專利名稱：開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種芯片的設(shè)計方法，特別涉及一種用可編程專用集成電路ASIC技術(shù)設(shè)計開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的方法。
背景技術(shù)：
成套開關(guān)設(shè)備是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵主設(shè)備之一，其運行狀態(tài)對電力系統(tǒng)的可靠性具有重大影響。多年來，國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)第13研究委員會及我國電力部門(北京電科院)分別對世界范圍及中國掛網(wǎng)運行的開關(guān)設(shè)備可靠性有全面的調(diào)查與統(tǒng)計。資料表明，到1999年底，全國電力系統(tǒng)中運行的6-220kV配電開關(guān)共27萬余臺(273153)，比1990年翻了一番。整個90年代中國電力系統(tǒng)配電電壓等級開關(guān)事故類型分布如下，機械故障(拒分、拒合、誤動)33.3％，絕緣故障37.3％，溫升故障(載流)8.9％，其它20.5％。這一分布與國際大電網(wǎng)會議于88-91年進行的世界范圍內(nèi)開關(guān)可靠性的結(jié)果相近似。
開關(guān)設(shè)備故障的發(fā)生，帶來的后果是十分嚴重的。其直接的危害是被開關(guān)設(shè)備所保護的線路、設(shè)備受損，電量損失；間接的危害則造成用戶大面積停電，影響正常的生活、生產(chǎn)甚至社會穩(wěn)定。因而，有必要對開關(guān)設(shè)備實施在線狀態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，避免事故發(fā)生；同時根據(jù)開關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)，變定期檢測為狀態(tài)監(jiān)測，可以大大提高電力系統(tǒng)運行的安全可靠性及自動化程度。上述研究已成為世界范圍內(nèi)電力工業(yè)運行及制造部門愈來愈關(guān)注的熱點問題。
近年來，隨著傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測獲得了快速發(fā)展。如ABB公司開發(fā)的GIS及SF6斷路器局部放電監(jiān)測裝置，日本明電舍公司開發(fā)的中壓真空斷路器真空度在線監(jiān)測裝置，ABB公司中壓開關(guān)柜母線溫度監(jiān)測裝置均已掛網(wǎng)運行。國內(nèi)高壓開關(guān)行業(yè)歸口單位——西安高壓電器研究所及一些科研院所正在研發(fā)機械特性在線監(jiān)測技術(shù)?？偟膩碚f，開關(guān)設(shè)備的在線狀態(tài)監(jiān)測，國內(nèi)外都在研究開發(fā)，目前國內(nèi)僅西安交大對開關(guān)設(shè)備的機械特性、絕緣特性、溫升特性綜合在線檢測進行全面的研究開發(fā)，并已取得了一定的進展。生產(chǎn)運行安全可靠的智能化開關(guān)設(shè)備適應(yīng)了電力工業(yè)發(fā)展的需求，已成為開關(guān)行業(yè)發(fā)展的趨勢。
到目前為止，國內(nèi)的開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測裝置都是以單片機為核心設(shè)計的。CPU的性能高低直接決定了產(chǎn)品性能的好壞。十幾年來，電器智能化監(jiān)測裝置在微處理器的選用上發(fā)生了很大的變化，從最初的單一8位CPU結(jié)構(gòu)的智能裝置問世，很快發(fā)展為16位單片機為主流的產(chǎn)品，近幾年在高端產(chǎn)品中又發(fā)展為以32位單片機和以工業(yè)控制計算機以及以數(shù)字信號處理器(DSP)技術(shù)、多CPU為主導(dǎo)的事實標準。
微處理器(MCU)技術(shù)的不斷發(fā)展給人們一個錯覺，似乎它是實現(xiàn)電器智能化監(jiān)測裝置的唯一選擇。事實上，經(jīng)過20多年的實踐人們發(fā)現(xiàn)了微處理器的一些固有不足，有些甚至直接影響了在電器智能化領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。微處理器本身具有一些與生俱來的缺陷。例如MCU以及數(shù)字信號處理器DSP都采用排隊式串行指令執(zhí)行方式，從而其工作速度和效率的提高也受限于該工作方式，微處理器MCU以及數(shù)字信號處理器DSP的速度不能滿足不斷出現(xiàn)的新算法對數(shù)據(jù)處理的要求。另外，由于每一個平臺都是針對某一個具體的CPU設(shè)計的，因此其硬件、軟件具有專用的特點，一旦需要硬件升級，尤其是CPU的升級，必須硬件軟件全部重新設(shè)計，這也就是目前多種平臺共存的一個很重要原因。尤其需要在線更改電路結(jié)構(gòu)時更是無能為力。
