专利名称：一种基于fpga的物联网通用电气量采集传输设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电气量测控领域，具体涉及一种基于FPGA的物联网通用电气量采集传输设备。
背景技术：
物联网(The Internet of Things)通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，将各种信息传感设备与互联网结合起来形成一个巨大网络，让所有物品与网络连接在一起，方便识别、管理和监控，在此基础上实现融合的应用，最终为人们提供无所不在的全方位服务。电力行业是关系着民生的基础行业，随着信息化的快速发展，而今信息化在电力行业中扮演的角色也日趋重要，电力调度自动化和电能量系统在电力行业已是必不可少的系统，为电网安全、经济、优质、可靠性运行发挥了至关重要的作用，由于电力行业的特殊性，对系统的稳定性、可扩展性、高可用性、安全性等有很高的要求。物联网应用于电力行业是信息通信技术发展到一定阶段的必然结果，能有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，使信息通信基础设施资源服务于电力运行，提高电力系统信息化，改善现有电力系统基础设施的利用效率，为国家节能减排目标做出
-Tj. 士 [>贝献。新一代基础研究旨在融合现代计算机、通信、高级传感和测控等物联网技术，提高面向电力行业的物联网信息感知能力，推动电力信息采集装备的智能化，引导智能感知装备制造技术的发展，研制并推出具有更多种类、更高级、可靠、灵活的智能感知装备。电力行业中采集设备的设计需要满足电网配网的双向交互和自愈控制的要求，传统的采集设备大都实现了信息的采集及传输，但存在以下问题目前的电气量采集设备通常用单片机或者电路搭建，但其灵活性差，采集速度低，并且其功能应用具有单一性，与通信终端的交互能力差，不便于复用到多种高级应用中，不利于系统的二次开发和系统升级。同时，目前国内常用信息传输的方法通常是采用RS485有线传输方式，需要铺设电缆，安装过程繁琐，并且采集位置不易变通；另一种方法是采用GPRS/CDMA通信实现的无线传送方式，但需要借助于第三方运行商提供的无线网络，不具备自组网能力，灵活性及安全性差，尤其在一些移动网络覆盖盲区，信息的无线传输更加难以实现。与现有技术比，本实用新型的显著特征I)采用新型的电气量采集模块，满足了并行实时计算要求，电气量信息采集的抗干扰性强，精度高，具有完善的自诊断功能，适用范围广；2)采用FPGA芯片作为处理器核心，有较高的处理速度，编程开发方便，可重用性强，便于系统维护和智能升级，能够实现复杂的人机交互；3)使用32M容量的FLASH存储芯片和IG bits的DDR2内存芯片，实现系统的自启动及大批数据的缓存，最大限度保证数据的完整性及实时性；[0013]4)采用无线通讯，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，并易于安装操作，节约了布线成本，减少了对周围环境的依赖性，保证了设备的灵活性及安全性，可以用于电网的配网管理及调度自动化。
实用新型内容鉴于上述情况，本实用新型提供了一种基于FPGA的物联网通用电气量采集传输设备，其特征在于包括基于FPGA的物联网接入模块、电气量采集模块、无线通讯模块和USB接口模块。进一步，所述的基于FPGA的物联网接入模块包括FPGA主控芯片、FLASH存储芯片、DDR2内存芯片和模块对外接口，其中模块对外接口包括至少3个UART接口，该模块通过UART接口分别与电气量采集模块、无线通讯模块和USB接口模块相连。进一步，所述的电气量采集模块包括电流互感器或电压互感器中的至少一种、A/D 采集器、UART通信接口。进一步，所述的模块对外接口还包括IIC接口或GPIO接口之一或者两种。进一步，还包括环境参数监测模块，环境监测模块包括温度传感器或湿度传感器或同时包括温、湿度传感器，同时提供对外接口，其中温度传感器通过IIC接口或GPIO接口与基于FPGA的物联网接入模块相连，湿度传感器通过IIC接口或GPIO接口与基于FPGA的物联网接入模块相连。基于FPGA的物联网接入模块采用FPGA主控芯片作为处理器核心，实现嵌入式操作系统的应用，FLASH存储芯片和DDR2内存芯片与FPGA主控芯片相连接，FLASH存储芯片用于存储配置设置和FPGA自启动程序，DDR2内存芯片用于缓存计算与处理的数据和程序，该模块通过模块对外接口与其他模块相连，对整个设备进行设置和控制。