專利名稱：一種超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是用于無供電電源接入、不方便接入電源、使用電池或激光等小功率電源供電，且需要高速高精度的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。
背景技術(shù)：
高壓互感器作為關(guān)口電能計(jì)量裝置的重要組成部分，是發(fā)電公司與電網(wǎng)公司、電網(wǎng)公司與供電公司、供電公司與電力用戶之間進(jìn)行公平公正貿(mào)易結(jié)算，正確計(jì)算、考核電力系統(tǒng)內(nèi)部技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的法定計(jì)量器具。目前，電網(wǎng)一次設(shè)備狀態(tài)檢修是我國(guó)電網(wǎng)迅速發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是降低運(yùn)行成本、減少因設(shè)備過度檢修而發(fā)生事故概率的手段。以往，互感器離線校準(zhǔn)(現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè))主要是滿足作為電能計(jì)量裝置的互感器周檢需要。我國(guó)電力系統(tǒng)有數(shù)量龐大的電力互感器，停電測(cè)試它們的誤差性能工作量龐大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不能獲得三相帶電狀態(tài)下的真實(shí)數(shù)據(jù)。開展互感器在線校準(zhǔn)技術(shù)研究可以克服上述離線校準(zhǔn)的缺點(diǎn)，提高互感器誤差特性測(cè)量不確定度水平，為實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量裝置的整體在線校準(zhǔn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提高電能計(jì)量的準(zhǔn)確度。為了實(shí)現(xiàn)110kV 220kV電壓等級(jí)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的計(jì)量用互感器的全自動(dòng)實(shí)時(shí)在線校準(zhǔn)，常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)電壓電流互感器因體積大、笨重等因素?zé)o法滿足在線校準(zhǔn)的需要，必須將標(biāo)準(zhǔn)電壓電流互感器經(jīng)過工藝改造，達(dá)到方便安裝、重量輕、體積小的目的，由此導(dǎo)致互感器輸出功率較小，信號(hào)幅度較小，容易受外界電磁干擾的影響，不利于信號(hào)的高精度和遠(yuǎn)距離傳輸。為了解決這一問題，必須采用低功耗、高速、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將標(biāo)準(zhǔn)電壓電流互感器輸出的信號(hào)就近數(shù)字化，并經(jīng)過光纖等方式將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這樣既能保證信號(hào)的精度和實(shí)時(shí)性，又能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)的目的。中國(guó)實(shí)用新型專利《高速數(shù)據(jù)采集器》(申請(qǐng)?zhí)?00820163669.2申請(qǐng)日2008-09-04)提出了一種高速數(shù)據(jù)采集器，是以CPLD為中心，主要包括數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電源模塊等幾部分，由依次相連接的輸入端口、可調(diào)放大電路、高速A/D芯片、CPLD芯片、輸出端口組成，CPLD芯片是使用VHDL語言的，其實(shí)現(xiàn)的功能模塊主要是消抖模塊、控制模塊、FIFO存儲(chǔ)器模塊，具體由幅度判斷、FIFO存儲(chǔ)、時(shí)鐘產(chǎn)生、時(shí)序產(chǎn)生四個(gè)部分構(gòu)成。然而該數(shù)據(jù)采集器無法應(yīng)用于上述線路。有鑒于此，本實(shí)用新型提供一種超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以解決上述問題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)背景技術(shù)提出的問題，提出一種超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它是用于無供電電源接入、不方便接入電源或電池或激光等小功率電源供電，且需要高速高精度的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。目前本系統(tǒng)應(yīng)用于變電站高壓端采樣電壓和電流信號(hào)。[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由自動(dòng)AGC及濾波模塊、溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、自動(dòng)功耗控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、光電通訊接口組成，其特征在于，外部模擬信號(hào)通過自動(dòng)AGC及濾波模塊接入后，完成前級(jí)信號(hào)濾波調(diào)理，并與溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊和數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊的輸出信號(hào)調(diào)理后經(jīng)過放大，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過光電通訊接口發(fā)送到終端設(shè)備，其中自動(dòng)功耗控制模塊，給各模塊提供電源，并受數(shù)據(jù)處理模塊控制參與休眠模式切換及功耗管理。如上所述的超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括基于STM32F103VET6的高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采樣時(shí)序發(fā)生模塊，保證數(shù)據(jù)采集的時(shí)間控制精度。