CN116184909A - 一种多通道模拟量采集电力集中器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种多通道模拟量采集电力集中器，涉及电力***技术领域。包括微处理器和与其连接的无线通信模块、存储模块、显示模块、电源模块和信号采集模块。其中，信号采集模块包括依次连接的信号调理单元、多路开关转换单元、隔离滤波单元、放大单元、AD转换单元以及FPGA采集处理单元，多路开关转换单元和AD转换单元与FPGA采集处理单元连接，通过FPGA采集处理单元控制多路开关的切换，并对AD转换后的结果进行采集、校正与存储，供微处理器进行读取和处理。其具有低功耗、覆盖广、开关切换速度快的优点，并对采集结果通过软件进行校正，提高了AD采集精度，有助于实现对多模拟量的实时准确监测与控制。

Description

一种多通道模拟量采集电力集中器
技术领域
本发明涉及电力***技术领域，具体而言，涉及一种多通道模拟量采集电力集中器。
背景技术
电力用户集抄***是一种用户电能信息采集、处理和实时监控***，集中器是电力***的主要通信设备，通常安装在用户变压器位置，介于电能表或电能表终端与电力***主站之间。集中器是远程集中抄表***的中心管理设备和控制设备，负责定时读取终端数据、***的命令传送、数据通讯、网络管理、事件记录、数据的横向传输等功能。目前，集中器通常采用GPRS技术进行数据无线远传，但采用GPRS技术进行数据无线远传的数据集中器存在功耗大、信号覆盖差和基站容量小的缺陷。另外，相关技术规范对集中器一些监测点的非电气量(如：温度、压力等)采集的精度要求较高，如何保持测量精度、采集速度和通信质量的平衡成为一个关键的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多通道模拟量采集电力集中器，具有低功耗、覆盖广、开关切换速度快的优点，并对采集结果通过软件进行校正，提高了AD采集精度，有助于实现对多模拟量的实时准确监测与控制。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本申请实施例提供一种多通道模拟量采集电力集中器，其包括微处理器以及与上述微处理器连接的无线通信模块、存储模块、显示模块、电源模块和信号采集模块；上述无线通信模块用于与上行服务器和下行终端通讯，上述显示模块用于显示***工作状态及网络连接状态，上述电源模块采用锂电池及SPC供电方式为上述微处理器供电；上述信号采集模块包括依次连接的信号调理单元、多路开关转换单元、隔离滤波单元、放大单元、AD转换单元以及FPGA采集处理单元，上述多路开关转换单元和AD转换单元与上述FPGA采集处理单元连接，通过上述FPGA采集处理单元控制多路开关的切换，并对AD转换后的结果进行采集、校正与存储，供上述微处理器进行读取和处理。
在本发明的一些实施例中，上述FPGA采集处理单元对上述AD转换后的结果进行校正时，实际增益K的计算方式为：K＝(D2-D1)/(V2-V1)，其中，V1和V2为两次实际输入值，D1和D2为两次转换输出结果；则校正后的结果D'为：D'＝(Dr-D0)/K，其中，Dr为实际转换结果，D0为实际偏移，即输入为0时的偏移量。
在本发明的一些实施例中，上述信号调理单元包括电阻R1、电容C1、二极管V1和二极管V2，上述电阻R1的一端连接模拟量输入信号，上述电阻R1的另一端通过上述电容C1接地，上述二极管V1和二极管V2组成反向二极管对，上述电阻R1的另一端通过上述反向二极管对输出限幅后的模拟量信号。
在本发明的一些实施例中，上述多路开关转换单元采用两级级联方式，每次通道切换成功后，按照预设时间对该通道进行延时处理，并在收到上述FPGA采集处理单元发送的采集结束信号后，通过自动累加的方式使开关自动切换到下一个通道。
