论文部分内容阅读
摘 要：针对电力电子中产生的众多谐波，和现在数据采集中不断速度快、精度高、路数多这些特点，在USB3.0基础上使用多通道数据采集。此种系统主要是主要是FPGA为主控器，同时对模数转换和多路模拟开关实施集中控制。此种技术在电力电子系统中使用之后，取得显著效果。因此对具体应用状况进行详细分析。
关键词：数据采集；电力电子；USB3.0
在技术的不断发展中，电子装置在电网中使用量不断增加，同时产生大量谐波。供电系统与输电线路中阻抗会随着频率的变化，会产生电压降，最终使得电波出现畸变，对运行产生重大安全隐患。传统的数据采集系统中价格昂贵，使用不便，同时传输速度低，[JP2]无法满足实际传输要求。现在主要对USB3.0 数据采集在电子检测中进行测试。
1 USB3.0的概况
USP在发展过程中，经历多个版本，主要有第一代和第二代，现在都被PC主机所使用。在USB2.0中协议最快传输为60MB/s，但是随着高清格式和各种大容量储存设备出现，对传输速速度要求也在持续提高。USB3.0为2008年设计发布，最快传输为625MB/s，速度大为提升。在构成体系中主要有三大部分：主机，其拥有USB设备的管理功能；设备，常见的设备主要是打印机、摄像头、键盘等，在很多地方都得到使用；物理连接，这里主要是指主机和USB设备间的连接方式。现在主要对USB3.0基础上的数据采集，在电力电子中的使用继续分析研究。
2 总体方案
系统硬件主要是有四种模块构成，第一信号采集，第二控制逻辑，第三，双端口缓冲，第四，USB3.0接口。信号采集模块主要为：电压电流互感器、AD转换器、多路模拟开关、低通滤波这些构成，使用模拟开关切换，实现固有通道收集。由于数据能够进行多通道采集，因此传输中数量大，为防止损失，可以在接口位置设置缓存器。其中FPGA是系统内逻辑控制器，在选择过程中会选择ALtera公司生产的EP3C16F484，此种产品成本较低质量好，同时芯片内部也有较大的容量，我们可以使用IP核搭建电路模拟，例如在ROM中便是使用这种方式。使用EPCA的处理功能能够使得数据传输以及采集并发运行。
3 硬件和实现原理
（1）传感器模块。在研究过程中使用高性能CT/PT电压和电流互感器，通过这种期间将信号转变成±2.5V的交流电压信号，在系统内部也可以使用湿度和温度传感器，使用这些设备监控系统内部的湿度温度参数。互感器在采集信号中的精度是确定其等级的重要标准，因此，一定要严格要求线性度和范围以及相移、高频衰减等等各种参数标准。依照谐波检测，互感器中非线性度一定要在0.1%之下，输入范围必须小于线性范围，同时保证拥有20%内的冗余量，保证相移在5°之下。
（2）转换电路和模拟开关。多模拟开关一般会使用ADG706的16：1复用器，导通电阻一般在2.5Ω，时间在40ns。在此器具中使用EN作为使能，同时要依据A[3：0]确定好地址，同时将S1～S16中的一路切入公共输出位置D。为了保证系统能耗低、精度高，必须使用AD7482型的模数转换器，此种主要有12位、低能耗、高速（逼近ADC）、吞吐量大（可以达到3Msample/s）等这些优点。
（3）双端口RAM电路。在此种电路中有两条各自独立的数据以及地址、静态随机存储器，通过这种设计能够实现两种独立控制器共同访问内部存储单元，同时在读写过程中主要是分段并行，这些方式在很大程度上提升了读写速度。在此设计中主要使用FPGA中的RAM资源和VHDL语言，因此操作性能和灵活性得到重大提升，在FPGA中主要是双端口RAM的构造，进行数据缓存。
（4） USB3.0的通信接口设计。USB3.0接口内部协议芯片主要是CYUSB3014，生产公司为Cypress。在该系统通用编程接口内配置好16为同步FIFO模式，其中通用编程接口中16位数据总线和双端口RAM，16位端口连接FLAGA 和 FLAGB 都是CYUSB3014中的标志信号。 PCLK和CLK主要是为了接受各种时钟类信号。同时SLCS作为选片SLWR是写使能，SLOE是输出使能，SLRD是读使能，在PKTEND中也可以短包发信号，能够在电平较低时得到激活，A[1：0]主要是线程地址在选择时的信号。
