数据传输装置（通用9篇）
数据传输装置 篇1
近年随着电子技术的高速发展,传统的接口技术已经难以满足某些大容量数据高速传输的问题。数据记录设备在航天器发射前进行的关键参数测试会存储大量的数据,需要实时地通过地面测试设备将数据记录设备中的数据回读,以便对数据分析和处理。发射参数的存储及事后分析对航天器的研制及改进有着极其重要的意义。因此采用新的接口技术解决数据高速传输这一瓶颈问题显得日益重要,LVDS这种高速低功耗接口标准为解决这一问题提供可能[1]。目前LVDS技术已经在通信技术中得到普及,本文给出了一种基于LVDS的高速数据传输装置的设计方案,并对装置的功能和特点进行全面的论述,为LVDS技术在航天测控系统的应用起到了示范作用。
1 LVDS技术简介
低电压差分信号(LVDS)技术是在芯片系统互连朝着低功耗、低成本、高速和高可靠方向发展的背景下产生的,属于高速差分信号技术的一种,其他高速差分信号技术还有CKL、PECL、LVPECL和CML等。LVDS技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据,可以实现点对点或一对多点的连接,具有低功耗、低辐射、极低的EMI和出色的抗噪声能力等特点[2],这些都使LVDS容易与其他差分信号技术实现互操作,其信号可以在印制电路板差分线对上或是平衡电缆上传输。
LVDS采用低电流驱动模式,在典型应用的条件下为单工传输方式,主要有发送器,互连器和接收器三部分组成。发送器和接收器主要完成数字信号和LVDS信号之间的转化,互连器主要是PCB上的差分线、电缆和匹配电阻[3],作为信号传输的媒介和终端。其基本工作原理:LVDS驱动器由一个驱动差分线对的电流源(标称值为3.5 m A)和电子开关组成。由于接收器的输入阻抗很高,故整个电流实际上全部流过100Ω的匹配电阻,于是在接收器输入端产生大约350 m V的电压。当驱动状态翻转时,导致流经电阻的电流方向发生改变,从而通过差分信号的变化在接收器端形成幅值相同而极性相反的电压,来产生有效的“1”和“0”逻辑状态。在信号传输过程中电流源始终导通,这种始终导通的特性可以消除开关噪声带来的尖峰和大电流晶体管不断导通和关断造成的电磁干扰;构成差分对的导线间距很短,保证了较高的抗噪性能;两条邻近的导线传输的电流相同而方向相反,产生的EMI很低。总的来说,终接方法简单、功耗低、噪声低和辐射低等特点,使得LVDS在对信号完整性、低抖动、数据传输率高及共模特性要求较高的系统中得到了广泛的应用[4]。
2 总体设计方案
使用上位机作为整个测控系统的控制平台和数据接收处理终端,数据传输装置实际上是为计算机上位机和被测弹载数据记录设备的通信起到了桥梁作用。装置采用USB接口电路实现计算机和FPGA之间的通信,USB接口电路负责上位机的命令下发和数据上传;以串行器DS92LV1023和解串器DS92LV1224构建电路实现数据的发送和接收。系统总体结构框图如图1所示。
系统的工作原理为:计算机将上位机的命令通过USB接口电路发送给FPGA,通过控制FPGA和LVDS发送芯片(串行器)将命令传送给被测弹载设备,弹载设备处于记录状态还是读数状态需要通过其内部FPGA逻辑判断,然后将实时监测的数据或回读数据发送到LVDS接收芯片(解串器),FPGA将解串后的并行数据经由USB接口电路上传给计算机分析和处理。
3 各模块功能实现
3.1 USB接口电路模块
由于在此设计中,既要进行状态控制,还要完成数据的高速传输,所以本设计选用Cypress公司的EZ_USB系列芯片CY7C68013—128作为USB接口芯片。该芯片的内部结构如图2所示,由8051处理器、串行接口引擎(SIE)、USB收发器,片上RAM、FIFO(4KB)存储器以及通用可编程接口(GPIF)等模块共同构成,这些模块实现了CY7C68013与外围电路无缝连接和数据的高速传输。在上位机和CY7C68013进行通信时,一般直接利用GPIF接口来实现与FPGA进行数据传输。CY7C68013的GPIF接口有16位数据线,6个RDY信号和6个CTL信号,其中RDY信号为等待信号,GPIF可连续采样RDY信号,通常用来等待指定信号的某个状态的出现,以确定GPIF下一步动作;CTL信号为控制输出信号,通常用作选通信号、非总线输出信号以及产生简单的脉冲信号[4]。此USB芯片在高速模式下,数据传输的码率可以达到480 Mb/s,本系统实时传输数据的速率为30 Mb/s,所以CY7C68013可以将数据完整地传输到计算机。