在本发明的一些实施例中，上述AD转换单元包括转换芯片U1和由电阻R2、电阻R3、电容C2以及电容C3构成的***电路，上述转换芯片U1的引脚VIN通过上述电阻R2连接输入信号，引脚VIN还通过上述电阻R3连接引脚CAP，上述转换芯片U1的引脚AGND1接地，并通过上述电容C2连接引脚REF，上述转换芯片U1的引脚CAP和引脚AGND2通过上述电容C3连接后接地。
在本发明的一些实施例中，上述无线通信模块包括NB-IOT无线通信模块和Lora无线通信模块，上述微处理器通过上述NB-IOT无线通信模块与上行服务器通讯，通过上述Lora无线通信模块与下行终端通讯。
在本发明的一些实施例中，上述微处理器的主控芯片采用型号为SH79F6431单片机。
相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
本申请实施例提供一种多通道模拟量采集电力集中器，包括微处理器以及与微处理器连接的无线通信模块、存储模块、显示模块、电源模块和信号采集模块。其中，微处理器通过NB-IOT无线通信模块与上行服务器通讯，通过Lora无线通信模块与下行终端通讯。显示模块用于显示***工作状态及网络连接状态，电源模块采用锂电池及SPC供电方式为微处理器供电。信号采集模块包括依次连接的信号调理单元、多路开关转换单元、隔离滤波单元、放大单元、AD转换单元以及FPGA采集处理单元，多路开关转换单元和AD转换单元与FPGA采集处理单元连接。通过FPGA采集处理单元控制多路开关的切换，并对AD转换后的结果进行采集、校正与存储，供微处理器进行读取和处理。整体而言，本申请的集中器一方面通过采用NB-IOT无线通信模块代替传统的GPRS模块进行无线数据传输，具有覆盖广、成本低、功耗低等优点，更有利于远程抄表应用的稳定长期使用；另一方面，通过软件对采集结果进行校正，提高了AD采集精度，有助于实现对多模拟量的实时准确监测与控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的一种多通道模拟量采集电力集中器一实施例的结构框图；
图2为本发明提供的一种多通道模拟量采集电力集中器另一实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的一种多通道模拟量采集电力集中器一实施例中信号调理单元的示意图；
图4为本发明提供的一种多通道模拟量采集电力集中器一实施例中AD转换单元的示意图；
图5为本发明提供的一种多通道模拟量采集电力集中器一实施例中每个通道的AD采集流程示意图。
图标：1、微处理器；2、无线通信模块；21、NB-IOT无线通信模块；22、Lora无线通信模块；3、存储模块；4、显示模块；5、电源模块；6、信号采集模块。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。
请参照图1和图2，本申请实施例提供一种多通道模拟量采集电力集中器，其包括微处理器1以及与上述微处理器1连接的无线通信模块2、存储模块3、显示模块4、电源模块5和信号采集模块6；上述无线通信模块2用于与上行服务器和下行终端通讯，上述显示模块4用于显示***工作状态及网络连接状态，上述电源模块5采用锂电池及SPC供电方式为上述微处理器1供电。上述信号采集模块6包括依次连接的信号调理单元、多路开关转换单元、隔离滤波单元、放大单元、AD转换单元以及FPGA采集处理单元，上述多路开关转换单元和AD转换单元与上述FPGA采集处理单元连接，通过上述FPGA采集处理单元控制多路开关的切换，并对AD转换后的结果进行采集、校正与存储，供上述微处理器1进行读取和处理。
上述实施例中，信号调理单元主要用于实现输入信号幅值调理；多路开关转换单元用于多路模拟信号的选择性输入，在某一时刻仅对其中一路模拟信号进行采样处理；隔离滤波单元实现对AD输入前端信号进行隔离及低通滤波，提高模拟信号隔离度并有效地抑制尖峰脉冲及部分噪声的干扰；AD转换单元用于实现16位模数转换；FPGA采集处理单元用于对AD转换后的结果进行采集、校正与存储，供上述微处理器1进行读取和处理。
进一步地，在本发明的一些实施例中，上述无线通信模块2包括NB-IOT无线通信模块21和Lora无线通信模块22，上述微处理器1通过上述NB-IOT无线通信模块21与上行服务器通讯，通过上述Lora无线通信模块22与下行终端通讯。