4 系统程序设计
（1）双端口RAM。双端口RAM主要能够在AD转换电路内读取采样数，同时以此存入缓冲器。进行采样：FPGA模拟开关能够发射选通信号，选择好要使用的模拟开关取样之后，通道1模拟量便能够进入，也可以使用A/D转换变为12位输入data内，同时也要在wrclock上升沿，录入RAM内地址储存单元。接收到上为机内发送的指令之后，FPGA能够让rden生效，同时也可以使得rdaddress在各个读钟周期加上1，同时输出信号也能偶在时钟上沿不断更新，使得缓冲器内容更好读出。
（2）USB3.0程序设计。在FX3内部往往会使用DMA构造，主要是在GPIFⅡ接口连入内部储存器或者各种串行外设。在RMA内中送出的各种数据会经过 GPIFⅡ接口只有进入缓冲区，通过USB3.0传输给上位机。
5 系统测试和分析
在完成设计之后，对整体传输性能进行测验。从实际结果中可以看到波形和实际预期一致，频谱分析图和分量值也相同，在传输中数据准确。使用软件对传输数据进行测试只有发现，USB3.0传输能够达到247.0 Mbit / s的速度，和上一代USB2.0有显著提升，同时没有出现失误。
6 小结
在文章中，主要是在USB3.0基础上，多通道采集，实现三相逆变电路电流和电压实测，同时也模拟各通道更为方便扩散，得到更多参数，同时也编写好 LAB view上位程序，同时对数据进行分析和显示。此设计实用价值大，应用广。
参考文献：
[1]夏文岳，袁海文.一种复杂数据采集平台在独立电源系统或电力电子装置中的应用[J].电力电子，2012（1）：79.
[2]林瑞.探析电力谐波分析设备中数据采集系统的设计[J].工程技術：全文版， 2016（6）：00217.
[3]岳敏.基于电力电子技术在电力系统中的应用[J].工程技术：全文版，2016， 25（53）：0021400215.
关键词：数据采集；电力电子；USB3.0
在技术的不断发展中，电子装置在电网中使用量不断增加，同时产生大量谐波。供电系统与输电线路中阻抗会随着频率的变化，会产生电压降，最终使得电波出现畸变，对运行产生重大安全隐患。传统的数据采集系统中价格昂贵，使用不便，同时传输速度低，[JP2]无法满足实际传输要求。现在主要对USB3.0 数据采集在电子检测中进行测试。
1 USB3.0的概况
USP在发展过程中，经历多个版本，主要有第一代和第二代，现在都被PC主机所使用。在USB2.0中协议最快传输为60MB/s，但是随着高清格式和各种大容量储存设备出现，对传输速速度要求也在持续提高。USB3.0为2008年设计发布，最快传输为625MB/s，速度大为提升。在构成体系中主要有三大部分：主机，其拥有USB设备的管理功能；设备，常见的设备主要是打印机、摄像头、键盘等，在很多地方都得到使用；物理连接，这里主要是指主机和USB设备间的连接方式。现在主要对USB3.0基础上的数据采集，在电力电子中的使用继续分析研究。
2 总体方案
系统硬件主要是有四种模块构成，第一信号采集，第二控制逻辑，第三，双端口缓冲，第四，USB3.0接口。信号采集模块主要为：电压电流互感器、AD转换器、多路模拟开关、低通滤波这些构成，使用模拟开关切换，实现固有通道收集。由于数据能够进行多通道采集，因此传输中数量大，为防止损失，可以在接口位置设置缓存器。其中FPGA是系统内逻辑控制器，在选择过程中会选择ALtera公司生产的EP3C16F484，此种产品成本较低质量好，同时芯片内部也有较大的容量，我们可以使用IP核搭建电路模拟，例如在ROM中便是使用这种方式。使用EPCA的处理功能能够使得数据传输以及采集并发运行。
