專利名稱：一種基于fpga的物聯(lián)網(wǎng)通用電氣量采集傳輸設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電氣量測控領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)通用電氣量采集傳輸設(shè)備。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計(jì)算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，讓所有物品與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方便識別、管理和監(jiān)控，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)融合的應(yīng)用，最終為人們提供無所不在的全方位服務(wù)。電力行業(yè)是關(guān)系著民生的基礎(chǔ)行業(yè)，隨著信息化的快速發(fā)展，而今信息化在電力行業(yè)中扮演的角色也日趨重要，電力調(diào)度自動化和電能量系統(tǒng)在電力行業(yè)已是必不可少的系統(tǒng)，為電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、可靠性運(yùn)行發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，由于電力行業(yè)的特殊性，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、高可用性、安全性等有很高的要求。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于電力行業(yè)是信息通信技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果，能有效整合通信基礎(chǔ)設(shè)施資源和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施資源，使信息通信基礎(chǔ)設(shè)施資源服務(wù)于電力運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)信息化，改善現(xiàn)有電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用效率，為國家節(jié)能減排目標(biāo)做出
-Tj. 士 [>貝獻(xiàn)。新一代基礎(chǔ)研究旨在融合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、高級傳感和測控等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高面向電力行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)信息感知能力，推動電力信息采集裝備的智能化，引導(dǎo)智能感知裝備制造技術(shù)的發(fā)展，研制并推出具有更多種類、更高級、可靠、靈活的智能感知裝備。電力行業(yè)中采集設(shè)備的設(shè)計(jì)需要滿足電網(wǎng)配網(wǎng)的雙向交互和自愈控制的要求，傳統(tǒng)的采集設(shè)備大都實(shí)現(xiàn)了信息的采集及傳輸，但存在以下問題目前的電氣量采集設(shè)備通常用單片機(jī)或者電路搭建，但其靈活性差，采集速度低，并且其功能應(yīng)用具有單一性，與通信終端的交互能力差，不便于復(fù)用到多種高級應(yīng)用中，不利于系統(tǒng)的二次開發(fā)和系統(tǒng)升級。同時(shí)，目前國內(nèi)常用信息傳輸?shù)姆椒ㄍǔＪ遣捎肦S485有線傳輸方式，需要鋪設(shè)電纜，安裝過程繁瑣，并且采集位置不易變通；另一種方法是采用GPRS/CDMA通信實(shí)現(xiàn)的無線傳送方式，但需要借助于第三方運(yùn)行商提供的無線網(wǎng)絡(luò)，不具備自組網(wǎng)能力，靈活性及安全性差，尤其在一些移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)，信息的無線傳輸更加難以實(shí)現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)比，本實(shí)用新型的顯著特征I)采用新型的電氣量采集模塊，滿足了并行實(shí)時(shí)計(jì)算要求，電氣量信息采集的抗干擾性強(qiáng)，精度高，具有完善的自診斷功能，適用范圍廣；2)采用FPGA芯片作為處理器核心，有較高的處理速度，編程開發(fā)方便，可重用性強(qiáng)，便于系統(tǒng)維護(hù)和智能升級，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的人機(jī)交互；3)使用32M容量的FLASH存儲芯片和IG bits的DDR2內(nèi)存芯片，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自啟動及大批數(shù)據(jù)的緩存，最大限度保證數(shù)據(jù)的完整性及實(shí)時(shí)性；[0013]4)采用無線通訊，使得數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易，并易于安裝操作，節(jié)約了布線成本，減少了對周圍環(huán)境的依賴性，保證了設(shè)備的靈活性及安全性，可以用于電網(wǎng)的配網(wǎng)管理及調(diào)度自動化。