上述实施例中，集中器处于抄表***的中间层，是抄表***的中枢，既完成对下级采集器的数据收集，也能够响应主站指令，完成数据通信任务。而由于目前集中器通常采用GPRS技术进行数据无线远传，但采用GPRS技术进行数据无线远传的数据集中器存在功耗大、信号覆盖差和基站容量小的缺陷。所以本申请通过采用NB-IOT无线通信模块21代替传统的GPRS模块进行无线数据传输，具有覆盖广、成本低、功耗低等优点，更有利于远程抄表应用的稳定长期使用。
示例性的，其中微处理器1的主控芯片可以采用型号为SH79F6431单片机，NB-IOT无线通信模块21可以采用高性能、低功耗的BC95系列无线通信模块2，Lora无线通信模块22可以采用SX1278射频收发芯片作为前端射频单元，确保模块通信距离与抗干扰能力的同时保证较低的电流消耗。更进一步地，为了尽量降低集中器功耗，根据BC95模块的特点，集中器采用定时上报的方式与服务器数据通讯。集中器每1h上报一次数据，在接收服务器的应答指令中解析出服务器对集中器的参数设置命令，然后更新本集中器参数。集中器下行指令包含在唤醒帧中，集中器定时向终端下发指令唤醒帧。从而集中器通过控制自身的休眠与唤醒时隙，来准确接收下行终端表的应答数据，以进一步降低集中器功耗。
在本发明的一些实施例中，AD芯片作为信号采集的核心部件，其内部ADC容易受到参考源的影响，当采用内部参考源时，可通过软件进行校正，提高AD采集精度。具体的，上述FPGA采集处理单元对上述AD转换后的结果进行校正时，实际增益K的计算方式为：，其中，和为两次实际输入值，和为两次转换输出结果；则校正后的结果为：，其中，为实际转换结果，为实际偏移，即输入为0时的偏移量。示例性的，实际增益K可以通过多组输入值计算取平均的方式提高增益K的精度。
在本发明的一些实施例中，上述信号调理单元包括电阻R1、电容C1、二极管V1和二极管V2，上述电阻R1的一端连接模拟量输入信号，上述电阻R1的另一端通过上述电容C1接地，上述二极管V1和二极管V2组成反向二极管对，上述电阻R1的另一端通过上述反向二极管对输出限幅后的模拟量信号。
如图3所示，信号在进入多路开关前，通过两个二极管V1和V2组成的双向限幅电路对采集的电压信号进行限制，使得输入电压钳位在-10V至+10V之间，防止因其电压过高或者有其它串扰高电压破坏整个采集电路。
在本发明的一些实施例中，上述多路开关转换单元采用两级级联方式，每次通道切换成功后，按照预设时间对该通道进行延时处理，并在收到上述FPGA采集处理单元发送的采集结束信号后，通过自动累加的方式使开关自动切换到下一个通道。
上述实施例中，通过增加多路模拟开关的个数可以成倍的提高通道数，再通过级联的方式将多路模拟开关前后级连起来，可以大幅提高模拟量的通道数。例如，采用16路的多路模拟开关构成两级级联方式，则仅两级级联就可以支持16×16＝256路通道数。同时，通过将多路开关的控制信号与FPGA相连接，可以实现多路开关的通道切换并完成AD转换。对于每一次切换，也即对于每一个通道而言，首先通过对通道的轮转，轮转到某一通道时，AD转换芯片此时的输入是多路开关上对应通道所对应的模拟量信号。考虑到一般电源电压或者其它方式转换来的电压需要一段时间才能稳定地建立，而且两级多路开关之间信号传送也需要建立时间，因此，通道切换成功后，需要对当前通道先进行一段延时处理，使其选通后保持一定的时间。当信号稳定后，控制AD转换芯片开始转换，转换完成后将采集到的值进行保存。对于多个通道而言，当某通道采集结束后，通过自动累加的方式使开关自动切换到下一个通道开始同样的流程，这样周而复始的轮转。当微处理器1需要某一通道的采集结果时，主控芯片直接从FPGA中对应通道的对应地址中读出采集值，再根据预先设置好的不同通道的不同计算方法得出最终需要的模拟量信号真实值。