EDA(電子設(shè)計自動化)是近年來迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù)。基于EDA技術(shù)的CPLD/FPGA(復(fù)雜可編程邏輯器件/現(xiàn)場可編程門陣列)器件的開發(fā)應(yīng)用可以克服MCU的根本缺陷。首先，CPLD/FPGA產(chǎn)品越來越多的采用了先進的聯(lián)合測試行動組-在系統(tǒng)編程JTAG-ISP和在系統(tǒng)配置編程方式。在工作電平下可以隨時對正在工作的系統(tǒng)上的CPLD/FPGA進行全部或部分的在系統(tǒng)編程。其次，CPLD/FPGA的高速度也是MCU所無法比擬的，CPLD/FPGA的時鐘延遲可達納秒級，結(jié)合其并行工作方式，在超高速應(yīng)用領(lǐng)域和實時測控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。高可靠性也是它的優(yōu)點之一，除了不存在MCU所特有的復(fù)位不可靠與PC可能跑飛等固有缺陷外，CPLD/FPGA的高可靠性還表現(xiàn)在幾乎可以將整個系統(tǒng)下載到一片芯片中，從而大大縮小了體積，易于管理和屏蔽。另外，開發(fā)工具和設(shè)計語言標準化，開發(fā)周期短也是另一個優(yōu)點。如何將這一技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測領(lǐng)域，是本課題研究的主要內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，利用可編程ASIC技術(shù)開發(fā)一個片上系統(tǒng)SOC，代替以往的單片機用于開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測，用硬件實現(xiàn)了以往用軟件實現(xiàn)的功能，本發(fā)明的芯片集成了采集、測量、報警、通信等多種功能，能夠快速，準確監(jiān)測斷路器各項特性參數(shù)，及時報警并與上位機進行通訊，實現(xiàn)了高效性和高可靠性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，利用可編程ASIC技術(shù)按照基于平臺的方法對芯片進行設(shè)計，主要包括以下步驟首先設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊，控制外部A/D轉(zhuǎn)換器件，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存儲在芯片內(nèi)部RAM1的不同區(qū)域中；一旦采集并存儲完畢，則輸出使能信號啟動數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)外部機械中斷信號判斷進行絕緣數(shù)據(jù)處理或者機械數(shù)據(jù)處理，并將絕緣或機械數(shù)據(jù)處理結(jié)果寫入RAM2相應(yīng)的區(qū)域中；其中，溫度信號是頻率信號，直接送入溫度數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，將計算出的溫度值寫入RAM2相應(yīng)的區(qū)域中；報警模塊定時從RAM2中讀數(shù)，若超出閾值則進行報警，外部通訊接口模塊從RAM1或RAM2中讀取數(shù)據(jù)，與上位機進行通訊。
所述的數(shù)據(jù)采集模塊由四部分組成采樣周期時序產(chǎn)生電路、AD通道選擇控制器、讀寫地址發(fā)生器、RAM緩沖區(qū)；當有模擬量到來時，采樣周期時序產(chǎn)生電路輸出使能信號使A/D轉(zhuǎn)換器Max125開始工作，同時A/D通道選擇控制器輸出通道選擇信號控制外部的多路選擇器進行多路選擇；然后，采樣周期時序產(chǎn)生電路通過雙向總線將工作模式控制字寫入A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器；寫入完畢后，采樣周期時序產(chǎn)生電路輸出AD轉(zhuǎn)換啟動信號啟動A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完畢后，采樣周期時序產(chǎn)生電路輸出采樣完畢信號啟動讀寫地址發(fā)生器，同時AD通道選擇控制器也輸出通道號給讀寫地址發(fā)生器和后續(xù)模塊；然后讀寫地址發(fā)生器輸出寫使能信號和寫地址信號給RAM緩沖區(qū)，將A/D轉(zhuǎn)換器Max125輸入的數(shù)字量信號存儲到RAM緩沖區(qū)內(nèi)。
數(shù)據(jù)處理模塊是由各部分獨立的溫度數(shù)據(jù)處理模塊、絕緣數(shù)據(jù)處理模塊、機械數(shù)據(jù)處理模塊三部分組成。
所述的絕緣數(shù)據(jù)處理模塊由任務(wù)調(diào)度子模塊、數(shù)據(jù)去毛刺子模塊、數(shù)據(jù)濾波子模塊、計算有效值子模塊、RAM2控制子模塊組成；該模塊以任務(wù)調(diào)度子模塊為核心，當絕緣數(shù)據(jù)處理模塊的使能信號到來時，任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號從RAM1取數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)去毛刺處理；數(shù)據(jù)去毛刺處理完畢后數(shù)據(jù)去毛刺子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號對數(shù)據(jù)進行濾波；濾波完畢后數(shù)據(jù)濾波子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算有效值；有效值計算完畢后，計算有效值子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號啟動RAM2控制子模塊將結(jié)果送入RAM2；數(shù)據(jù)送完后RAM2控制子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出絕緣數(shù)據(jù)處理完畢信號。
