CN110456300B - 一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置和方法，包括FPGA模块、ARM模块、光纤采样接收模块、光纤同步发送模块、DA输出模块、AD采样模块和以太网收发模块，光纤采样接收模块、光纤同步发送模块、DA输出模块和AD采样模块连接到FPGA模块，FPGA模块连接到ARM模块，ARM模块连接有人机交互模块和通过以太网收发模块连接有调试接口RJ45。本发明采集单元独立闭环测试，检测装置可直接向采集单元输出标准微分模拟信号，同时接收采集单元输出的数字化采样信号，可实现采集单元的精确闭环比对测试，检测结果更可靠。
Description
技术领域
本发明属于电力***数字化变电站领域，尤其涉及一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置和方法。
背景技术
电子式互感器体积小、重量轻、无磁饱和、无二次开路，可方便地与一次高压开关设备组合安装，有效提高了设备集成度，减少用地、安装运输方便，具有广阔的市场应用前景。电子式互感器由传感线圈和采集单元组成，一次***的电流、电压信号经互感器本体线圈传变后，转换为二次小模拟量信号，由就地采集单元采集并转换为数字量采样信号，通过光纤输出至后端。采集单元是电子式互感器的核心电气部件，其传变特性的优劣直接决定了电子式互感器的采样精度。
目前采集单元的专用检测装置较少，主要采用电子式互感器开环测试技术。如图1所示，由标准电流/电压源输出一次大电流/大电压模拟量信号，接入电子式互感器的传感线圈，转换为二次小电压信号，然后输入电子式互感器的采集单元，再转换为数字化采样值输出至外部的电子式互感器测试仪。测试仪基于标准信号比对测试电子式互感器的采样输出特性，获取电子式互感器的整体（传感线圈与采集单元）精度指标。
现有检测技术在测试准确性与测试方法方面均存在不足。首先，采用开环测试技术，用测试仪接收的试品信号与外部标准信号手动进行比对，对外部标准源输出的精度及稳定度要求较高，测试结果误差也较大；其次，被测试品包含了电子式互感器传感线圈和采集单元，测试结果放映了两者的复合误差，无法准确的表征采集单元自身的特性；特别的，电子式互感器输出的数字化采样协议尚未统一，各厂家生产的电子式互感器采集单元输出采样值在传输波特率、采样率、编码方式以及应用层帧格式下都有区别，如何高效自适应的接收采集单元输出的采样值，也是采集单元检测技术的实现难点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置和方法，解决目前电子式互感器采集单元检测装置的不足、针对现有开环检测技术对标准源要求较高、测试结果误差较大、无法独立测试采集单元特性、不具备自适应采样接入等问题。
本发明采取的技术方案为：一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置，包括FPGA模块、ARM模块、光纤采样接收模块、光纤同步发送模块、DA输出模块、AD采样模块和以太网收发模块，光纤采样接收模块、光纤同步发送模块、DA输出模块和AD采样模块连接到FPGA模块，FPGA模块连接到ARM模块，ARM模块连接有人机交互模块和通过以太网收发模块连接有调试接口RJ45，FPGA模块用于底层模块并行驱动，实时接收或发送测试数据；ARM模块用于数据处理分析及人机交互；光纤采样接收模块用于接收被测采集单元输出的数字化采样值；光纤同步发送模块用于向采集单元发送同步信号；DA输出模块用于发送标准源小电压模拟量；AD采样模块用于实时回采标准源模拟量。
一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置的检测方法，该方法为：首先，根据配置计算标准源的离散瞬时采样值，经数字微分计算后输出小电压模拟量至被测采集单元，同时还输出一路未经微分计算的原始标准源模拟量；其次，通过AD采样模块接入未经微分的标准源模拟量，作为检测装置的标准比对信号；然后经光纤接收模块自适应获取被测采集单元输出的数字化采样信号，作为检测装置的试品比对信号；最后由检测装置自动闭环分析测试数据，获取被测采集单元的稳态精度、暂态特性和时间特性的采样传变指标，实现采集单元的独立闭环测试功能。