USB电路设计时采用计算机的USB接口对其单独进行供电,这样可以有效地避免与LVDS高速器件共用电源所引起的干扰。并采用PA口下发上位机的命令,由固件程序将CY7C68013配置为8位的GPIF模式。在该模式下,CY7C68013所使用到的引脚有PA口、CTL和RDY等。CTL和RDY分别为CY7C68013的读FIFO时钟输出和FIFO半满信号的输入,PA口的每一位都可以由固件自定义为输入或输出。由于CY7C68013的内部集成了RAM,因此其固件程序存储在外部EEPROM AT24C64中,在上电时CY7C68013会自动通过I2C总线加载EE-PROM中的程序。由于AT24C64的SDA与SCL引脚均为漏极开路的门电路,因此在使用时必须通过上拉电阻至VCC才可以正常地输出高电平。
本设计USB传输部分主要实现将计算机上位机软件的控制命令下发给FPGA,并实时判断FPGA内部FIFO的半满信号,以便将缓存的数据上传至上位机。在下行链路中,上位机的命令字通过CY7C68013的PA0~7口下发给FPGA;在上行链路中,数据通过GPIF口传输至计算机上位机。而由于LVDS接口的速度和USB接口的速度不匹配,需要在FPGA中设置FIFO进行数据缓存以达到数据传输速度匹配。CY7C68013单片机通过实时判断RDY接收FIFO的半满信号,若FIFO达到半满,CTL4发送读时钟信号给FIFO,GPIF口接收FIFO的数据并上传。
3.2 LVDS接口电路模块
LVDS的接口方式主要有集总式和分立式两种,集总式LVDS接口是指目前的主流FPGA或者ASIC芯片内部集成了LVDS功能,用户可以直接用该接口驱动外围电路。但是集总式LVDS的I/O引脚电容较分立器件大一倍,降低了总线的负载阻抗,从而降低了噪声容限以及设计的可靠性,而且FPGA集成的LVDS接口较分立的LVDS器件的驱动能力弱很多。因此本设计采用是分立LVDS芯片,选用的是美国国家半导体公司推出的一对10位总线型低压差分信号应用芯片组DS92LV1023及DS92LV1224作为LVDS接口芯片,这两款芯片传输10bit并行数据的速率为10 MHz~66 MHz。其中DS92LV1023是可将10位并行CMOS或TTL数据转换为具有内嵌时钟的高速串行差分数据流的串化器;而DS92LV1224则是接收该差分数据流并将它们转化为并行数据的解串器,它同时又可以重建并行时钟。采用该器件组进行数据串化时采用的是内嵌时钟,这样可有效地解决由于时钟与数据不严格同步而制约高速传输的瓶颈问题[5]。这一对芯片组,只有发送时钟和接收时钟同步时,才能进行正常的通信和完成数据传输。而利用FPGA的强大的逻辑处理能力和丰富的片内资源,完全可以实现对时钟同步的控制。
LVDS模块电路图如图3所示,为了提高LVDS的传输性能,电路中采用高速串行数字接口自适应电缆驱动器CLC001和电缆均衡器CLC014的设计。电缆驱动器可以使信号传输的距离更远,经长距离的传输后信号会有所衰减;电缆均衡器的作用就是自动补偿信号的损耗,使经过平衡电缆传输的串行数字信号能够恢复其原有的性能。它们的最大通信速率可达600 Mb/s,完全满足本设计的通信速率要求。LVDS的传输速度很高,设计电路时通过必要的端接方法解决LVDS收发器与传输线的阻抗匹配问题。本设计中采用五类线(CAT5)作为数据传出的电缆,对于CAT5类的双绞线,其特性阻抗R值如下所示:
式(1)中d为导体直径,s为导体中心之间的距离(s>d),εr为导体表面的绝缘材料的介电常数,计算得出特性近似为100Ω。而电缆驱动器和均衡器的特性阻抗为75Ω,因此采用端接的方法来实现阻抗匹配,以便消除长线的信号反射,其匹配电路端接电阻阻值如图3中所示。另外,由于LVDS具有较低噪声容限、高速的传输特性,因此需要收发端紧密配合才可以保证数据的可靠传输。交流耦合可实现LVDS信号远距离传输时的配合问题,解决了收发端因电势差而使系统间产生电流。设计中将传输的链路上串接1μF的电容来实现交流耦合。