所述的機械數(shù)據(jù)處理模塊以任務(wù)調(diào)度子模塊為核心，當機械數(shù)據(jù)處理模塊使能信號到來時，任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算分、合閘線圈有效值并查找特征點，計算和查找完畢后，計算分、合閘線圈有效值并查找特征點子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算平均分、合閘速度；計算完畢后，計算平均分、合閘速度子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算三相不同期時間；計算完畢后，計算三相不同期時間子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出機械數(shù)據(jù)處理完畢信號。
所述的溫度數(shù)據(jù)處理模塊使用等精度測頻法測量頻率，被測信號和標準信號分別輸入兩個計數(shù)器的時鐘輸入端，預(yù)置門信號通過1個D觸發(fā)器輸入兩個計數(shù)器的計數(shù)使能端，因為標準信號的頻率值已知，通過對比兩個計數(shù)器的輸出值，就可以得到被測信號的頻率值，溫度值事先存入ROM中，將計算出的被測信號的頻率值作為地址信號輸入ROM，ROM的輸出就是與頻率值對應(yīng)的溫度值。
所述的外部通訊接口模塊主要由發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器、發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器、接收數(shù)據(jù)緩沖器、接收數(shù)據(jù)移位寄存器，狀態(tài)寄存器，控制寄存器組成。通過通訊模塊可以和上位機連接實現(xiàn)電力系統(tǒng)要求的“四遙”功能，構(gòu)成變電站綜合自動化系統(tǒng)。
所述的報警模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊的計算結(jié)果進行閾值報警，包括溫升故障報警、絕緣故障報警、機械故障報警，該模塊定時從RAM2中讀取處理結(jié)果，并將處理結(jié)果和相應(yīng)的閾值相比較，若計算結(jié)果超出閾值，則進行報警。
所述的查找分、合閘線圈特征點采取以下算法從隨機訪問存儲器RAM中的第一個點查找，若該點比后面連續(xù)10個點都大，則認為該點為第一個最大值點；若該點比后面連續(xù)10個點都小，則認為該點為第一個最小值點；當前點與一個接近0的值比較，如果比該值小，認為是零點。
所述的計算分、合閘平均速度采取以下算法首先從存有動觸頭位移信號的RAM里面取出前n個值和后n個值并計算其平均值，通過比較其大小來判斷是分閘操作還是合閘操作，對于合閘操作，我們采用后n個值的平均值作為狀態(tài)電壓，并從隨機訪問存儲器RAM里依次讀數(shù)并與狀態(tài)電壓相比較，若兩者之差的絕對值小于設(shè)定的起始點偏移因子或結(jié)束點偏移因子，就將該點定為起始點或結(jié)束點，對于分閘操作，我們采用前n個值的平均值作為狀態(tài)電壓，并從隨機訪問存儲器RAM里依次讀數(shù)并與狀態(tài)電壓相比較，若兩者之差的絕對值大于設(shè)定的起始點偏移因子或結(jié)束點偏移因子，就將該點定為起始點或結(jié)束點，分、合閘結(jié)束點和起始點差值的絕對值是動觸頭的位移量，分、合閘結(jié)束點地址和起始點地址的差值與采樣時間間隔相乘為分、合閘時間，動觸頭的位移量除以分、合閘時間即為分、合閘平均速度。
所述的采用短時能量分析的方法對動觸頭的振動信號進行分析，進而計算三相動觸頭合閘的不同期時間，設(shè)信號序列為x(n)，n＝0，…，N-1，其短時能量函數(shù)定義為E(n)=Σi=-∞+x2(i)w(n-i)=Σi=n-M+1nx2w(n-i)=x2(n)*w(n)]]>w(n)(n＝0，…，M-1)為滑動窗函數(shù)，E(n)代表了信號在時刻n的局部能量，利用FPGA并行執(zhí)行的特點，使用三個模塊分別對A、B、C三相振動信號同時計算時刻n(n從0開始)的短時能量值，若短時能量值小于設(shè)定的閾值則滑動窗口向前移動一個數(shù)據(jù)(即n增加1)，繼續(xù)計算時刻n的短時能量值，以此類推，直到時刻N的短時能量值大于設(shè)定的閾值時就輸出變位點，當A、B、C三相的變位點都輸出后，計算三個變位點之差的最大值，此值與振動信號采樣時間間隔相乘即為三相不同期時間。
本發(fā)明的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在1、可重構(gòu)性和以往的平臺相比，該平臺的最大特點在于用可編程專用芯片代替了通用的微處理器，它是平臺實現(xiàn)可重構(gòu)計算的關(guān)鍵。根據(jù)不同需要可以通過重構(gòu)芯片完成不同的功能。
2、通用性該系統(tǒng)的所有IP核均用通用的硬件描述語言——VHDL描述，可以在不同的EDA平臺下開發(fā)，可以運行于各種FPGA芯片之上。
3、高可靠性以往使用微處理器設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)有一個共同的特點程序指針在強干擾或某種偶然條件下會越出正常的程序流程，尤其是當PC指針干擾與復(fù)位不可靠因素相交錯時，情況將變得更為復(fù)雜。本發(fā)明所采用的可編程ASIC技術(shù)可以從根本上改變微處理器所面臨的問題，實現(xiàn)高可靠性。