电气量采集模块通过电流互感器将电力系统中的高电流信号转换成小的电流信号，同理，通过电压互感器将电力系统中的高电压信号转换成小的电压信号，这些模拟号通过一定的变换后，经过AD采样形成实时的电力系统监测数据，然后监测数据通过UART通信接口传送到基于FPGA的物联网接入模块。无线通讯模块包括无线通讯控制器、工频放大器和天线，该模块与基于FPGA的物联网接入模块相连，实现采集信息的无线传输。USB接口模块与基于FPGA的物联网接入模块相连，实现设备与PC端的串口通信。本实用新型通过电气量采集模块实时采集电气量信息，如电流或电压信息，同时可以通过环境参数监测模块实时采集周围环境温度信息或环境湿度信息中的至少一种，经过基于FPGA的物联网接入模块对数据进行缓存、校验及数据包封装处理，通过无线通讯模块实现数据的无线传输，便于相应的数据接收终端对数据进行解封及校验处理，实现远程数据的整合分析及终端显示；本设备也可以通过无线通讯模块实时响应无线传送到本设备的控制指令，实现与无线终端的智能交互；能够通过USB接口模块接收PC监控端的参数配置指令，实现系统参数及工作模式的动态配置。本设备采用新型的电气量采集装置，信息采集的精度高、准确度高、实时性强，采用FPGA作为主控，编程开发方便，系统的灵活性增强，预留多种对外通信接口，可以基于物联网定制传感器接口形成适应不同场合的采集设备，减少设计成本，通用性强，可以用于电网的配网管理及调度自动化。
图I示出本实用新型的设备整体结构框图；图2示出本实用新型一实施例的基于FPGA的物联网接入模块结构框图；图3示出本实用新型 一实施例的电气量采集模块结构框图；图4示出本实用新型一实施例的无线通讯模块结构框图；图5示出本实用新型一实施例的信息传输通路示意图。
具体实施方式
为了进一步描述本实用新型的优势，下面介绍本实用新型的一具体实施例。本实施例适用于配电网自动化系统中，实现IOkV配电线路的电气量信息的实时采集和无线传输。图I为基于FPGA的物联网通用电气量采集传输设备的整体结构框图，如图所示，该设备具体包括基于FPGA的物联网接入模块、电气量采集模块、环境参数监测模块、无线通讯模块和USB接口模块。如图2所示，所述的基于FPGA的物联网接入模块包括FPGA主控芯片、FLASH存储芯片和DDR2内存芯片和模块对外接口。其中FPGA主控芯片选用Xilinx公司Spartan 6系列XC6SLX16CSG324FPGA芯片，该芯片内部集成了 32位微处理器、片内RAM，以及各种外围设备IP核，能够方便的进行数据计算处理和通信传输控制；FLASH存储芯片选用Spansion公司S29系列的S29GL256D NOR FLASH存储器件，芯片存储容量为256Mbit，用于存储FPGA的boot和应用程序与数据；DDR2内存芯片使用ELPIDA公司的EDE1116ACBG_8E_E芯片，为IGbit的SDRAM缓存芯片，用于运行FPGA嵌入式系统应用程序；模块对外接口包括IIC接口、GPIO接口以及一组UART接口。所述的电气量采集模块选用CSC208数字式交流采集装置作为模拟量采集单元，其结构框图如图3所示，该装置采用DSP和MCU合一的32位单片机，程序完全在片内运行，保持了总线不出芯片的优点，同时高性能、高速的芯片满足了并行实时计算要求；装置具有完善的自诊断功能，运行过程中一旦检测到装置硬件出错，能及时通知运行人员，并指明故障所在；本装置无任何可调电位器，装置通过出厂前的自动检测后现场无需作任何调节，避免了人为因素对产品性能造成的影响，可靠性高；装置采用DIN轨道式安装，维护和安装非常方便。该装置能采集高压电网中的电流电压电气量信息，经由串行通信接口传送到基于FPGA的物联网接入模块。所述的环境参数监测模块对采集器周围环境温度的采集采用DS18B20温度传感器实现，接口为3pin插接口，包含3. 3v电源、地和数据线，FPGA通过IIC接口完成与温度传感器的控制和数据交互。所述的无线通信模块结构框图如图4所示，包括无线通讯控制器、工频放大器和天线。在本实施例中，该模块选用为基于Jennic的JN5148芯片设计ZigBee无线通讯模块，该模块选用ZigBee芯片作为无线通讯控制器，ZigBee主芯片内置32位RISC CPU,包含128KB RAM和128KB ROM空间，含有通用10、UART串口、JTAG调试接口、I2S语音接口、SPI口、I2C接口等。该模块接收采集数据信息，进行无线通讯系统的软硬件控制，实现对采集信息的无线发送。本实施例中，ZigBee无线通讯模块可以根据实际需要选配ZigBee高功率模块(传输距离能达1000米)和ZigBee低功率模块(传输距离能达100米)。