CN203117711U - 一种便携式多功能数据记录仪 - Google Patents

Abstract

一种便携式多功能数据记录仪，包括DSP采集板、PC104主板、显示单元、数据存储单元、多个模拟量采集单元、开关量单元和电源单元，多个模拟量采集单元和开关量单元通过背板总线与DSP采集板连接，DSP采集板与PC104主板连接，PC104主板分别与显示单元和数据存储单元连接，电源单元为本记录仪供电，所述的DSP采集板包括多个A/D芯片、DSP芯片、FPGA芯片和双口RAM，开关量单元通过光电耦合器与FPGA芯片连接，多个A/D芯片与FPGA芯片连接，FPGA芯片与DSP芯片连接，FPGA芯片与双口RAM连接。本记录仪具有计算精度高，电气结构简洁可靠，采集测量通道数量多的优点。

Description

一种便携式多功能数据记录仪

技术领域

本实用新型应涉及一种便携式多功能数据记录仪。

背景技术

发电厂在新机组投运或机组检修后重新起动前，需对锅炉、汽机、发电机等进行一系列的试验，以检测机组的状态和各项参数是否达到要求。发电机组在投运后，也需要对机组的状态进行监测，在机组出现问题时应对故障前后的波形进行录制，以分析并查找故障原因。

现有的故障录波装置可在机组故障时录制波形，但对汽机试验，因汽门及阀门信号的频率较高(达2K)，目前需高速数据记录仪来完成，而高速数据记录仪是一种通用型设备，并没有针对汽机试验做出专门处理，如不能自动起动，不能计算汽门关闭时间，而需手动测量，因此发电机起机过程中需要录波仪与高速数据记录仪配合完成发电机起机的数据记录功能。因此开发一种集录波功能及汽机试验功能为一体的高速数据采集装置是有必要的。

实用新型内容

基于以上不足之处，本实用新型应公开一种便携式多功能数据记录仪，应用于电力及发电厂场所，在发电机起机及正常运行时，本记录仪能自动完成发电机、汽机数据记录和分析，汽机试验数据记录、分析和计算。

本实用新型采用如下技术：一种便携式多功能数据记录仪，包括DSP采集板、PC104主板、显示单元、数据存储单元、多个模拟量采集单元、开关量单元和电源单元，多个模拟量采集单元和开关量单元通过背板总线与DSP采集板连接，DSP采集板与PC104主板连接，PC104主板分别与显示单元和数据存储单元连接，电源单元为本记录仪供电，所述的DSP采集板包括多个A/D芯片、DSP芯片、FPGA芯片和双口RAM，每个A/D芯片与一路模拟量采集单元连接，开关量单元通过光电耦合器与FPGA芯片连接，多个A/D芯片与FPGA芯片连接，FPGA芯片与DSP芯片连接，FPGA芯片与双口RAM连接；多个模拟量信号：包括交流电压、交流电流、直流电压和直流电流，由多个模拟量采集单元处理后输入到背板总线，开关量信号由开关量单元处理后输入到背板总线，多个模拟量信号和开关量数据经背板后到达DSP采集板；由DSP采集板负责完成模拟量和开关量信号的高频采集，采集后数据存放到DSP采集板上的双口RAM中，由PC104主板通过PC104总线接口读取双口RAM中的数据，实现数据交互。

本实用新型还具有如下特征：以上所述的DSP芯片为计算核心，FPGA芯片为逻辑控制核心，由FPGA芯片控制4片8通道16位同步采样A/D芯片，最高以100k/s的采样速率同步采样模拟量通道数据，由DSP芯片完成模拟量信号的幅值和相角参数的计算。

本数据记录仪可通过主汽门或阀门动作信号触发数据记录，自动记录主汽门和调节阀门动作波形，并分析计算出动作时间、延迟时间等参数。本实用新型采集频率高，可实现多通道同步100K/S频率采样，计算精度高，精度可达0.2％。电气结构简洁可靠，采集测量通道数量多。计算及分析完全自动完成，节省人力，提高效率。