4、高效率以往的微處理器都采用排隊式的串行指令執(zhí)行萬式，其工作速度和效率的提高也受限于該工作方式，，難以滿足大計算量和高速測控(如振動信號的測量)的場合。FPGA采用并行執(zhí)行的方式，可以顯著提高系統(tǒng)的工作效率和工作速度。


圖1是本發(fā)明設(shè)計的用于開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測的專用芯片結(jié)構(gòu)框圖；圖2是數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖3是溫度數(shù)據(jù)處理模塊中的等精度測頻法的原理框圖；圖4是絕緣數(shù)據(jù)處理模塊框圖；圖5是機械數(shù)據(jù)處理模塊框圖；圖6是計算分、合閘平均速度的模塊框圖；圖7是用短時能量法計算三相不同期時間的模塊框圖；圖8是外部通訊接口模塊結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
附圖為本發(fā)明的具體實施例下面結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容作進一步的詳細說明；以往的設(shè)計方法是以功能設(shè)計為基礎(chǔ)，而本發(fā)明的片上系統(tǒng)SOC設(shè)計方法則以設(shè)計復(fù)用或功能組裝為基礎(chǔ)，即在芯片上用若干個大型的宏模塊來搭建一個復(fù)雜的系統(tǒng)，這些宏模塊就是通用的IP核。
參照圖1所示，芯片主要由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，報警模塊，通訊接口模塊等部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要完成模擬量的采集和暫時存儲；數(shù)據(jù)處理模塊主要完成各特性參數(shù)的計算，包括溫度特性參數(shù)，絕緣特性參數(shù)，機械特性參數(shù)；報警模塊完成閾值報警的功能；通訊模塊提供標準的232/485接口。
參照圖2所示，數(shù)據(jù)采集模塊提供了通常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX125的接口、完成采樣和數(shù)據(jù)的存儲。該模塊有四部分組成采樣周期時序產(chǎn)生電路、AD通道選擇控制器、讀寫地址發(fā)生器、RAM緩沖區(qū)，產(chǎn)生A/D接口需要的所有信號和時序，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并存儲到芯片內(nèi)部的RAM里面。
首先，外部輸入的模擬量信號分別輸入兩片多路選擇開關(guān)芯片MAX4533，其中一片MAX4533負責(zé)6路絕緣泄漏電流的多路選擇，另一片負責(zé)5路機械信號(包括1路分、合閘線圈電流信號，1路動觸頭位移電壓信號，3路三相動觸頭振動電壓信號)的多路選擇。兩片MAX4533均由FPGA內(nèi)部的AD通道選擇控制器輸出信號AD_SEL控制。MAX4533輸出的模擬量輸入至FPGA，此時AD_CS輸出低電平使能MAX125，AD_WR輸出低電平，并通過雙向總線BIDATA[3..0]將工作模式控制字寫入MAX125內(nèi)部寄存器。然后，AD_CST輸出低電平啟動A/D轉(zhuǎn)換，并讀AD_INT的值；一旦AD_INT變低，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。AD_RD置低，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入RAM1中。然后AD通道選擇控制信號增加1，進行下一路A/D轉(zhuǎn)換。
其中采樣周期時序產(chǎn)生電路產(chǎn)生A/D接口需要的所有信號和時序包括AD片選信號AD_CS，AD轉(zhuǎn)換時鐘信號AD_CLK，MAX125寄存器讀寫信號AD_WR和AD_RD、轉(zhuǎn)換啟動信號AD_CST以及MAX125的轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷信號AD_INT；AD通道選擇控制器產(chǎn)生AD通道選擇控制信號；讀寫地址發(fā)生器輸出RAM1的讀、寫地址信號，讀、寫使能信號；RAM1緩沖區(qū)由雙口RAM構(gòu)成，一方面將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入其中，另一方面可供數(shù)據(jù)處理模塊讀出數(shù)據(jù)進行處理。
參照圖3所不，溫度數(shù)據(jù)處理模塊首先采用等精度測頻法完成與溫度值相對應(yīng)的頻率值的計算。等精度測頻法主要由CNT1和CNT2兩個可控計數(shù)器實現(xiàn)。標準頻率(fs)信號從CNT1的時鐘輸入端CLK輸入；經(jīng)整形后的被測信號(fx)從CNT2的時鐘輸入端CLK輸入。每個計數(shù)器中的CEN輸入端為時鐘使能端控制時鐘輸入。當預(yù)置門信號為高電平(預(yù)置時間開始)時，被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的輸出端，同時啟動兩個計數(shù)器計數(shù)；同樣，當預(yù)置門信號為低電平(預(yù)置時間結(jié)束)時，被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的輸出端，同時關(guān)閉計數(shù)器的計數(shù)。通過對比兩個計數(shù)器的輸出就可以計算出被測信號的頻率。