系统在工作时,DS92LV1023在同步时钟TCLK(时钟频率为30 MHz)的作用下,按照设置的TCLK_R/F触发沿接收FPGA输出的并行数据,进行串化处理后,转换为内嵌有时钟信息的高速串行数据信号进行输出。在本设计中,发送的主要是PA1读数请求信号,PA4给弹载数据记录设备提供的复位信号,PA6读数选择信号(记录设备中有两片FLASH需进行选择),以及FPGA内部FIFO的Full信号。数据记录设备的逻辑控制器FPGA对这些信号进行处理,给出相应的响应。DS92LV1224在REFCLK的控制下,按照设置的RCLK_R/F触发沿接收串行数据,继而进行解串,输出LOCK指示信号、10位的并行数据和同步时钟信号RCLK,以便FPGA接收数据。当内部FIFO的Full满信号为‘1’时,弹载数据记录设备会停止发送有效数据,改为发送同步信号“0000011111”,以便达到时钟时刻同步的目的。通过对FPGA对DS92LV1023和DS92LV1224的控制和内部的逻辑处理,实现了数据的高速传输。
4 试验结果
本设计经过多次测试和试验,证明传输数据稳定,数据信号波形畸变非常小。图4的数据是测试系统上位机读取的弹载数据记录设备的数据,经过的电缆长度为50 m,图中显示的为一帧数据,由帧头(05 0C DF)、递增数据(03~F9)、4位帧计数(图中是00 01 31 3A)和帧标志(EB 90)组成。通过这种数据格式和上位机的分析,可以判断数据是否有丢数、误码,帧计数有没有不连续,从而判断数据传输的正确性。图5所示的数据时截取的正确无误数据的片段。通过这些数据表明,装置的设计达到了预期的效果。
5 结束语
本文所述的数据传输装置采用FPGA和LVDS结合的方案,具有电路设计简单,传输速度快、距离远,在数据高速传输领域有着广阔的应用前景。该装置是测试系统中的重要组成部分,在弹载设备的测试中起着关键作用,对于弹载设备的地面测试设备的研究有重大意义。此设计已经成功地应用于某航天项目中,其工作性能稳定可靠。
参考文献
[1]王冰,靳学明.LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用.电子技术应用,2003;29(3):55—57
[2]刘利生,苏淑靖,张凯林,等.基于LVDS的远程数据传输系统.仪表技术与传感器,2011;(12):38—42
[3]张时华,任勇峰,李圣昆,等.基于FPGA和LVDS技术的光缆传输技术.电子设计工程,2009;(3):69—79
[4]崔中华,熊继军,沈三民.基于LVDS技术的实时图像测试装置的设计.电子技术应用,2010;(4):84—86
[5]来卫国.10位BLVDS串化器DS92LV1023和解串器DS92LV1224的原理及应用.国外电子元器件,2002;(8):45—47
数据传输装置 篇2
新型太阳能接收与传输装置主要由导光板、外壳、导光管、透镜等组成, 多条表面有反光性质的完整圆弧1/4的导光板与外壳围成多条弯曲且独立的导光通道，所有导光通道与导光管一侧连通，导光管的中心线与导光板在光线入口处的垂直进入方向的剖面线的终端曲线的切线夹角为零。
2.2 工作原理
在导光板间距小于1/4其只身高度时，在弯曲的道光通道的特殊作用下，光线无论以任何方向进入导光通道，光线都不会反射回来，只能沿导光通道前进，由于导光板出口的切线与中心管中心线平行的结构，光线在此都会被整合到与导光管中心线前行的前进方向，因此不会从自己的导光通道反射回去，也不会从其它导光通道反射回去，光线只能沿导光管前行，只要终端没有反射的光波，进入到导光管的大部分光波可全部输送到终端。
2.2 工作原理
在导光板间距小于1/4其只身高度时，在弯曲的道光通道的特殊作用下，光线无论以任何方向进入导光通道，光线都不会反射回来，只能沿导光通道前进，由于导光板出口的切线与中心管中心线平行的结构，光线在此都会被整合到与导光管中心线前行的前进方向，因此不会从自己的导光通道反射回去，也不会从其它导光通道反射回去，光线只能沿导光管前行，只要终端没有反射的光波，进入到导光管的大部分光波可全部输送到终端。
