA，USA，1996：5157
[35] Brown．S，Rose．J，Vranesic．Z．G．A detailed router for field-programmable gate arrays．IEEE TransCAD，1992：11(5) ：620627
[36] Lemieux．G，Brown．S．A detailed routing algorithm for allocating wire segments in field-pro-grammable gate arrays．In：Proc ACM／SIGDA Physical Design Workshop，Lake Arrowhead，CA，USA，1993：215226
[37] http：∥www．xilinx．com：WhitePaperforFiveYearRoadmap，Xilinx，1997
[38] http：／／www．Actel．com，1997
[39] Xilinx Data book，1996
[40] Altera Data book，1996
[41] Altera Digital Library 2001． 10
[42] 雷丽文、朱晓华等，微机原理与接口技术，电子工业出版社，1997年2月
[43] MAXIM Product Selection Guide，1999． 10
[44] 陈建铎等，32位微型计算机原理与接口技术，高等学校计算机基础教材
[45] 沙占友编著，实用数字化测量技术，国防工业出版社，1991年9月
[46] 傅宾兰，变电所电气设备运行状况在线监洲，电网技术，1993
[47] 王忠毅，电气设备介质损耗和MOA阻性泄漏电流在线监测原理及系统的研究，重庆大学硕
士论文，1999． 6
[48] VHDL语言100例详截，北京理工大学ASIC研究所，清华大学出版社，1999年12月
[49] Max+Plus II Simplified Getting Started User Guide，Altera International Limited
[50] [美]Namir Clement Shammas著，王国印、张赤红译，Visual C++使用指南，清华大 学出版社，1995． 12
[51] 马为民、吴维韩，电源谐波对介质损耗测量的影响，清华大学学报，1997． 37(1) ：65-68
[52] 肖文明，集中式绝缘在线监测系统运行情况浅析，高电压技术，1998． 3(1)
[53] 傅宾兰，电容型电气设备带电或在线监测消除电压互感器影响的探讨
[54] 张平，变电站设备绝缘在线检测结果分析，高电压技术，1998． 3(1)
[55] 姚松，杨兆选等，一种新型数据采集卡的研制，测控技术，2001年第20卷第7期
[56] 宋万杰、罗丰等，CPLD技术及其应用，西安电子科技大学出版社，2001年6月
[57] 武安河、周利莉，Windows设备驱动程序(VXD与WDM)开发实务，电子工业出版社，2001 年9月
[58] 孙守阁、徐勇，Windows设备驱动程序技术内幕，清华大学出版社，2000年6月
[59] 廖瑞金、宋杨等，两种数字化介质损耗监测方法的软件仿真分析，高电压技术，2001年 第二期