溫度值事先存入只讀存儲器ROM中，將計算出的被測信號的頻率作為地址信號輸入只讀存儲器ROM，只讀存儲器ROM的輸出就是與頻率對應(yīng)的溫度值。
參照圖4所示，絕緣數(shù)據(jù)處理模塊完成絕緣泄漏電流有效值的計算。絕緣數(shù)據(jù)處理模塊由任務(wù)調(diào)度子模塊、數(shù)據(jù)去毛刺子模塊、數(shù)據(jù)濾波子模塊、計算有效值子模塊、RAM2控制子模塊組成。該模塊以任務(wù)調(diào)度子模塊為核心，當絕緣數(shù)據(jù)處理模塊的使能信號到來時，任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號從RAM1取數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)去毛刺處理；數(shù)據(jù)去毛刺處理完畢后數(shù)據(jù)去毛刺子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號對數(shù)據(jù)進行濾波；濾波完畢后數(shù)據(jù)濾波子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算有效值；有效值計算完畢后，計算有效值子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號啟動RAM2控制子模塊將結(jié)果送入RAM2；數(shù)據(jù)送完后RAM2控制子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出絕緣數(shù)據(jù)處理完畢信號。
其中，數(shù)據(jù)去毛刺采取以下算法設(shè)x(n)與x(n+1)為相鄰的兩點，d(n+1)＝|x(n+1)-x(n)|，若d(n+1)大于設(shè)定的去毛刺閾值，則用x(n)代替x(n+1)。數(shù)據(jù)濾波采用一階慣性濾波法。設(shè)X(k)為第k次采樣值，Y(k)，Y(k-1)分別為第k次及k-1次濾波后的輸出值，α為濾波系數(shù)，則Y(k)＝(1-α)Y(k-1)+αX(k)為一階慣性濾波的數(shù)學(xué)表達式。有效值計算涉及到開平方運算，開平方運算采用查表法與輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)的平方根值事先存入ROM中，輸入數(shù)據(jù)作為ROM的地址輸入ROM，ROM的輸出值即為輸入值的平方根。
參照圖5所示，數(shù)據(jù)處理模塊中的機械數(shù)據(jù)處理模塊由任務(wù)調(diào)度子模塊，計算分、合閘線圈有效值并查找特征點子模塊，計算平均分、合閘速度，計算三相不同期時間子模塊組成；該模塊以任務(wù)調(diào)度子模塊為核心，當機械數(shù)據(jù)處理模塊使能信號到來時，任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算分、合閘線圈有效值并查找特征點，計算和查找完畢后，計算分、合閘線圈有效值并查找特征點子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算平均分、合閘速度；計算完畢后，計算平均分、合閘速度子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算三相不同期時間；計算完畢后，計算三相不同期時間子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出機械數(shù)據(jù)處理完畢信號。
其中分、合閘線圈電流的有效值的計算采用與絕緣泄漏電流有效值計算相同的算法。分、合閘線圈電流的特征點是指線圈電流的第一個最大值點，第一個最小值點和電流過零點，他們與電磁鐵鐵心的運動狀態(tài)、操作機構(gòu)的工作狀態(tài)有密切的關(guān)系。我們根據(jù)分、合閘線圈電流曲線的特點，采取以下算法查找特征點從RAM中的第一個點查找，若該點比后面連續(xù)10個點都大，則認為該點為第一個最大值點；若該點比后面連續(xù)10個點都小，則認為該點為第一個最小值點；當前點與一個接近0的值比較，如果比該值小，認為是零點。
計算分、合閘平均速度的關(guān)鍵是確定分、合閘的起始點和結(jié)束點。首先從存有動觸頭位移信號的RAM里面取出前n個值和后n個值并計算其平均值，通過比較其大小來判斷是分閘操作還是合閘操作。對于合閘操作，我們采用后n個值的平均值作為狀態(tài)電壓，并從RAM里依次讀數(shù)并與狀態(tài)電壓相比較，若兩者之差的絕對值小于設(shè)定的起始點偏移因子或結(jié)束點偏移因子，就將該點定為起始點或結(jié)束點。對于分閘操作，采用前n個值的平均值作為狀態(tài)電壓，判斷方法與合閘操作相似。然后，根據(jù)分、合閘的起始點和結(jié)束點計算平均分閘速度、平均合閘速度。分、合閘結(jié)束點和起始點差值的絕對值是動觸頭的位移量，分、合閘結(jié)束點地址和起始點地址的差值與采樣時間間隔相乘為分、合閘時間，動觸頭的位移量除以分、合閘時間即為分、合閘平均速度。