3 硬件和实现原理
（1）传感器模块。在研究过程中使用高性能CT/PT电压和电流互感器，通过这种期间将信号转变成±2.5V的交流电压信号，在系统内部也可以使用湿度和温度传感器，使用这些设备监控系统内部的湿度温度参数。互感器在采集信号中的精度是确定其等级的重要标准，因此，一定要严格要求线性度和范围以及相移、高频衰减等等各种参数标准。依照谐波检测，互感器中非线性度一定要在0.1%之下，输入范围必须小于线性范围，同时保证拥有20%内的冗余量，保证相移在5°之下。
（2）转换电路和模拟开关。多模拟开关一般会使用ADG706的16：1复用器，导通电阻一般在2.5Ω，时间在40ns。在此器具中使用EN作为使能，同时要依据A[3：0]确定好地址，同时将S1～S16中的一路切入公共输出位置D。为了保证系统能耗低、精度高，必须使用AD7482型的模数转换器，此种主要有12位、低能耗、高速（逼近ADC）、吞吐量大（可以达到3Msample/s）等这些优点。
（3）双端口RAM电路。在此种电路中有两条各自独立的数据以及地址、静态随机存储器，通过这种设计能够实现两种独立控制器共同访问内部存储单元，同时在读写过程中主要是分段并行，这些方式在很大程度上提升了读写速度。在此设计中主要使用FPGA中的RAM资源和VHDL语言，因此操作性能和灵活性得到重大提升，在FPGA中主要是双端口RAM的构造，进行数据缓存。
（4） USB3.0的通信接口设计。USB3.0接口内部协议芯片主要是CYUSB3014，生产公司为Cypress。在该系统通用编程接口内配置好16为同步FIFO模式，其中通用编程接口中16位数据总线和双端口RAM，16位端口连接FLAGA 和 FLAGB 都是CYUSB3014中的标志信号。 PCLK和CLK主要是为了接受各种时钟类信号。同时SLCS作为选片SLWR是写使能，SLOE是输出使能，SLRD是读使能，在PKTEND中也可以短包发信号，能够在电平较低时得到激活，A[1：0]主要是线程地址在选择时的信号。
4 系统程序设计
（1）双端口RAM。双端口RAM主要能够在AD转换电路内读取采样数，同时以此存入缓冲器。进行采样：FPGA模拟开关能够发射选通信号，选择好要使用的模拟开关取样之后，通道1模拟量便能够进入，也可以使用A/D转换变为12位输入data内，同时也要在wrclock上升沿，录入RAM内地址储存单元。接收到上为机内发送的指令之后，FPGA能够让rden生效，同时也可以使得rdaddress在各个读钟周期加上1，同时输出信号也能偶在时钟上沿不断更新，使得缓冲器内容更好读出。
（2）USB3.0程序设计。在FX3内部往往会使用DMA构造，主要是在GPIFⅡ接口连入内部储存器或者各种串行外设。在RMA内中送出的各种数据会经过 GPIFⅡ接口只有进入缓冲区，通过USB3.0传输给上位机。
5 系统测试和分析
在完成设计之后，对整体传输性能进行测验。从实际结果中可以看到波形和实际预期一致，频谱分析图和分量值也相同，在传输中数据准确。使用软件对传输数据进行测试只有发现，USB3.0传输能够达到247.0 Mbit / s的速度，和上一代USB2.0有显著提升，同时没有出现失误。
6 小结
在文章中，主要是在USB3.0基础上，多通道采集，实现三相逆变电路电流和电压实测，同时也模拟各通道更为方便扩散，得到更多参数，同时也编写好 LAB view上位程序，同时对数据进行分析和显示。此设计实用价值大，应用广。
参考文献：
[1]夏文岳，袁海文.一种复杂数据采集平台在独立电源系统或电力电子装置中的应用[J].电力电子，2012（1）：79.
[2]林瑞.探析电力谐波分析设备中数据采集系统的设计[J].工程技術：全文版， 2016（6）：00217.
[3]岳敏.基于电力电子技术在电力系统中的应用[J].工程技术：全文版，2016， 25（53）：0021400215.