3 技术特点
该太阳能接收与传输装置与其它太阳能利用装置的性能相比，具有的技术特点是：
3.1可将大面积低密度光能低成本的收集、集输到一起形成高密度光能，无数个接收装置经过导光管的连接到一起就相当于一个巨大的聚光器。
3.2该接收装置可直接对阳光进行采集，也可利用聚光镜或者目前广泛应用的塔式、碟式、槽式等太阳能采集系统将光能局部集中，再利用该装置远距离传输后全部集中加以利用。
3.3该接收装置也可以作为分支导光管进入主导光管的连接装置，可以实现分管进入主管后光线没有反射光。
4 结论及认识
4.1该太阳能接收与传输装置在太阳能密度较低的情况下不将光能转化为其它能量，而是将光能用导光管进行传输后再集中转化，这样可将昂贵的转化设备留在终端，而不在初始端使用，可以大幅度降低太阳能开发和利用成本，具有较好的应用推广前景。
一种高速数据采集记录装置的设计 篇3
【关键词】数据记录仪；Flash；高速存储
1.系统方案设计
本文设计的数据记录系统由以下几部分组成：两台完全相同的数据记录仪、一个地面综合测试台、上位机、配套软件以及配套电缆。主要用于记录由雷达系统产生的视频回波、图像及遥测三路LVDS高速信号。系统工作时，由雷达系统首先发来启动记录信号，使已处于采集状态的两台记录仪同时工作，二者互为备份。地面测试台产生的模拟信号供记录仪存储，同时可以控制记录儀进入不同的工作状态，通过内置的USB接口读取记录仪的数据；上位机通过USB电缆与地面测试台相接，对回读的数据进行分析，同时验证记录仪是否正常工作。
2.系统硬件设计
该系统采用隔离变压器隔离接收三路LVDS数据，使得隔离前后的电路没有电气连接特性，然后再将隔离后的信号传送给存储模块；经过存储模块的均衡、解串后传给FPGA中心控制器，最后存入两片Flash中。
遥测系统输出的三路数据都有各自的启动记录信号。当记录仪接收到启动控制信号，开始记录对应路的数据，并存储到相应的存储模块中。飞行试验完毕后，可以利用备用读数电缆，将各个存储模块中数据通过测试台上传至上位机中进行分析，以便对记录仪的存储功能进行验证。在飞行模式下记录仪的供电由雷达系统完成。
记录仪由三个存储模块和一个接口模块组成。存储模块主要接收遥测系统的视频回波、图像及遥测三路LVDS信号，并对其中的有效数据进行实时存储。该模块主要包括以下几个部分：中心逻辑控制芯片FPGA、配置芯片PROM、LVDS电缆均衡器、LVDS解串芯片、存储芯片Flash、电源模块以及60MHz晶振等[1]。如图2.1所示：
接口模块主要包括LVDS高速读数接口、RS-422长线接口、视频及图像遥测雷达信号输入接口、各个存储模块的LVDS输入接口以及数据上传和指令下发接口。高速读数接口与地面测试台主控卡的相应接口连接，通过LVDS接口高速读取其中的数据；422长线接口通过双绞线电缆与地面测试台连接，主要实现记录仪与地面测试台之间的通信。
3.系统逻辑设计
3.1 Flash高速存储技术设计
由于Flash是基于页读写、块擦除的工作模式[2]，在对其进行读、写以及擦除操作都需要一定的等待时间，通过建立无效块列表，有效地提高了读写速率[3]。由FPGA内部时序控制转换将生成的4K并行数据轮流写入两片Flash中，单片Flash采用交替双平面页编程方式，存储速率能够达到29.85MB/s。采用两片Flash进行存储，从时间上看两个数据流同时流入两片Flash中，相当于数据总线增加了一倍，实现数据存储速率能够达到单片Flash存储速率的两倍，即有效数据存储率为59.7MB/s，大于有效数据的传输速率59MB/s，能够保证对每路数据源的可靠存储。
3.2 存储模块逻辑设计