一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置的检测方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、双路标准输出：ARM模块获取用户配置的模拟量参数，计算采样率的模拟量瞬时采样值，然后经FPGA模块驱动DA模块输出模拟量电压信号；
采集单元采集经过微分处理的电压信号，然后由内部硬件积分电路或软件积分算法还原为原始采样并输出，检测装置需同步输出两组同源的标准模拟量信号，一路未经过数字微分处理，作为检测装置比对的标准源；另一路经过数字微分处理，模拟电子式互感器输出信号接入被测采集单元；
检测装置输出标准信号后，进入步骤2和步骤3回采信号，实现自动闭环检测体系；
步骤2、标准信号回采：步骤1标准输出后，通过步骤2回采其中一路未经过微分处理的标准源信号；
FPGA模块驱动AD采样模块，将输入的电压模拟量模数转换为数字量采样值，接收至检测装置，每点数字采样值都由FPGA精确记录对应的采样时刻，提高步骤4测试数据分析的精确性。
步骤3、数字化采样自适应接收：步骤1标准输出后，通过步骤3同步接收采集单元输出的数字量试品信号；
FPGA模块驱动光纤采样模块，接收采集单元输出的光纤数字采样，每点数字采样值同样由FPGA精确记录接收时刻，由于目前电子式互感器采集单元输出的采样值协议种类较多，需要通过兼容方式自适应的接收并解析采样信息；
FPGA模块根据曼码编码与非曼码编码的原理，连续检测输入数字信号的最大变位周期，区分信号编码方式，同时利用最小变位周期值确定协议编码波特率，并持续按该波特率进行采样传输监测，在采样链路检测稳定后，由特定的数据起始符开始链路传输，按固定字节接收数据块，并在每个数据块的末尾进行CRC校验，当接收的数据块达到最大且CRC校验完毕后结束本次接收；
步骤4、闭环比对分析：通过步骤2获取测试标准信号，同时通过步骤3获取采集单元试品信号，然后在步骤4中对两组信号进行误差计算，检测采集单元的传变特性；
ARM模块汇总FPGA模块采集的原始标准采样值和采集单元输出试品采样值，实现闭环检测体系，采用插值同步、傅氏计算、谐波分析及波形比对方法，自动分析被测采集单元的稳态传变精度、暂态传变特性及时间特性的指标，实现采集单元的独立自适应闭环检测。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
（1）采集单元独立闭环测试，检测装置可直接向采集单元输出标准微分模拟信号，同时接收采集单元输出的数字化采样信号，可实现采集单元的精确闭环比对测试，检测结果更可靠；
（2）内部集成小模拟量标准源，检测装置内部集成精度高、性能稳定的小电压模拟量输出标准源，可直接接入被测采集单元，无需电子式互感器本体线圈和外部标准源装置支持，极大简化了采集单元的检测***配置，提高了测试效率；
（3）双路标准信号同步输出，支持微分模拟量与原始模拟量双路标准源信号同步输出，一路未处理信号作为比对标准由装置回采，一路数字微分信号模拟电子式互感器线圈的微分输出直接接入被测采集单元，两路信号同源同步，适应采集单元积分还原功能的检测需求；
（4）采集单元采样输出自适应采集，基于FPGA模块实现的采集单元输出数字化采样的自适应接收，兼容目前主流的电子式互感器采样传输协议，极大提高了检测装置的适用范围；
（5）采集单元暂、稳态特性分析。装置可检测采集单元的准确度、频率特性、瞬时误差、复合误差、衰减时间常数、时间特性、协议一致性等性能指标。具有完善的采集单元暂、稳态特性分析功能。
附图说明
图1是电子式互感器开环测试***；
图2是采集单元自适应检测步骤；