每次进行AD转换的流程如图5所示，为了使模拟量采集的结果更加准确、可靠，可以采用多次采集取平均值的采集方法。对于同一个通道，连续进行4次采集，并将4次采集的结果放入不同寄存器中，4次采集完成后利用FPGA直接对4各寄存器的值进行求解均值计算得到最终的平均值，最后将均值结果存入当前通道对应的地址中，完成本通道的一次采集记录流程。
在本发明的一些实施例中，如图4所示，上述AD转换单元包括转换芯片U1和由电阻R2、电阻R3、电容C2以及电容C3构成的***电路，上述转换芯片U1的引脚VIN通过上述电阻R2连接输入信号，引脚VIN还通过上述电阻R3连接引脚CAP，上述转换芯片U1的引脚AGND1接地，并通过上述电容C2连接引脚REF，上述转换芯片U1的引脚CAP和引脚AGND2通过上述电容C3连接后接地。示例性的，转换芯片U1的型号可以采用AD976，并选用内部参考源。AD976是一款16位AD转换芯片，带有高速并行接口，最高转换速率200k/s，具有低功耗、高精度等特点，其内部集成温度补偿的电压参考，精度为2.5V±20mv。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (7)

1.一种多通道模拟量采集电力集中器，其特征在于，包括微处理器以及与所述微处理器连接的无线通信模块、存储模块、显示模块、电源模块和信号采集模块；所述无线通信模块用于与上行服务器和下行终端通讯，所述显示模块用于显示***工作状态及网络连接状态，所述电源模块采用锂电池及SPC供电方式为所述微处理器供电；所述信号采集模块包括依次连接的信号调理单元、多路开关转换单元、隔离滤波单元、放大单元、AD转换单元以及FPGA采集处理单元，所述多路开关转换单元和AD转换单元与所述FPGA采集处理单元连接，通过所述FPGA采集处理单元控制多路开关的切换，并对AD转换后的结果进行采集、校正与存储，供所述微处理器进行读取和处理。
2.如权利要求1所述的一种多通道模拟量采集电力集中器，其特征在于，所述FPGA采集处理单元对所述AD转换后的结果进行校正时，实际增益K的计算方式为：K＝(D2-D1)/(V2-V1)，其中，V1和V2为两次实际输入值，D1和D2为两次转换输出结果；则校正后的结果D'为：D'＝(Dr-D0)/K，其中，Dr为实际转换结果，D0为实际偏移，即输入为0时的偏移量。
3.如权利要求1所述的一种多通道模拟量采集电力集中器，其特征在于，所述信号调理单元包括电阻R1、电容C1、二极管V1和二极管V2，所述电阻R1的一端连接模拟量输入信号，所述电阻R1的另一端通过所述电容C1接地，所述二极管V1和二极管V2组成反向二极管对，所述电阻R1的另一端通过所述反向二极管对输出限幅后的模拟量信号。
4.如权利要求1所述的一种多通道模拟量采集电力集中器，其特征在于，所述多路开关转换单元采用两级级联方式，每次通道切换成功后，按照预设时间对该通道进行延时处理，并在收到所述FPGA采集处理单元发送的采集结束信号后，通过自动累加的方式使开关自动切换到下一个通道。
5.如权利要求1所述的一种多通道模拟量采集电力集中器，其特征在于，所述AD转换单元包括转换芯片U1和由电阻R2、电阻R3、电容C2以及电容C3构成的***电路，所述转换芯片U1的引脚VIN通过所述电阻R2连接输入信号，引脚VIN还通过所述电阻R3连接引脚CAP，所述转换芯片U1的引脚AGND1接地，并通过所述电容C2连接引脚REF，所述转换芯片U1的引脚CAP和引脚AGND2通过所述电容C3连接后接地。
6.如权利要求1所述的一种多通道模拟量采集电力集中器，其特征在于，所述无线通信模块包括NB-IOT无线通信模块和Lora无线通信模块，所述微处理器通过所述NB-IOT无线通信模块与上行服务器通讯，通过所述Lora无线通信模块与下行终端通讯。
7.如权利要求1所述的一种多通道模拟量采集电力集中器，其特征在于，所述微处理器的主控芯片采用型号为SH79F6431单片机。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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