LVDS数据流可以直接按字节方式分离并存储，该方式虽然可以降低FPGA内部资源的消耗，但是加大了对存储数据恢复的复杂程度，并其中一路存储时出现丢数，容易影响到另一路数据的存储，造成数据结构的紊乱，导致存储数据无法恢复。因此采用FPGA内部双口RAM资源，实现8Kbyte数据的缓冲，之后增加两个4K双口RAM，构成了二级缓冲。对于单路的I/P/Q信号，数据在60M的时钟下写入一级缓冲（8K）中，当判断写入数据大于7106后，以60M的速率连续读取4096个数据给二级缓冲A，同时控制Flash（A）模块对二级缓冲A中的数据进行判断，当写入数据大于10个后，以30M的速率连续读取4096个并写入Flash（A）中；当再次判断一级缓冲（8K）中读写地址差值大于7106后，同样以60M的速率连续读取4096个数据，并写入二级缓冲B，当控制Flash（B）模块判断二级缓冲B中数据大于10个后，同样以30M的速率读取4096个后写满Flash（B）中的一页。上述操作交替进行，实现LVDS数据流中的有效数据轮流有序地存入两片Flash中。存储模块内部实现两级缓冲的逻辑原理框图见图：
4.系统可靠性设计
记录仪的正常工作离不开其可靠性设计。若电路设计的不合理，记录仪的工作性能得不到保障，严重时会损坏设备，可见电路的可靠性设计[4]是记录仪正常运行的首要保障。
4.1 降低存储模块功耗的可靠性设计
存储模块的供电经过电源芯片进行电压转换，给存储模块内部芯片供电。在未灌封之前进行多次常温测试发现，工作时电源芯片和XC3S200表面温度较高，而且由于对记录仪小体积的要求，要求内部芯片焊接很集中；而且记录仪在高空试验环境中会受到高冲击、高过载的影响，必须对记录仪存储模块进行灌封，增加抗冲击能力。为了解决上述问题，降低消耗在存储模块电源芯片本身的功耗。下面对存储模块进行温度测试试验。为了获得存储单元灌封后的内部温度，我们使用热电偶对内部多点进行测量，实时显示温度。在试验一和试验二中，我们选定以下七个点，试验三中增加了中壳体外壁一点。
通过以上设计的试验可以看出，当存储模块的供电电源输入为3.6V左右时，测试各点的温度都所有下降，在芯片正常工作范围内，且存储模块在长达十几小时的高温环境中仍能正常工作，说明存储模块输入电源采用3.6V供电的可靠性。
4.2 记录仪通信的可靠性设计
在整个存储设备中，RS-422传输协议主要实现记录仪与测试台之间的通信功能，控制记录仪的工作状态，另外，还可以完成记录仪的长线读数功能。数据是以串行差分形式传输，测试台主控卡向记录仪下发传输命令的长度都是以6个字节为基本单位，其中，前两个字节为固定帧头“55H”、“AAH”；第3个字节为命令长度，为固定的“02H”；第4、5个字节为命令字，针对不同的命令会有对应的命令字；第6个字节是校验和，大小等于两个命令字的和。记录仪也采用相同的命令格式进行返回命令的上传[5]。
为保证控制指令传输的可靠性，数据校验是必不可少的，因此，我们在协议中设计了校验码。同时，协议中还设计了命令信号从测试台、接口板、存储板、接口板，最后返回测试台指令反馈机制，增强了系统对错误命令的识别能力，提高了系统执行命令的抗干扰能力。
5.结论
文中研究的高速数据记录仪设备采用了双片选、双平面交替编程进行数据存储，并通过FPGA内部的二级缓冲技术，使得记录仪的总体写入速度加倍，采用合理的电路降低存储模块的功耗，利用可靠的通信协议，有效保证了信号数据的可靠接收和存储，完全满足设计的高速存储要求。目前该系统通过了高低温、振动、冲击及电磁兼容等环境试验，能够满足实际的工程要求。
参考文献
[1]Gyu Sang Choi，Byung-Won On.Study of the performance impact of a cache buffer in solid-state disks[J].Microproc-essors and Microsystems，2011，35（3）：359-369.
[2]高怡祯.基于闪存的星载大容量存储器的研究和实现[J].电子技术应用，2003，8：75-78.
[3]Jeong-Uk Kang，Jin-Soo Kim，Chanik Park，Hyoungjun Park，Joonwon Lee.A multi-channel architecture for high-performance NAND flash-based storage system[J].Journal of Systems Architecture，2007，52（9）：644-658.