图3是采集单元检测装置原理连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图2-图3所示，一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置，包括FPGA模块、ARM模块、光纤采样接收模块、光纤同步发送模块、DA输出模块、AD采样模块和以太网收发模块，光纤采样接收模块、光纤同步发送模块、DA输出模块和AD采样模块连接到FPGA模块，FPGA模块连接到ARM模块，ARM模块连接有人机交互模块和通过以太网收发模块连接有调试接口RJ45，FPGA模块用于底层模块并行驱动，实时接收或发送测试数据；ARM模块用于数据处理分析及人机交互；光纤采样接收模块用于接收被测采集单元输出的数字化采样值；光纤同步发送模块用于向采集单元发送同步信号；DA输出模块用于发送标准源小电压模拟量；AD采样模块用于实时回采标准源模拟量。
1、FPGA模块：FPGA模块的处理器采用Xilinx的Spartan-6系列产品XC6SLX150，基于45nm低功耗工艺，包含有147443个逻辑单元，4824Kb的Block RAM专用存储器和6个CMT时钟管理模块，资源丰富，运行速度快，实现了性价比与功耗的完美平衡。
利用FPGA的并行信号处理能力和实时性，控制光纤接收模块获取被测采集单元输出数字化采样；控制光纤发送模块输出同步脉冲信号至采集单元（检测依赖同步信号工作的采集单元时）；控制DA模块输出标准源模拟量信号；控制AD模块回采标准源模拟量信号；同时与ARM交互测试数据。
2、ARM模块：ARM模块采用NXP的i.MX 6系列处理器，基于Cortex-A9内核架构，包含一个四核平台，运行频率最高可达1.2 GHz，配备1MB L2缓存、图形硬件加速和64位DDR3或2通道、32位LPDDR2支持。该平台了集成了FlexCAN和MLB总线、PCI Express和SATA-2，提供卓越的连接性，同时还集成了双通道MIPI显示屏接口、MIPI摄像头接口和HDMI v1.4，非常适合用于自动化工业应用。
ARM模块与FPGA交互测试数据，控制测试流程并分析检测数据；同时通过以太网、液晶和键盘与外部实现人机交互，获取配置参数，输出检测结果。
3、光纤采样接收模块：光纤采样接收模块采用Avago公司的AFBR 2418TZ串行光纤接收器，具备高速光信号接收能力。AFBR 2418TZ光纤接收器件采用ST接口，工作温度-40至85度，接收数据波长865nm，接收数据速率最大50MBd，具备良好的数据兼容性。
光纤采样接收模块负责接收被测采集单元输出的数字化采样值，将光纤信号转换为电平信号后输入FPGA，由FPGA完成后续采样值协议解码和校验。
4、光纤同步发送模块：光纤同步发送模块采用Avago公司的HFBR 1414串行光纤发送器，具备高速光信号发送能力，可满足多数波特率下的串行数据发送需求。HFBR 1414光纤发送器件采用 Tube封装方式的ST接口，工作温度-40至85度，最大上升时间: 6.5 ns，最大下降时间: 6.5 ns，脉冲宽度失真: 7.56 ns。
光纤同步发送模块可输出B码或秒脉冲同步信号，当被测采集单元需要外部同步信号触发采样工作时，可做为外部同步源使用。
5、DA输出模块：本模块采用四通道、16位、串行输入、双极性电压输出DAC AD5764，可提供高精度、双极性数据转换。它利用精密基准电压源ADR02在整个工作温度范围内实现最佳DAC性能。该16位精密DAC所需的外部器件只有基准电压源、电源引脚和基准输入上的去耦电容以及可选的短路电流设置电阻，从而可节省成本和电路板空间。本电路非常适合闭环伺服控制和开环控制应用。
AD5764是一款高性能数模转换器，可保证单调性，积分非线性(INL)误差为±1LSB（C级器件），噪声低，建立时间为10μs。在较宽的工作电压范围内，保证具有额定性能。AVDD电源电压范围为+11.4V至+16.5V，AVSS工作电压范围为−11.4 V至−16.5 V，标称满量程输出电压范围为±10V。
为使该DAC在整个工作温度范围内达到最佳性能，必须使用精密基准电压源。AD5764内置基准电压源缓冲器，因而无需外部正负基准电压源及相关的缓冲器，这样便进一步节省了成本和电路板空间。因为基准输入（REFAB、REFCD）上施加的电压用来产生DAC内核所用的内部缓冲正负基准电压，所以外部基准电压的任何误差均会通过该器件的输出反映出来。