實(shí)用新型內(nèi)容鑒于上述情況，本實(shí)用新型提供了一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)通用電氣量采集傳輸設(shè)備，其特征在于包括基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊、電氣量采集模塊、無線通訊模塊和USB接口模塊。進(jìn)一步，所述的基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊包括FPGA主控芯片、FLASH存儲芯片、DDR2內(nèi)存芯片和模塊對外接口，其中模塊對外接口包括至少3個(gè)UART接口，該模塊通過UART接口分別與電氣量采集模塊、無線通訊模塊和USB接口模塊相連。進(jìn)一步，所述的電氣量采集模塊包括電流互感器或電壓互感器中的至少一種、A/D 采集器、UART通信接口。進(jìn)一步，所述的模塊對外接口還包括IIC接口或GPIO接口之一或者兩種。進(jìn)一步，還包括環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊，環(huán)境監(jiān)測模塊包括溫度傳感器或濕度傳感器或同時(shí)包括溫、濕度傳感器，同時(shí)提供對外接口，其中溫度傳感器通過IIC接口或GPIO接口與基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊相連，濕度傳感器通過IIC接口或GPIO接口與基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊相連。基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊采用FPGA主控芯片作為處理器核心，實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用，F(xiàn)LASH存儲芯片和DDR2內(nèi)存芯片與FPGA主控芯片相連接，F(xiàn)LASH存儲芯片用于存儲配置設(shè)置和FPGA自啟動程序，DDR2內(nèi)存芯片用于緩存計(jì)算與處理的數(shù)據(jù)和程序，該模塊通過模塊對外接口與其他模塊相連，對整個(gè)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置和控制。電氣量采集模塊通過電流互感器將電力系統(tǒng)中的高電流信號轉(zhuǎn)換成小的電流信號，同理，通過電壓互感器將電力系統(tǒng)中的高電壓信號轉(zhuǎn)換成小的電壓信號，這些模擬號通過一定的變換后，經(jīng)過AD采樣形成實(shí)時(shí)的電力系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后監(jiān)測數(shù)據(jù)通過UART通信接口傳送到基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊。無線通訊模塊包括無線通訊控制器、工頻放大器和天線，該模塊與基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊相連，實(shí)現(xiàn)采集信息的無線傳輸。USB接口模塊與基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊相連，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與PC端的串口通信。本實(shí)用新型通過電氣量采集模塊實(shí)時(shí)采集電氣量信息，如電流或電壓信息，同時(shí)可以通過環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊實(shí)時(shí)采集周圍環(huán)境溫度信息或環(huán)境濕度信息中的至少一種，經(jīng)過基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、校驗(yàn)及數(shù)據(jù)包封裝處理，通過無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，便于相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行解封及校驗(yàn)處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的整合分析及終端顯示；本設(shè)備也可以通過無線通訊模塊實(shí)時(shí)響應(yīng)無線傳送到本設(shè)備的控制指令，實(shí)現(xiàn)與無線終端的智能交互；能夠通過USB接口模塊接收PC監(jiān)控端的參數(shù)配置指令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)及工作模式的動態(tài)配置。本設(shè)備采用新型的電氣量采集裝置，信息采集的精度高、準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，采用FPGA作為主控，編程開發(fā)方便，系統(tǒng)的靈活性增強(qiáng)，預(yù)留多種對外通信接口，可以基于物聯(lián)網(wǎng)定制傳感器接口形成適應(yīng)不同場合的采集設(shè)備，減少設(shè)計(jì)成本，通用性強(qiáng)，可以用于電網(wǎng)的配網(wǎng)管理及調(diào)度自動化。
圖I示出本實(shí)用新型的設(shè)備整體結(jié)構(gòu)框圖；圖2示出本實(shí)用新型一實(shí)施例的基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖3示出本實(shí)用新型 一實(shí)施例的電氣量采集模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖4示出本實(shí)用新型一實(shí)施例的無線通訊模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖5示出本實(shí)用新型一實(shí)施例的信息傳輸通路示意圖。
具體實(shí)施方式
為了進(jìn)一步描述本實(shí)用新型的優(yōu)勢，下面介紹本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例。本實(shí)施例適用于配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)IOkV配電線路的電氣量信息的實(shí)時(shí)采集和無線傳輸。圖I為基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)通用電氣量采集傳輸設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)框圖，如圖所示，該設(shè)備具體包括基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊、電氣量采集模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊、無線通訊模塊和USB接口模塊。如圖2所示，所述的基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊包括FPGA主控芯片、FLASH存儲芯片和DDR2內(nèi)存芯片和模塊對外接口。