采用短時能量分析的方法對動觸頭的振動信號進行分析，進而計算三相動觸頭合閘的不同期時間。設(shè)信號序列為x(n)，n＝0，…，N-1，其短時能量函數(shù)定義為E(n)=Σi=-∞+∞x2(i)w(n-i)=Σi=n-M+1nx2(i)w(n-i)=x2(n)*w(n)]]>w(n)(n＝0，…，M-1)為滑動窗函數(shù)，E(n)代表了信號在時刻n的局部能量。我們利用FPGA并行執(zhí)行的特點，使用三個模塊分別對A、B、C三相振動信號同時計算時刻n(n從0開始)的短時能量值，若短時能量值小于設(shè)定的閾值則滑動窗口向前移動一個數(shù)據(jù)(即n增加1)，繼續(xù)計算時刻n的短時能量值，以此類推，直到時刻N的短時能量值大于設(shè)定的閾值時就輸出變位點。當A、B、C三相的變位點都輸出后，計算三個變位點之差的最大值，此值與振動信號采樣時間間隔相乘即為三相不同期時間。
參照圖6所示，首先從存有動觸頭位移信號的RAM里面取出前n個值和后n個值并計算其平均值，通過比較其大小來判斷是分閘操作還是合閘操作。對于合閘操作，我們采用后n個值的平均值作為狀態(tài)電壓，并從RAM里依次讀數(shù)并與狀態(tài)電壓相比較，若兩者之差的絕對值小于設(shè)定的起始點偏移因子或結(jié)束點偏移因子，就將該點定為起始點或結(jié)束點。對于分閘操作，我們采用前n個值的平均值作為狀態(tài)電壓，判斷方法與合閘操作相似。然后，根據(jù)分、合閘的起始點和結(jié)束點計算平均分閘速度、平均合閘速度。
參照圖7所示，采用短時能量分析的方法對動觸頭的振動信號進行分析，進而計算三相動觸頭合閘的不同期時間。設(shè)信號序列為x(n)，n＝0，…，N-1，其短時能量函數(shù)定義為E(n)=Σi=-∞+∞x2(i)w(n-i)=Σi=n-M+1nx2(i)w(n-i)=x2(n)*w(n)]]>w(n)(n＝0，…，M-1)為滑動窗函數(shù)，E(n)代表了信號在時刻n的局部能量。我們利用FPGA并行執(zhí)行的特點，使用三個模塊分別對A、B、C三相振動信號同時計算時刻n(n從0開始)的短時能量值，若短時能量值小于設(shè)定的閾值則滑動窗口向前移動一個數(shù)據(jù)(即n增加1)，繼續(xù)計算時刻n的短時能量值，以此類推，直到時刻N的短時能量值大于設(shè)定的閾值時就輸出變位點。當A、B、C三相的變位點都輸出后，計算三個變位點之差的最大值，此值與振動信號采樣時間間隔相乘即為三相不同期時間。
參照圖8所示，外部通訊接口模塊主要由發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器、發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器、接收數(shù)據(jù)緩沖器、接收數(shù)據(jù)移位寄存器，狀態(tài)寄存器，控制寄存器組成。發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器緩存其他模塊送來的數(shù)據(jù)并當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器，發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收數(shù)據(jù)移位寄存器將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)?？刂萍拇嫫鞣譃榘l(fā)送控制寄存器和接收控制寄存器。發(fā)送控制寄存器用于控制發(fā)送模式、發(fā)送字長度、停止位位數(shù)、校驗方式。接收控制寄存器控制將發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器輸出的并行數(shù)據(jù)存入接收數(shù)據(jù)緩沖器中。狀態(tài)寄存器存放發(fā)送控制寄存器和接收控制寄存器的狀態(tài)。本發(fā)明通過通訊模塊可以和上位機連接實現(xiàn)電力系統(tǒng)要求的“四遙”功能，構(gòu)成變電站綜合自動化系統(tǒng)。
報警模塊由若干個比較器構(gòu)成。閾值內(nèi)容存放到ROM當中，由控制模塊將各計算結(jié)果和相應(yīng)的閾值輸入到比較器的兩個輸入端口，若計算結(jié)果超出閾值，則比較器輸出高電平，并通過LED進行報警。該模塊包括溫度故障報警、絕緣故障報警、機械故障報警。
本發(fā)明主要監(jiān)測開關(guān)設(shè)備的溫度特性(主要指開關(guān)設(shè)備電連接處的溫度情況)，絕緣特性(主要指絕緣套管的泄漏電流)以及機械特性(主要指分、合閘線圈電流，動觸頭行程，平均分、合閘速度，三相不同期性)?？梢员O(jiān)測電流、電壓、溫度、位移、加速度等各種模擬量，并根據(jù)需要在芯片內(nèi)部對模擬量進行計算處理。計算功能主要包括溫度特性參數(shù)，絕緣特性參數(shù)，機械特性參數(shù)的計算。通訊功能可以提供標準的232/485接口，使芯片可以與上位機或其他微處理器相連接。報警功能包括溫度故障報警、絕緣故障報警、機械故障報警。
其功能主要包括，監(jiān)測斷路器電連接處的溫度情況；監(jiān)測斷路器三相進出絕緣套管的泄漏電流；監(jiān)測斷路器分、合閘線圈電流，并查找特征點；監(jiān)測斷路器動觸頭位移行程并計算平均分、合閘速度；監(jiān)測動觸頭振動情況并計算三相不同期時間。若各參數(shù)超過閾值則通過指示燈報警。芯片通過標準232/485總線可以與上位機通訊。