6、AD采样模块：采用18位的逐次逼近型模数转换器AD7982，采样率最大1000kSPS，可实现高精度、高采样率的模数转换功能。AD7982采用2.5V单电源供电，内置一个低功耗、高速、18位无失码采样ADC、一个内部转换时钟和一个多功能串行接口端口。
每次采样开始，在转换信号上升沿，AD7982对差分输入引脚之间的电压差进行采样。基准电压由外部提供，并且可以设置为电源电压。AD7982的功耗和吞吐速率呈线性变化关系。支持SPI通信方式和菊花链连结模式，并提供一个可选的繁忙指示。
7、以太网收发模块：以太网模块由PHY芯片、网络变压器和RJ45以太网接口组成，PHY芯片采用Intel公司的LXT971网络通讯接口电路，它符合IEEE标准，直接支持10Mb/s/100Mb/s双绞线应用，也支持100Mb/s光纤接口。兼容IEEE802.3，支持10Base5、10Base2、10BaseT, 100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自动检测所连接的介质。
FPGA通过MII接口模块配置PHY芯片，初始处于IDLE 状态并监听总线的状态，当检测到以太网帧的前导码时自动进入SFD 状态，如果接收到以太网数据帧的帧定界符，则进入数据接收状态，通过MII接口开始接收PHY芯片数据。当全部数据传输完毕总线空闲后，接收模块重新进入IDLE 状态，等待下帧数据接收。
实施例2：一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置的检测方法，该方法为：首先，根据配置计算标准源的离散瞬时采样值，经数字微分计算后输出小电压模拟量至被测采集单元，同时还输出一路未经微分计算的原始标准源模拟量；其次，通过AD采样模块接入未经微分的标准源模拟量，作为检测装置的标准比对信号；然后经光纤接收模块自适应获取被测采集单元输出的数字化采样信号，作为检测装置的试品比对信号；最后由检测装置自动闭环分析测试数据，获取被测采集单元的稳态精度、暂态特性和时间特性的采样传变指标，实现采集单元的独立闭环测试功能。
一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置的检测方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1、双路标准输出：ARM模块获取用户配置的模拟量参数，计算采样率的模拟量瞬时采样值，然后经FPGA模块驱动DA模块输出模拟量电压信号；
采集单元采集经过微分处理的小电压信号，然后由内部硬件积分电路或软件积分算法还原为原始采样并输出，检测装置需同步输出两组同源的标准模拟量信号，一路未经过数字微分处理，作为检测装置比对的标准源；另一路经过数字微分处理，模拟电子式互感器输出信号接入被测采集单元；
检测装置输出标准信号后，进入步骤2和步骤3回采信号，实现自动闭环检测体系；
步骤2、标准信号回采：步骤1标准输出后，通过步骤2回采其中一路未经过微分处理的标准源信号；
FPGA模块驱动AD采样模块，将输入的电压模拟量模数转换为数字量采样值，接收至检测装置，每点数字采样值都由FPGA精确记录对应的采样时刻，提高步骤4测试数据分析的精确性。
步骤3、数字化采样自适应接收：步骤1标准输出后，通过步骤3同步接收采集单元输出的数字量试品信号；
FPGA模块驱动光纤采样模块，接收采集单元输出的光纤数字采样，每点数字采样值同样由FPGA精确记录接收时刻，由于目前电子式互感器采集单元输出的采样值协议种类较多，需要通过兼容方式自适应的接收并解析采样信息；
FPGA模块根据曼码编码与非曼码编码的原理，连续检测输入数字信号的最大变位周期，区分信号编码方式，同时利用最小变位周期值确定协议编码波特率，并持续按该波特率进行采样传输监测，在采样链路检测稳定后，由特定的数据起始符开始链路传输，按固定字节接收数据块，并在每个数据块的末尾进行CRC校验，当接收的数据块达到最大且CRC校验完毕后结束本次接收；