如上所述的超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述AD轉(zhuǎn)換模塊的核心采用18位高速高精度SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7631，它內(nèi)置一個(gè)18位高速采樣ADC、一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源、糾錯(cuò)電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口端口。如上所述的超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述AD7631內(nèi)部5V基準(zhǔn)電壓的典型漂移量為3ppm/°C ;積分非線性誤差典型值±1.5 LSB，最大值±2.5LSB ;雙極性滿量程誤差為±0. 09%FS ;并行接口支持18位數(shù)據(jù)輸出，能夠一次性輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型適用于無供電電源接入、不方便接入電源或電池或激光等小功率電源供電，且需要高速高精度的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。該系統(tǒng)的采樣精度達(dá)到萬分之五，工作電流小于80mA，最高采樣速度達(dá)到125kbps，具有休眠等節(jié)能管理系統(tǒng)；具有遠(yuǎn)程控制和通訊功能；具有高速光電接口，能將采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到地面終端，能夠應(yīng)用于220kV的輸電線路等優(yōu)點(diǎn)。而·普通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電流一般達(dá)到O. 5A以上，耗電量大；無遠(yuǎn)距離通訊和控制功能，無法隔離高電壓等問題，無法應(yīng)用于高壓輸出線路。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖。
具體實(shí)施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣在本申請(qǐng)所列權(quán)利要求書限定范圍之內(nèi)。如圖1所示，本實(shí)用新型提供的超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包括以下部分自動(dòng)AGC及濾波模塊、溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、采樣時(shí)序發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、自動(dòng)功耗控制模塊、光電通訊接口。外部模擬信號(hào)通過自動(dòng)AGC及濾波模塊接入后，完成前級(jí)信號(hào)濾波調(diào)理后，并與溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊和數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊的輸出信號(hào)調(diào)理后經(jīng)過放大，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，最后通過光電通訊接口發(fā)送到終端設(shè)備。其中自動(dòng)功耗控制模塊，給各單元提供電源，并受數(shù)據(jù)處理模塊控制參與休眠模式切換等功耗管理。基于STM32F103VET6的高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采樣時(shí)序發(fā)生模塊，保證數(shù)據(jù)采集的時(shí)間控制精度，而且功耗小。采用高速高精度低功耗的AD轉(zhuǎn)換模塊及自動(dòng)AGC及濾波模塊，整個(gè)電路部分全部采用低功耗低噪聲芯片，并適當(dāng)加以降噪處理和溫度補(bǔ)償技術(shù)，使系統(tǒng)溫漂影響降低到萬分之一以下。自動(dòng)功耗控制模塊，數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊，溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，使整個(gè)系統(tǒng)的采樣精度達(dá)到萬分之五，工作電流小于80mA，最高采樣速度達(dá)到125kbps，溫度范圍達(dá)到-10°C -60°C。系統(tǒng)的工作原理是標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流互感器輸出的微弱信號(hào)輸入到自動(dòng)AGC及濾波模塊，經(jīng)過前級(jí)濾波提高信號(hào)的信噪比后，再經(jīng)過自動(dòng)增益放大和濾波，使輸出的信號(hào)電壓幅度接近AD轉(zhuǎn)換模塊的最佳輸入電壓。AD轉(zhuǎn)換模塊在數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊和溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊的作用下，每次測(cè)量前自動(dòng)調(diào)零并較正溫漂，在接到外部采樣觸發(fā)信號(hào)后，立即啟動(dòng)電壓保持器并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送到數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)過光電通訊接口發(fā)出。AD轉(zhuǎn)換模塊的核心采用18位高速高精度SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7631。它內(nèi)置一個(gè)18位高速采樣ADC、一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源(和緩沖)、糾錯(cuò)電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口端口，具有全差分模擬輸入，可選的輸入電壓量程范圍，具有較大的動(dòng)態(tài)范圍和較高的精度，而且功耗極低，非常適合工業(yè)控制、電力、儀表測(cè)量等領(lǐng)域。AD7631內(nèi)部5V基準(zhǔn)電壓的典型漂移量?jī)H為3ppm/°C ;積分非線性誤差典型值±1.5 LSB，最大值±2. 5 LSB;雙極性滿量程誤差為±0.09%FS;并行接口支持18位數(shù)據(jù)輸出，可以一次性輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的讀取速度；在CNVST的下降沿對(duì)輸入的全差分模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和保持，且采樣的時(shí)間極短，延遲時(shí)間可以忽略不計(jì)。這些優(yōu)異的性能是決定本數(shù)據(jù)采集裝置具有低功耗、高速和高精度等性能的基礎(chǔ)。