其中FPGA主控芯片選用Xilinx公司Spartan 6系列XC6SLX16CSG324FPGA芯片，該芯片內(nèi)部集成了 32位微處理器、片內(nèi)RAM，以及各種外圍設(shè)備IP核，能夠方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理和通信傳輸控制；FLASH存儲芯片選用Spansion公司S29系列的S29GL256D NOR FLASH存儲器件，芯片存儲容量為256Mbit，用于存儲FPGA的boot和應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)；DDR2內(nèi)存芯片使用ELPIDA公司的EDE1116ACBG_8E_E芯片，為IGbit的SDRAM緩存芯片，用于運(yùn)行FPGA嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序；模塊對外接口包括IIC接口、GPIO接口以及一組UART接口。所述的電氣量采集模塊選用CSC208數(shù)字式交流采集裝置作為模擬量采集單元，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，該裝置采用DSP和MCU合一的32位單片機(jī)，程序完全在片內(nèi)運(yùn)行，保持了總線不出芯片的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)高性能、高速的芯片滿足了并行實(shí)時(shí)計(jì)算要求；裝置具有完善的自診斷功能，運(yùn)行過程中一旦檢測到裝置硬件出錯(cuò)，能及時(shí)通知運(yùn)行人員，并指明故障所在；本裝置無任何可調(diào)電位器，裝置通過出廠前的自動檢測后現(xiàn)場無需作任何調(diào)節(jié)，避免了人為因素對產(chǎn)品性能造成的影響，可靠性高；裝置采用DIN軌道式安裝，維護(hù)和安裝非常方便。該裝置能采集高壓電網(wǎng)中的電流電壓電氣量信息，經(jīng)由串行通信接口傳送到基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊。所述的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊對采集器周圍環(huán)境溫度的采集采用DS18B20溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，接口為3pin插接口，包含3. 3v電源、地和數(shù)據(jù)線，F(xiàn)PGA通過IIC接口完成與溫度傳感器的控制和數(shù)據(jù)交互。所述的無線通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，包括無線通訊控制器、工頻放大器和天線。在本實(shí)施例中，該模塊選用為基于Jennic的JN5148芯片設(shè)計(jì)ZigBee無線通訊模塊，該模塊選用ZigBee芯片作為無線通訊控制器，ZigBee主芯片內(nèi)置32位RISC CPU,包含128KB RAM和128KB ROM空間，含有通用10、UART串口、JTAG調(diào)試接口、I2S語音接口、SPI口、I2C接口等。該模塊接收采集數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行無線通訊系統(tǒng)的軟硬件控制，實(shí)現(xiàn)對采集信息的無線發(fā)送。本實(shí)施例中，ZigBee無線通訊模塊可以根據(jù)實(shí)際需要選配ZigBee高功率模塊(傳輸距離能達(dá)1000米)和ZigBee低功率模塊(傳輸距離能達(dá)100米)。在本實(shí)施例中，設(shè)備通過CSC208數(shù)字式交流采集裝置外接入3路交流電流及3路交流電壓，通過環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊外接入溫度傳感器，本實(shí)施例通過ZigBee實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)及無線通訊，基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊提供的2個(gè)UART通信接口，分別與CSC208數(shù)字式交流采集裝置、ZigBee無線通訊模塊相連，構(gòu)成電氣量數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)通路。設(shè)備正工作時(shí)，信息傳輸通路示意圖如圖5所示。其中，數(shù)據(jù)包PU P2、P3、P4為數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)包；將無線采集模塊與基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊之間基于DNP規(guī)約的數(shù)據(jù)包定義為Pl ;將環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊與基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊之間的通信數(shù)據(jù)包定義為數(shù)據(jù)包P2 ;將基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊與無線通訊模塊之間的串口通信數(shù)據(jù)包定義為數(shù)據(jù)包P3 ;將無線通訊模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀定義為數(shù)據(jù)包P4。電氣量采集模塊實(shí)時(shí)采集高壓電網(wǎng)中的I/U信息，信息經(jīng)由電氣量采集模塊封裝 成數(shù)據(jù)包P1，并通過串行通信接口傳送到物聯(lián)網(wǎng)接入模塊；而環(huán)境參數(shù)信息由環(huán)境參數(shù)檢測模塊，該模塊將信息封裝成數(shù)據(jù)包P2并傳送到物聯(lián)網(wǎng)接入模塊。由基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊將I/U電氣量數(shù)據(jù)信息和環(huán)境溫度信息進(jìn)行處理，增加包頭封裝成數(shù)據(jù)包P3，并將P3數(shù)據(jù)包通過串口通訊傳送給無線通訊模塊，無線通訊模塊對數(shù)據(jù)包P3進(jìn)行處理，增加本地信息及包頭將數(shù)據(jù)包打包成數(shù)據(jù)包P4，傳送到相應(yīng)的匯聚設(shè)備。