附图说明

图1为本数据记录仪原理图框图；

图2为交流电压采集通道电路原理图；

图3为开关量通道电路原理图；

图4为DSP数据采集单元原理框图。

具体实施方式

下面举例对本实用新型做进一步解释：

实施例1

本实施例在技术上采用了以下技术解决方案：

一种便携式多功能数据记录仪，包括DSP采集板1、PC104主板2、显示单元5、数据存储单元7、4个模拟量采集单元4、开关量单元9和电源单元3，4个模拟量采集单元4和开关量单元9通过背板总线与DSP采集板1连接，DSP采集板1与PC104主板2连接，PC104主板2与数据存储单元7连接，PC104主板2通过LVDS线与显示单元5连接，电源单元为3本记录仪供电，所述的DSP采集板1包括4个A/D芯片12、DSP芯片10、FPGA芯片11和双口RAM8，每个A/D芯片12与一路模拟量采集单元4连接，开关量单元9通过光电耦合器与FPGA芯片11连接，4个A/D芯片12与FPGA芯片11连接，FPGA芯片11与DSP芯片10连接，FPGA芯片11与双口RAM8连接；多个模拟量信号：包括交流电压、交流电流、直流电压和直流电流，由4个模拟量采集单元4处理后输入到背板总线，开关量信号由开关量单元处理后输入到背板总线，4个模拟量信号和开关量数据经背板后到达DSP采集板1；由DSP采集板1负责完成模拟量和开关量信号的高频采集，采集后数据存放到DSP采集板上1的双口RAM8中，由PC104主板2通过PC104总线接口13读取双口RAM8中的数据，实现数据交互。PC104主板2开有外部通讯接口6。所述的DSP芯片为计算核心，FPGA芯片为逻辑控制核心，由FPGA芯片控制4片8通道16位同步采样A/D芯片，最高以100k/s的采样速率同步采样模拟量通道数据，由DSP芯片完成模拟量信号的幅值和相角参数的计算。

DSP采集板负责完成模拟量信号、开关量信号高速采样和计算，PC104主板负责数据存贮、人机界面处理及录波逻辑和试验数据记录和分析等功能，PC104主板通过总线和共享RAM与DSP数据采集单元间进行通信。

DSP数据采集单元采用了DSP+FPGA为核心的设计，为实现多通道同步采样及高精度A/D转换，单元采用多通道同步采样A/D芯片。为实现多通道同步采样及高速数据采集，由FPGA实现对多个A/D芯片同步采样的控制及采样数据的读取。A/D芯片的采样速度达到100K/S，即每10us采样一批通道数据，如果DSP采用每采样一次中断一次的方式，则中断信号的处理会占用DSP的大部分时间，并且可能会丢失个别中断响应。因此，采样数据先由FPGA读取并缓存，在FPGA内部设有两个乒乓缓冲区，每一缓冲区为4k字节，两个缓冲区交替工作。FPGA负责高速A/D采样及开关量采样，采样后的数据依次保存到缓冲区中，每采样1ms后，向DSP发出DMA(直接数据传送)请求，由DSP通过DMA方式读取缓冲区数据，在DSP读取缓冲区数据的同时，FPGA继续控制采集，其采样数据保存到另一个缓冲区中。DMA数据传输是由DSP的DMA控制器控制直接在FPGA和DSP内存间进行批量数据传输，不占用DSP程序时间，传输效率高，1ms的采样数据(8通道100k/s，24通道10k/s)在1K字左右，其传输时间小于50uS。

DSP采集数据后，对数据进行运算、计算出幅值、相角等数据，将采样数据及计算数据保存到共享RAM中。为实现PC104对共享RAM的读写，由FPGA内部实现了PC104总线(即ISA总线)控制接口。

PC104主板是一个完整的嵌入式计算机，板上集成有CPU、内存、电子硬盘等，在主板上安装的操作***为Windows***。装置上位机软件为Windows软件，软件人机界面丰富，易于学习和接受。

实施例2

1.DSR-1000型便携式多功能数据记录仪的物理结构，本装置安装在一个4U高度的金属箱内，箱内安装有电源插件、管理和数据采集插件、开关量插件、模拟量插件，机箱内安有背板，在机箱的前面板上安装有液晶显示器。各部分的功能如下：

(1.1)、电源插件，输入交流220V或直流电源220V，输出各插件和模块使用的电源到背板总线上，包括24V，±15V，12V，5V电源信号。

(1.2)、管理+数据采集插件，包括DSP采集板和管理主板，两者间通过PC104座插接，完成数据采集、计算、数据显示、波形显示、录波、试验记录与分析等功能，是整个装置的核心。

(1.3)、开关量插件，完成开关量信号的隔离输入及开关量输出功能。

(1.4)、模拟量插件，完成模拟量信号隔离变换输入功能。

2.装置的总体原理，图1说明了装置的总体原理，模拟量信号(包括交流电压、交流电流、直流电压、直流电流)由模拟量插件处理后输入到背板总线，开关量信号由开关量插件处理后输入到背板总线，模拟量信号和开关量数据经背板后到达DSP板。由DSP负责完成模拟量和开关量信号的高频采集，采集后数据存放到DSP板上的共享RAM中，由管理单元板上的PC104主板读取。

3.模拟量信号处理，图2说明交流电压信号处理原理，交流电压信号经电压互感器隔离变换后，转变为mA级电流信号，经放大电路和滤波电路转换成0～5V的信号，再经背板输入到DSP板上的A/D芯片模拟量输入脚。

4.开关量信号处理，图3所示，无源开关量信号输入处理原理，当外部开关量信号闭合装置提供的24V电源经外部开关量信号加入到输入光耦，使光耦导通，开关量KR1输出为高电平，外部开关量信号不导通时，KR1输出低电平。