在低功耗設(shè)計(jì)方面，采用自動(dòng)功耗控制模塊來降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。采用以下三方面的技術(shù)⑴、工作模式的切換。當(dāng)測(cè)量校準(zhǔn)試驗(yàn)完成時(shí)，通過發(fā)送停機(jī)指令，使處理器運(yùn)行在停機(jī)模式來降低功耗，此時(shí)整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功耗最低，保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能工作更長(zhǎng)的時(shí)間。當(dāng)需要實(shí)行測(cè)量校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，通過發(fā)送同步脈沖即可喚醒數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)喚醒后立即進(jìn)入自檢工作狀態(tài)，并進(jìn)入數(shù)據(jù)采樣工作模式。⑵、關(guān)掉主芯片不使用的功能，外圍器件不工作時(shí)關(guān)掉其電源。(3)、I/O 口的處理。在保證外部功能的情況下，對(duì)準(zhǔn)雙向口，若I/O 口有外部上拉電阻，則應(yīng)在進(jìn)入掉電模式前置高，以關(guān)閉內(nèi)部下拉晶體管；若I/o采用內(nèi)部上拉，則應(yīng)置低以關(guān)閉內(nèi)部上拉晶體管。對(duì)開漏輸出的I/o 口在進(jìn)入掉電模式前應(yīng)置高；對(duì)未使用的I/O 口置高阻態(tài)，并關(guān)閉I/O 口的時(shí)鐘。本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由自動(dòng)AGC及濾波模塊、溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、自動(dòng)功耗控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、光電通訊接口組成，其特征在于，外部模擬信號(hào)通過自動(dòng)AGC及濾波模塊接入后，完成前級(jí)信號(hào)濾波調(diào)理，并與溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊和數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊的輸出信號(hào)調(diào)理后經(jīng)過放大，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過光電通訊接口發(fā)送到終端設(shè)備，其中自動(dòng)功耗控制模塊，給各模塊提供電源，并受數(shù)據(jù)處理模塊控制參與休眠模式切換及功耗管理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括基于STM32F103VET6的高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采樣時(shí)序發(fā)生模塊，保證數(shù)據(jù)采集的時(shí)間控制精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述AD轉(zhuǎn)換模塊的核心采用18位高速高精度SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7631，它內(nèi)置一個(gè)18位高速采樣ADC、一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源、糾錯(cuò)電路，以及串行和并行系統(tǒng)接口端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述AD7631內(nèi)部5V基準(zhǔn)電壓的典型漂移量為3ppm/°C ;積分非線性誤差典型值±1. 5 LSB，最大值±2. 5 LSB ;雙極性滿量程誤差為±0. 09%FS ;并行接口支持18位數(shù)據(jù)輸出，能夠一次性輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種超低功耗的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由自動(dòng)AGC及濾波模塊、溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、自動(dòng)功耗控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、光電通訊接口組成。外部模擬信號(hào)通過自動(dòng)AGC及濾波模塊接入后，完成前級(jí)信號(hào)濾波調(diào)理，并與溫度補(bǔ)償及采集補(bǔ)償模塊和數(shù)據(jù)采集調(diào)零模塊的輸出信號(hào)調(diào)理后經(jīng)過放大，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過光電通訊接口發(fā)送到終端設(shè)備，其中自動(dòng)功耗控制模塊，給各模塊提供電源，并受數(shù)據(jù)處理模塊控制參與休眠模式切換及功耗管理。本實(shí)用新型適用于無供電電源接入、不方便接入電源或電池或激光等小功率電源供電，且需要高速高精度的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。
文檔編號(hào)G01R19/25GK202903870SQ20122051460
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月9日
發(fā)明者熊前柱, 李前, 胡浩亮, 李鶴, 李登云, 楊春燕 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司