在本实施例中，设备通过CSC208数字式交流采集装置外接入3路交流电流及3路交流电压，通过环境参数监测模块外接入温度传感器，本实施例通过ZigBee实现自组网及无线通讯，基于FPGA的物联网接入模块提供的2个UART通信接口，分别与CSC208数字式交流采集装置、ZigBee无线通讯模块相连，构成电气量数据采集转发通路。设备正工作时，信息传输通路示意图如图5所示。其中，数据包PU P2、P3、P4为数据传输数据包；将无线采集模块与基于FPGA的物联网接入模块之间基于DNP规约的数据包定义为Pl ;将环境参数监测模块与基于FPGA的物联网接入模块之间的通信数据包定义为数据包P2 ;将基于FPGA的物联网接入模块与无线通讯模块之间的串口通信数据包定义为数据包P3 ;将无线通讯模块进行无线数据传输的数据帧定义为数据包P4。电气量采集模块实时采集高压电网中的I/U信息，信息经由电气量采集模块封装 成数据包P1，并通过串行通信接口传送到物联网接入模块；而环境参数信息由环境参数检测模块，该模块将信息封装成数据包P2并传送到物联网接入模块。由基于FPGA的物联网接入模块将I/U电气量数据信息和环境温度信息进行处理，增加包头封装成数据包P3，并将P3数据包通过串口通讯传送给无线通讯模块，无线通讯模块对数据包P3进行处理，增加本地信息及包头将数据包打包成数据包P4，传送到相应的汇聚设备。本实用新型提供了一种基于FPGA的物联网通用电气量采集传输系统，通过对硬件设备以及外围器件、各个端口的控制，实现互感数据的采集及转发。具体功能如下I)电气量信息采集，即实时采集3路交流电流及3路交流电压的电气量信息，并计算电压、电流、有功、无功、电压间及电压与电流之间相角。2)线路故障检测，采用过流保护判断接地、相间故障，并判断故障放心及单相故障时的相别。3)温度监测，能够实现温度信息的采集，可适用测量温度的范围为-40到125C。4)实现终端传感数据(包括电流互感信息、电压互感信息，以及环境温度信息)的ZigBee无线发送，即实现终端传感数据通过串口传输到ZigBee无线通讯模块，同时支持从ZigBee无线通讯模块接收指令转发给电气量采集模块。5)支持串口配置，用户可以通过串口对设备配置信息(设备ID、设备名称、IPv4参数配置、ZigBee组网配置等)进行读取和更改，实现系统的重配置。系统默认为ZigBee工作模式，如果接收到PC端模式切换指令则按照指令进行相应的切换操作。6)可具备循环上送和越限上送功能，满足计算值实时上送刷新时间不大于2S的要求。本实施例通过无线技术实现了远程信息的采集传输，能够适应复杂的环境，维护和安装非常方便，便于电力管理部门及时掌握配电线路的电气量信息，对信息进行分析，实时控制测量。
权利要求1.一种基于FPGA的物联网通用电气量采集传输设备，其特征在于包括基于FPGA的物联网接入模块、电气量采集模块、无线通讯模块和USB接ロ模块； 所述的基于FPGA的物联网接入模块包括FPGA主控芯片、FLASH存储芯片、DDR2内存芯片和模块对外接ロ，其中模块对外接ロ包括至少3个UART接ロ，该模块通过UART接ロ分别与电气量采集模块、无线通讯模块和USB接ロ模块相连； 所述的电气量采集模块包括电流互感器或电压互感器中的至少ー种、A/D采集器、UART通信接ロ。
2.根据权利要求I所述的电气量采集传输设备，其特征在于，所述的模块对外接ロ还包括IIC接ロ或GPIO接ロ之一或者两种。
3.根据权利要求2所述的电气量采集传输设备，其特征在于，还包括环境參数监测模块，环境监测模块包括温度传感器或湿度传感器或同时包括温、湿度传感器，同时提供对外接ロ，其中温度传感器通过IIC接ロ或GPIO接ロ与基于FPGA的物联网接入模块相连，湿度传感器通过IIC接ロ或GPIO接ロ与基于FPGA的物联网接入模块相连。
专利摘要本实用新型提供了一种基于FPGA的物联网通用电气量采集传输设备，包括基于FPGA的物联网接入模块、电气量采集模块、环境参数监测模块、无线通讯模块和USB接口模块，其中基于FPGA的物联网接入模块包括FPGA主控芯片、FLASH存储芯片、DDR2内存芯片和模块对外接口，电气量采集模块由电流/电压互感器、A/D采集器、UART通信接口组成。本设备通过电气量采集模块和环境参数监测模块采集电气量及环境参数信息，经过基于FPGA的物联网接入模块对数据进行封装处理，通过无线通讯模块上传到相应的汇聚设备。本设备采用FPGA作为主控，系统的灵活性增强，可以基于物联网定制传感器接口形成适应不同场合的采集设备，通用性强，适用于电网的配网管理及调度自动化。
文档编号G08C17/02GK202404733SQ201120510378
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者付海静, 侯义斌, 刘宏珍, 肖春华, 黄樟钦 申请人:北京工业大学