一种电力监控与数据采集系统设计

摘要 介绍了一种电力监控与数据采集系统设计，给出了系统总体设计方案，并针对信号调理电路、A／D转换电路、FPGA及外围电路、USB接口以及电源模块电路进行了详细介绍。该电力监控与数据采集系统采用USB+FPGA结构，在提高传输速率的同时也增加了系统的数据存储与预处理的灵活性，具有较强的适用性。
关键词 电力监控；数据采集；A／D转换器；USB接口

    随着电力系统及其自动化的发展，越来越多的电力系统设备需要采用实时监控以及数据采集，从而保证电力系统设备可以安全、可靠地运行。因此，对电力监控与数据采集系统的研究，具有重要的现实意义。
    本文设计了一种电力监控与数据采集系统，该系统采用USB接口作为通信方式，同时利用AD9238完成电力监控与数据采集，采集后的数据直接送到FPGA中。其中USB接口直接与FPGA相连，采集后的数据既可以暂存到FPGA中，也可直接经过USB接口发送到PC中，同时对于采集后的数据也可以在FPGA内部做相应的预处理后上报给PC机。因此，该电力监控与数据采集系统具有更广泛的适用性。

1 电力监控与数据采集系统总体设计
    电力监控与数据采集系统总体设计框图如图1所示，主要包括信号调理电路、A／D转换器电路、FPGA及其外围电路、USB接口以及电源电路等。

    其中信号调理电路主要完成模拟信号的预处理，即经过信号的调理使输入模拟信号满足A／D转换器输入信号要求，包括了输入信号电压范围以及单端或是差分输入形式等；A／D转换器电路将调理后的模拟信号变为数字信号，其中A／D转换器的采样速率和分辨率的选择可针对不同系统需求选择合适的性能指标，设计中采用的AD9238采样速率为40 Msample·s-1，分辨率为12 bit；FPGA及外围电路主要将采集后的数字信号进行存储或相应的预处理，由于其具有可编程的特点，使得该部分的处理功能具有更好的灵活性；为获得较高的传输率，本设计利用USB接口电路将采集后的数据上报给PC机；电源模块主要完成电压转换功能。

2 系统各组成电路设计
2．1 信号调理电路
    信号调理部分主要针对A／D转换器性能要求而设计，包括模拟信号输入电压、信号输入形式等。由于本设计中A／D转换器需要差分信号输入，因此信号调理部分需要采用单端转差分器件，该器件采用Mini—Circuits生产的ADT1—1。
2．2 A／D转换器电路
    A／D转换器电路采用ADI公司生产的AD9238，该器件是一款双通道、12bit、20／40／65 Msample·s-1模数转换器，采样率选择40Msa-mple·s-1。该器件采用差分输入形式，模拟输入范围Vp-p=1～2 V。
2．3 FPGA及外围电路
    FPGA(Programmable Gate Array)是现场可编程阵列的简称。FPGA器件是一种由用户根据所设计数字电路系统的要求，在现场自行配置、定义的高密度专用数字集成电路。它具有小型化、低功耗、可编程、数字化和快速、方便、实用的特点。系统采用Cyclone系列FPGA，其内部资源较多，可满足系统中的存储与预处理之用。
2．4 USB接口电路
    设计中USB接口电路采用了CY7C68013芯片，该芯片是Cypress公司USB2．0的集成微控制器，如图2所示。该芯片内部具有增强型8051内核，其标准与8051兼容。同时，内部集成了1个USB数据收发器、3个8位I／O口、1个智能USB串行接口引擎、16位地址线、4kB BFIFO等。

2．5 电源模块电路
    系统电源采用5 V供电，FPGA以及A／D转换器等器件需要采用3．3 V供电，因此需要采用电源模块实现5～3．3 V的电压转换。设计中电源模块采用LT1764-3．3，该芯片可以提供1 A的供电电流，可以满足系统需求。

3 结束语
    电力监控与数据采集系统是现代电力系统自动化体系中必不可少的设备，它可以对电力系统运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量以及各类信号报警等各项功能。设计的电力监控与数据采集系统采用USB接口，提高了数据传输率，同时FPGA的采用使数据存储与预处理更加方便、灵活，因此该设计在电力系统中具有较强的适用性。