步骤4、闭环比对分析：通过步骤2获取测试标准信号，同时通过步骤3获取采集单元试品信号，然后在步骤4中对两组信号进行误差计算，检测采集单元的传变特性；
ARM模块汇总FPGA模块采集的原始标准采样值和采集单元输出试品采样值，实现闭环检测体系，采用插值同步、傅氏计算、谐波分析及波形比对方法，自动分析被测采集单元的稳态传变精度、暂态传变特性及时间特性的指标，实现采集单元的独立自适应闭环检测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置的检测方法，其特征在于：该检测方法采用的基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置包括FPGA模块、ARM模块、光纤采样接收模块、光纤同步发送模块、DA输出模块、AD采样模块和以太网收发模块，光纤采样接收模块、光纤同步发送模块、DA输出模块和AD采样模块连接到FPGA模块，FPGA模块连接到ARM模块，ARM模块连接有人机交互模块和通过以太网收发模块连接有调试接口RJ45，FPGA模块用于底层模块并行驱动，实时接收或发送测试数据；ARM模块用于数据处理分析及人机交互；光纤采样接收模块用于接收被测采集单元输出的数字化采样值；光纤同步发送模块用于向采集单元发送同步信号；DA输出模块用于发送标准源小电压模拟量；AD采样模块用于实时回采标准源模拟量；基于自适应比对分析技术的采集单元检测装置的检测方法为：首先，根据配置计算标准源的离散瞬时采样值，经数字微分计算后输出小电压模拟量至被测采集单元，同时还输出一路未经微分计算的原始标准源模拟量；其次，通过AD采样模块接入未经微分的标准源模拟量，作为检测装置的标准比对信号；然后经光纤接收模块自适应获取被测采集单元输出的数字化采样信号，作为检测装置的试品比对信号；最后由检测装置自动闭环分析测试数据，获取被测采集单元的稳态精度、暂态特性和时间特性的采样传变指标；所述检测方法具体包括以下步骤：
步骤1、双路标准输出：ARM模块获取用户配置的模拟量参数，计算采样率的模拟量瞬时采样值，然后经FPGA模块驱动DA输出模块输出模拟量电压信号；
采集单元采集经过微分处理的电压信号，然后由内部硬件积分电路或软件积分算法还原为原始采样并输出，检测装置需同步输出两组同源的标准模拟量信号，一路未经过数字微分处理，作为检测装置比对的标准源；另一路经过数字微分处理，模拟电子式互感器输出信号接入被测采集单元；
检测装置输出标准信号后，进入步骤2和步骤3回采信号；
步骤2、标准信号回采：步骤1标准输出后，通过步骤2回采其中一路未经过微分处理的标准源信号；
FPGA模块驱动AD采样模块，将输入的电压模拟量模数转换为数字量采样值，接收至检测装置，每点数字采样值都由FPGA记录对应的采样时刻；
步骤3、数字化采样自适应接收：步骤1标准输出后，通过步骤3同步接收采集单元输出的数字量试品信号；
FPGA模块驱动光纤采样接收模块，接收采集单元输出的光纤数字采样，每点数字采样值同样由FPGA记录接收时刻，通过兼容方式自适应的接收并解析采样信息；
FPGA模块根据曼码编码与非曼码编码的原理，连续检测输入数字信号的最大变位周期，区分信号编码方式，同时利用最小变位周期值确定协议编码波特率，并持续按该波特率进行采样传输监测，在采样链路检测稳定后，由特定的数据起始符开始链路传输，按固定字节接收数据块，并在每个数据块的末尾进行CRC校验，当接收的数据块达到最大且CRC校验完毕后结束本次接收；
步骤4、闭环比对分析：通过步骤2获取测试标准信号，同时通过步骤3获取采集单元试品信号，然后在步骤4中对两组信号进行误差计算，检测采集单元的传变特性；
ARM模块汇总FPGA模块采集的原始标准采样值和采集单元输出试品采样值，实现闭环检测体系，采用插值同步、傅氏计算、谐波分析及波形比对方法，自动分析被测采集单元的稳态传变精度、暂态传变特性及时间特性的指标，实现采集单元的独立自适应闭环检测。
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