王水魚，王偉

　　(西安理工大學，陜西 西安 710048)

        摘要：鑒于智能化變電站設備中的多路電流和電壓的測量和監(jiān)控需求，設計了一種基于AD7606的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。詳細介紹了16位、8通道模數(shù)轉換芯片AD7606的工作特性及常用工作方式設置，以此為基礎設計了以現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）為核心控制器的模/數(shù)轉換的控制和信號傳輸?shù)能浖a。該系統(tǒng)可通過串口總線與PC之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，適用于智能電網(wǎng)中電力系統(tǒng)參數(shù)的采集。

　　關鍵詞：數(shù)據(jù)采集；多通道；AD7606；FPGA;

　　中圖分類號：TM93文獻標識碼：A DOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.22.002

　　引用格式：王水魚，王偉. 基于AD7606的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.微型機與應用，2016,35（22）：8-10.

0引言

　　當今世界電力系統(tǒng)發(fā)展和變革日新月異，進入21世紀，智能電網(wǎng)成為最新動向，并逐步成為一項龐大的系統(tǒng)工程。智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化，它是融合了現(xiàn)代先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術、控制技術以及先進的決策支持系統(tǒng)技術，與物理電網(wǎng)高度集成，以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，以各電壓等級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎而形成的新型電網(wǎng)［1］。

　　高性能模擬數(shù)字轉換器ADC提供了可以滿足智能化變電站系統(tǒng)所需的性能和分辨率，它的使用使信號處理技術日益增強，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性不斷提高。AD7606是ADI公司生產(chǎn)的一款16位8通道同步采樣ADC，具有優(yōu)異的信噪比(SignalNoise Ratio,SNR)，并且可以通過過采樣模式進一步提高SNR。智能化變電站系統(tǒng)中往往包含多個電流/電壓互感器，對ADC的通道數(shù)的需求較多。

　　AD7606多通道的集成使得多路電壓/電流的監(jiān)控和測量變得輕松，可以更加方便地對電力線路上可能發(fā)生的各種異常事件進行實時檢測和管理，實現(xiàn)變電站的管理智能化、測量數(shù)字化和功能綜合化，順應智能化系統(tǒng)發(fā)展方向，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行［2］。

1硬件電路設計

　　本設計以Altera公司EP4C系列EP4CE15F23C8型芯片F(xiàn)PGA為采集模塊控制核心，用于接受PC下發(fā)的采集命令，上傳多通道采集數(shù)據(jù)。EP4C系列FPGA部邏輯資源豐富、配置靈活、處理速度高，可以滿足多路信號的高速采集與處理需求，尤其適用于對實時性、可靠性要求嚴格的應用中。

　　1.1A/D轉換芯片AD7606

　　AD7606為16位同步采樣ADC，每個芯片有8個采集通道，所有的通道均能以200 kS/s的速率進行采樣。它不需要正負雙電源，而是采用5 V單電源供電，并支持雙極性信號輸入，輸入范圍可選±5 V、±10 V，同時模擬輸入端箝位保護電路可以承受最高達±16.5 V的電壓，具有1 MΩ模擬輸入阻抗的輸入緩沖器。它采用2.5 V基準電壓源，提供了過采樣和數(shù)字濾波功能。通過管腳OS［2:0］可以設置過采樣倍數(shù)(OSR)為:×2,×4,×8,×16,×32,×64。AD7606具有并行接口、高速串行接口和并行字節(jié)接口，可以直接與FPGA相連，從而實現(xiàn)電壓、電流數(shù)據(jù)的同步采集功能［3］。

　　1.2AD7606硬件配置方式及其與FPGA接口

　　(1)設置RANGE=0，設置模擬輸入范圍是±5  V。

　　(2)設置PAR/SER/BYTE SEL=0，選擇使用并行接口模式。

　　(3)將CONVSTA與CONVSTB短接，所有通道同步采樣。

　　(4)設置REF SELECT=1，使用內(nèi)部基準電壓。

　　AD7606與FPGA接口電路如圖1所示。

2系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

　　本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用Verilog HDL編程，在頂層模塊中例化3個子模塊，分別是AD7606模塊、Volt_cal模塊、UART模塊。系統(tǒng)軟件整體結構如圖2。