5.DSP板原理，图4所示，DSP采集板的原理，A/D芯片采用16位8通道同步采样芯片AD7606，其最高采样频率可达200K/S，由FPGA芯片发由100K/S的采样转换启动脉冲到4片A/D，启动6片A/D同时开始转换。所有芯片A/D转换完成后，发出中断信号，由FPGA读取A/D芯片转换数据(32路)及开关量输入数据，并保存到内部的当前数据缓冲区中。数据采样时间达到1ms后，由FPGA向DSP申请DMA传输，同时FPGA读取的A/D数据开始保存到另一个缓冲区。DSP接收到DMA传输请求后，由DMA控制器启动批量数据读取，只需50us左右的时间，即可读取完FPGA传输缓冲区的数据，为FPGA准备好下一次数据传输。DSP读取数据并进行计算后，将波形数据和计算数据传输到双口RAM。双口RAM也采用双缓冲机制，即一个用于保存当前采样数据，另一个用于PC104读取数据。数据记忆量每达到20ms向PC104申请一次数据读取中断，由PC104读取双口RAM当前缓冲区内的数据。

6.管理主板工作原理，管理主板上装有PC104主板及电子硬盘，PC104采用嵌入式工控主板，主板采用高性能、低功耗CPU，主板上无风扇，硬盘采用电子硬盘，其可靠性更高。PC104通过PC104接口插接到DSP板上的PC104接口上，与DSP板间数据交换通过PC104总线进行。

7.PC104软件包括驱动软件、在线监测软件、数据分析软件、试验软件等，主要完成以下功能：

(7.1)、PC104主板与DSP采集板间通过PC104总线进行数据交互，需编写Windows设备驱动程序。驱动程序采用WDM模型编写，实现了实时管理、实时采集DSP采集板的数据。

(7.2)、实时显示模拟量通道信号波形、模拟量信号曲线趋势图、模拟量幅值、模拟量相角(交流量)、开关量状态等。

(7.3)、按设定的采样频率记录稳态波形数据，并记录下扰动信息及顺序事件信息。

(7.4)、检查各种故障判据，当起动元件满足条件，起动故障录波，录制故障前后的波形，同时发出报警提示信号。

(7.5)、提供数据分析软件，以分析稳态波形数据及暂态波形数据，分析软件可计算频率或时间，分析谐波含量并显示谐波分布图、分析矢量图。

(7.6)、自动记录汽机试验数据并计算分析，汽门关闭时间测试和计算，主汽门及调节阀门的动作时间一般为几百毫秒，另外其行程信号可能是频率达2K的信号，因此其测量需高频信号通道，其采集频率达100K/S，程序根据主汽门开关接点自动启动汽门动作录波，无需手工去捕获信号，录制波形后由分析软件自动或手动计算出，汽门操作延迟及汽门闭合时间等参数。

本实用新型采用16位多通道同步A/D芯片，结合DSP技术和FPGA技术，采集频率高，可实现多通道同步100K/S频率采样，计算精度高，精度可达0.2％。采用背插式结构，4U高度19寸机箱设计，电气结构简洁可靠，采集测量通道数量多，可达32路模拟量和24路开关量。采用PC104主板作为主机，运行Windows操作***，软件界面丰富，功能强，易于学习和操作。同时支持故障录波和汽机试验功能。汽机试验数据记录、计算及分析完全自动完成，节省人力，提高效率。

Claims (2)

1.一种便携式多功能数据记录仪，包括DSP采集板、PC104主板、显示单元、数据存储单元、多个模拟量采集单元、开关量单元和电源单元，其特征在于：多个模拟量采集单元和开关量单元通过背板总线与DSP采集板连接，DSP采集板与PC104主板连接，PC104主板分别与显示单元和数据存储单元连接，电源单元为本记录仪供电，所述的DSP采集板包括多个A/D芯片、DSP芯片、FPGA芯片和双口RAM，每个A/D芯片与一路模拟量采集单元连接，开关量单元通过光电耦合器与FPGA芯片连接，多个A/D芯片与FPGA芯片连接，FPGA芯片与DSP芯片连接，FPGA芯片与双口RAM连接；多个模拟量信号：包括交流电压、交流电流、直流电压和直流电流，由多个模拟量采集单元处理后输入到背板总线，开关量信号由开关量单元处理后输入到背板总线，多个模拟量信号和开关量数据经背板后到达DSP采集板；由DSP采集板负责完成模拟量和开关量信号的高频采集，采集后数据存放到DSP采集板上的双口RAM中，由PC104主板通过PC104总线接口读取双口RAM中的数据，实现数据交互。

2.如权利要求1所述的一种便携式多功能数据记录仪，其特征在于：所述的DSP芯片为计算核心，FPGA芯片为逻辑控制核心，由FPGA芯片控制4片8通道16位同步采样A/D芯片，最高以100k/s的采样速率同步采样模拟量通道数据，由DSP芯片完成模拟量信号的幅值和相角参数的计算。

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