本發(fā)明的芯片采用一片10萬門的FPGA芯片(EP1K100QC208-3)，芯片的編程工藝基于SRAM結(jié)構(gòu)，IP核采用VHDL語言編寫，開發(fā)環(huán)境使用Altera公司的MaxplusII。芯片可以通過標準的JTAG接口直接連接計算機下載程序?qū)π酒M行配置，也可以通過外部ROM加載。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，芯片采用一種基于平臺的設(shè)計方法；包括以下步驟首先設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊，控制外部A/D轉(zhuǎn)換器件，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存儲在芯片內(nèi)部隨機訪問存儲器RAM1的不同區(qū)域中；一旦采集并存儲完畢，則輸出使能信號啟動數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)外部機械中斷信號判斷進行絕緣數(shù)據(jù)處理或者機械數(shù)據(jù)處理，并將絕緣或機械數(shù)據(jù)處理結(jié)果寫入隨機訪問存儲器RAM2相應(yīng)的區(qū)域中；其中，溫度信號是頻率信號，直接送入溫度數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，將計算出的溫度值寫入隨機訪問存儲器RAM2相應(yīng)的區(qū)域中；報警模塊定時從隨機訪問存儲器RAM2中讀數(shù)，若超出閾值則進行報警，外部通訊接口模塊從隨機訪問存儲器RAM1或隨機訪問存儲器RAM2中讀取數(shù)據(jù)，與上位機進行通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集模塊由四部分組成采樣周期時序產(chǎn)生電路、AD通道選擇控制器、讀寫地址發(fā)生器、隨機訪問存儲器RAM緩沖區(qū)；當有模擬量到來時，采樣周期時序產(chǎn)生電路輸出使能信號使A/D轉(zhuǎn)換器開始工作，同時A/D通道選擇控制器輸出通道選擇信號控制外部的多路選擇器進行多路選擇；然后，采樣周期時序產(chǎn)生電路通過雙向總線將工作模式控制字寫入A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器；寫入完畢后，采樣周期時序產(chǎn)生電路輸出AD轉(zhuǎn)換啟動信號啟動A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換完畢后，采樣周期時序產(chǎn)生電路輸出采樣完畢信號啟動讀寫地址發(fā)生器，同時AD通道選擇控制器也輸出通道號給讀寫地址發(fā)生器和后續(xù)模塊；然后讀寫地址發(fā)生器輸出寫使能信號和寫地址信號給隨機訪問存儲器RAM緩沖區(qū)，將A/D轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量信號存儲到隨機訪問存儲器RAM緩沖區(qū)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，數(shù)據(jù)處理模塊是由各部分獨立的溫度數(shù)據(jù)處理模塊、絕緣數(shù)據(jù)處理模塊、機械數(shù)據(jù)處理模塊三部分組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，所述的絕緣數(shù)據(jù)處理模塊由任務(wù)調(diào)度子模塊、數(shù)據(jù)去毛刺子模塊、數(shù)據(jù)濾波子模塊、計算有效值子模塊、RAM2控制子模塊組成；該模塊以任務(wù)調(diào)度子模塊為核心，當絕緣數(shù)據(jù)處理模塊的使能信號到來時，任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號從存儲器RAM1取數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)去毛刺處理；數(shù)據(jù)去毛刺處理完畢后數(shù)據(jù)去毛刺子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號對數(shù)據(jù)進行濾波；濾波完畢后數(shù)據(jù)濾波子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算有效值；有效值計算完畢后，計算有效值子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號啟動隨機訪問存儲器RAM2控制子模塊將結(jié)果送入隨機訪問存儲器RAM2；數(shù)據(jù)送完后隨機訪問存儲器RAM2控制子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出絕緣數(shù)據(jù)處理完畢信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，所述的機械數(shù)據(jù)處理模塊以任務(wù)調(diào)度子模塊為核心，當機械數(shù)據(jù)處理模塊使能信號到來時，任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算分、合閘線圈有效值并查找特征點，計算和查找完畢后，計算分、合閘線圈有效值并查找特征點子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算平均分、合閘速度；計算完畢后，計算平均分、合閘速度子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出使能信號計算三