　　2.1AD7606模塊

　　此模塊根據(jù)AD7606的時序實現(xiàn)對其控制，并將采集到的8路16 bit數(shù)據(jù)送入Volt_cal模塊。在采樣開始之前，給AD7606的RESET引腳一個時間不小于50 ns的正脈沖，對AD7606進行復位。之后等待轉換信號，F(xiàn)PGA生成一個不小于25 ns的CONNVST負脈沖，在CONNVST上升沿啟動AD轉換。轉換期間BUSY信號保持高電平，直到所有通道轉換結束，BUSY變?yōu)榈碗娖?，此時8路轉換數(shù)據(jù)被鎖存至輸出數(shù)據(jù)寄存器。將CS設置為低電平，使能數(shù)據(jù)幀傳輸，同時設置8個RD負脈沖就可以將寄存器中的數(shù)據(jù)通過DB0DB15傳輸至FPGA,FPGA將8路信號分別輸出供下級模塊處理。時序圖如圖3所示。

　　2.2Volt_cal模塊

　　AD7606的輸出編碼方式為二進制補碼。所設計的碼轉換在連續(xù)最低有效位（Least Significant Bit, LSB）整數(shù)的中間(即1/2LSB和3/2LSB)進行。AD7606的LSB大小為FSR(滿量程)/65 536。AD7606的理想傳遞特性如圖4所示。

　　本系統(tǒng)設置RANGE=0, 即模擬輸入范圍是±5 V。可知1 LSB=5 V/32 768=0.15 mV。Volt_cal模塊把從AD7606模塊采集到的16 bit的數(shù)據(jù)進行適當轉換：bit［15］轉換為正負符號，bit［14:0］先通過以下的公式轉換成電壓值，再把十六進制的電壓值轉換成20 bit BCD碼，然后把8路數(shù)據(jù)的符號和電壓值傳輸給UART模塊進行發(fā)送［4］。

　　VIN=(CODE×5 V)/32768

2.3UART串口發(fā)送模塊

　　此模塊根據(jù)UART串口發(fā)送協(xié)議，依次將8路的電壓值通過串口總線發(fā)送到PC,在上位機軟件上可以觀測采集到的電壓值。

　　串口的發(fā)送時鐘通過50 MHz的片上時鐘分頻得到，發(fā)送的波特率采用9 600 b/s。

3系統(tǒng)測試及性能分析

　　表1為8個通道(CH1~CH8)對四個模擬電壓值的測試結果， 第一列基準電壓為高精度數(shù)字萬用表測量的數(shù)據(jù)，后面8列為AD7606采集的結果。通過外加電壓和高精度的電壓表的測量比較，在-5 V~+5 V電壓輸入范圍之間AD7606的實際測量誤差在2 mV以內(nèi)，符合設計需求。

　　在本系統(tǒng)中，尚未使用過采樣倍率使能過濾器來提高AD的精度，在對采樣的速度要求不高的情況下，可以在程序里采用設置過采樣倍率的方法，進一步提高采樣的精度［5］。

4結論

　　本方案設計了一個基于AD7606的8路模擬電壓/電流信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過并聯(lián)AD7606芯片，還可以實現(xiàn)16路甚至更多通道的數(shù)據(jù)采集。這種方案不僅可以通過串口總線或者以太網(wǎng)上傳實時的數(shù)據(jù)到PC，也可以利用FPGA強大的數(shù)據(jù)處理能力在本地把采樣數(shù)據(jù)按照標準的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行組幀發(fā)送給合并單元。將FPGA與AD7606結合，進行數(shù)字系統(tǒng)設計，可以簡便、高速地實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集和處理，具有體積小、結構簡單、數(shù)據(jù)處理能力強的優(yōu)點，在智能電網(wǎng)系統(tǒng)具有很大的應用價值。

　　參考文獻

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