本實(shí)用新型提供了一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)通用電氣量采集傳輸系統(tǒng)，通過對硬件設(shè)備以及外圍器件、各個(gè)端口的控制，實(shí)現(xiàn)互感數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)發(fā)。具體功能如下I)電氣量信息采集，即實(shí)時(shí)采集3路交流電流及3路交流電壓的電氣量信息，并計(jì)算電壓、電流、有功、無功、電壓間及電壓與電流之間相角。2)線路故障檢測，采用過流保護(hù)判斷接地、相間故障，并判斷故障放心及單相故障時(shí)的相別。3)溫度監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度信息的采集，可適用測量溫度的范圍為-40到125C。4)實(shí)現(xiàn)終端傳感數(shù)據(jù)(包括電流互感信息、電壓互感信息，以及環(huán)境溫度信息)的ZigBee無線發(fā)送，即實(shí)現(xiàn)終端傳感數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絑igBee無線通訊模塊，同時(shí)支持從ZigBee無線通訊模塊接收指令轉(zhuǎn)發(fā)給電氣量采集模塊。5)支持串口配置，用戶可以通過串口對設(shè)備配置信息(設(shè)備ID、設(shè)備名稱、IPv4參數(shù)配置、ZigBee組網(wǎng)配置等)進(jìn)行讀取和更改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重配置。系統(tǒng)默認(rèn)為ZigBee工作模式，如果接收到PC端模式切換指令則按照指令進(jìn)行相應(yīng)的切換操作。6)可具備循環(huán)上送和越限上送功能，滿足計(jì)算值實(shí)時(shí)上送刷新時(shí)間不大于2S的要求。本實(shí)施例通過無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程信息的采集傳輸，能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，維護(hù)和安裝非常方便，便于電力管理部門及時(shí)掌握配電線路的電氣量信息，對信息進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)控制測量。
權(quán)利要求1.一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)通用電氣量采集傳輸設(shè)備，其特征在于包括基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊、電氣量采集模塊、無線通訊模塊和USB接ロ模塊； 所述的基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊包括FPGA主控芯片、FLASH存儲芯片、DDR2內(nèi)存芯片和模塊對外接ロ，其中模塊對外接ロ包括至少3個(gè)UART接ロ，該模塊通過UART接ロ分別與電氣量采集模塊、無線通訊模塊和USB接ロ模塊相連； 所述的電氣量采集模塊包括電流互感器或電壓互感器中的至少ー種、A/D采集器、UART通信接ロ。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電氣量采集傳輸設(shè)備，其特征在于，所述的模塊對外接ロ還包括IIC接ロ或GPIO接ロ之一或者兩種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣量采集傳輸設(shè)備，其特征在于，還包括環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊，環(huán)境監(jiān)測模塊包括溫度傳感器或濕度傳感器或同時(shí)包括溫、濕度傳感器，同時(shí)提供對外接ロ，其中溫度傳感器通過IIC接ロ或GPIO接ロ與基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊相連，濕度傳感器通過IIC接ロ或GPIO接ロ與基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊相連。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)通用電氣量采集傳輸設(shè)備，包括基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊、電氣量采集模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊、無線通訊模塊和USB接口模塊，其中基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊包括FPGA主控芯片、FLASH存儲芯片、DDR2內(nèi)存芯片和模塊對外接口，電氣量采集模塊由電流/電壓互感器、A/D采集器、UART通信接口組成。本設(shè)備通過電氣量采集模塊和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊采集電氣量及環(huán)境參數(shù)信息，經(jīng)過基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)接入模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理，通過無線通訊模塊上傳到相應(yīng)的匯聚設(shè)備。本設(shè)備采用FPGA作為主控，系統(tǒng)的靈活性增強(qiáng)，可以基于物聯(lián)網(wǎng)定制傳感器接口形成適應(yīng)不同場合的采集設(shè)備，通用性強(qiáng)，適用于電網(wǎng)的配網(wǎng)管理及調(diào)度自動化。
文檔編號G08C17/02GK202404733SQ201120510378
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者付海靜, 侯義斌, 劉宏珍, 肖春華, 黃樟欽 申請人:北京工業(yè)大學(xué)