相不同期時間；計算完畢后，計算三相不同期時間子模塊通知任務(wù)調(diào)度子模塊，隨后任務(wù)調(diào)度子模塊輸出機械數(shù)據(jù)處理完畢信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，所述的溫度數(shù)據(jù)處理模塊使用等精度測頻法測量頻率，被測信號和標準信號分別輸入兩個計數(shù)器的時鐘輸入端，預(yù)置門信號通過1個D觸發(fā)器輸入兩個計數(shù)器的計數(shù)使能端，因為標準信號的頻率值已知，通過對比兩個計數(shù)器的輸出值，就可以得到被測信號的頻率值，溫度值事先存入只讀存儲器ROM中，將計算出的被測信號的頻率值作為地址信號輸入只讀存儲器ROM，只讀存儲器ROM的輸出就是與頻率值對應(yīng)的溫度值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，報警模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊的計算結(jié)果進行閾值報警，包括溫升故障報警、絕緣故障報警、機械故障報警，該模塊定時從隨機訪問存儲器RAM2中讀取處理結(jié)果，并將處理結(jié)果和相應(yīng)的閾值相比較，若計算結(jié)果超出閾值，則進行報警。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，所述的查找分、合閘線圈特征點采取以下算法從隨機訪問存儲器RAM中的第一個點查找，若該點比后面連續(xù)10個點都大，則認為該點為第一個最大值點；若該點比后面連續(xù)10個點都小，則認為該點為第一個最小值點；當前點與一個接近0的值比較，如果比該值小，認為是零點。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，所述的計算分、合閘平均速度采取以下算法首先從存有動觸頭位移信號的RAM里面取出前n個值和后n個值并計算其平均值，通過比較其大小來判斷是分閘操作還是合閘操作，對于合閘操作，我們采用后n個值的平均值作為狀態(tài)電壓，并從隨機訪問存儲器RAM里依次讀數(shù)并與狀態(tài)電壓相比較，若兩者之差的絕對值小于設(shè)定的起始點偏移因子或結(jié)束點偏移因子，就將該點定為起始點或結(jié)束點，對于分閘操作，我們采用前n個值的平均值作為狀態(tài)電壓，并從隨機訪問存儲器RAM里依次讀數(shù)并與狀態(tài)電壓相比較，若兩者之差的絕對值大于設(shè)定的起始點偏移因子或結(jié)束點偏移因子，就將該點定為起始點或結(jié)束點，分、合閘結(jié)束點和起始點差值的絕對值是動觸頭的位移量，分、合閘結(jié)束點地址和起始點地址的差值與采樣時間間隔相乘為分、合閘時間，動觸頭的位移量除以分、合閘時間即為分、合閘平均速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，其特征在于，所述的采用短時能量分析的方法對動觸頭的振動信號進行分析，進而計算三相動觸頭合閘的不同期時間，設(shè)信號序列為x(n)，n＝0，…，N-1，其短時能量函數(shù)定義為E(n)=Σi=-∞+∞x2(i)w(n-i)=Σi=n-M+1nx2(i)w(n-i)=x2(n)*w(n)]]>w(n)(n＝0，...，M-1)為滑動窗函數(shù)，E(n)代表了信號在時刻n的局部能量，利用FPGA并行執(zhí)行的特點，使用三個模塊分別對A、B、C三相振動信號同時計算時刻n(n從0開始)的短時能量值，若短時能量值小于設(shè)定的閾值則滑動窗口向前移動一個數(shù)據(jù)(即n增加1)，繼續(xù)計算時刻n的短時能量值，以此類推，直到時刻N的短時能量值大于設(shè)定的閾值時就輸出變位點，當A、B、C三相的變位點都輸出后，計算三個變位點之差的最大值，此值與振動信號采樣時間間隔相乘即為三相不同期時間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種開關(guān)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測專用芯片的設(shè)計方法，首先設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量存儲在隨機訪問存儲器的不同區(qū)域中；采集并存儲完畢，輸出使能信號啟動數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)外部機械中斷信號判斷進行絕緣或機械數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果寫入隨機訪問存儲器的區(qū)域中；溫度信號送入溫度數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，將溫度值寫入隨機訪問存儲器的區(qū)域中；報警模塊定時從隨機訪問存儲器中讀數(shù)，若超出閾值則進行報警，外部通訊接口模塊從隨機訪問存儲器中讀取數(shù)據(jù)，與上位機進行通訊。本發(fā)明的芯片集成了采集、測量、報警、通信等多種功能，能夠快速，準確監(jiān)測斷路器各項特性參數(shù)，及時報警并與上位機進行通訊，實現(xiàn)了高效性和高可靠性。
文檔編號G01R31/327GK1588305SQ200410073010
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月19日
發(fā)明者榮命哲, 賈申利, 馬強, 李琨, 王小華 申請人:西安交通大學(xué)