磁斑传输胶带测速装置 篇4
关键词：胶带,线速度,磁斑,信号发生,程控
胶带输送被广泛地应用到各种工农业现场。近年来随着工业技术的不断进步, 自动控制和计量系统都需要准确检测传输胶带的线速度。目前, 胶带测速装置主要依靠胶带和测速滚轮之间的摩擦力驱动滚轮旋转, 并带动转子机构转动, 所用测速传感器主要有磁阻脉冲式、光电脉冲式两类, 传感器信号经过二次仪表的简单处理最后得到胶带线速度。对于检测精度要求不高的场合, 有时直接将胶带驱动滚筒的转速信号转换成胶带线速度。
现有的胶带测速技术利用滚轮旋转产生脉冲信号, 当滚轮 (或胶带) 有打滑现象时, 不能反应传输胶带的真实线速度。本文介绍一种新型非接触式胶带测速装置, 姑且名曰“磁斑传输胶带测速装置”。
1 传感器构成
磁斑胶带测速装置如图1所示。
1.胶带横截面;2.胶带边沿的“磁斑”;3.磁靴;4.磁铁;5.信号线圈L2;6.激励线圈L1
本装置要求出厂的传输胶带进行一项改革, 即在胶带的边沿每隔一定的距离 (比如50mm) 镶嵌一块“磁斑”, 可用柔软且便于粘接的橡胶磁铁和铁磁胶制作。传感器为一开口铁芯, 采用中频正弦波电源励磁;胶带边沿按照一定的几何规则镶嵌有“磁斑”, 胶带通过磁靴之间运行, 并且要求磁靴的长度要小于磁斑之间的中心距离。当磁斑正好处于磁靴之间时, 由于磁靴之间的磁阻明显减小, 铁芯中通过的磁通强度增大, 导致信号线圈的输出电压增大;非磁斑区域通过磁靴时, 输出信号虽然频率不变, 但是其幅值相对要小。励磁和信号电压波形如图2所示, 其中t0表示磁斑进入磁靴的时刻, 可见信号电压的幅值明显增大了。
为了降低工频干扰, 增强信号灵敏度, 应采用中频电源励磁;鉴于胶带所输送物料的导磁性和设备安装现场干扰源的不同, 励磁电源的频率最好可以程控调节。将信号电压滤波放大后, 稍加处理即可送单片机处理。
2 电气原理
本装置电气原理如图3和图4所示。图中时钟信号CP在两个电路中共用, 它是由单片机编程输出的, 其频率可程控。CD4018为可预置1/N计数器, 将其反码输出端与反馈输入端DS连接, 可实现1/10分频, U2和U3串联即可完成对CP时钟的1/100分频。查看CD4018的波形图可知, U3随着CP1计数脉冲由1~5逐个增加, —逐次由高电平翻转为低电平, 在5~10计数阶段—则逐次由低电平翻转为高电平, 输出端—的电压变化通过电阻R1~R5的分压叠加, 即可得到一个按正弦曲线分布的8次阶梯状电压Ur。MAX291是一种8阶低通巴特沃斯型开关电容滤波器, 通过程控CP时钟的频率确定该滤波器的截止频率, 截止频率可调范围为0.1Hz~25k Hz, 时钟频率和截止频率的比率是100:1, 所以采用U2和U3进行1/100分频。阶梯电压Ur经过U4滤波之后, 其输出电压接近标准正弦波, 高次谐波基本消除。LM386常用为音频放大器, 其频带宽度为300k Hz, 我们用之为中频功率放大器, 以驱动传感器励磁线圈, 适当调整电源电压VCC, 输出功率可达3W。
如图4所示, 信号电压Ui亦采用MAX291滤波, 并且采用同一个时钟控制, 两个电路滤波芯片程序相同、时钟同步可以取得更好的滤波效果。滤波后的信号电压经U7A同相放大, 即可得到图2中的电压u2, 应将其幅值调整为小于且接近5V。二极管D1将信号电压u2进行半波整流, 得到图2中的电压u3, 这个电压送单片机内嵌的电压比较器进行比较, 可在磁斑经过磁靴的时刻引发中断。U7B比较器对信号电压u2进行过零比较, 将信号电压u2转变为幅值为5V的正负脉冲方波, 经D2检波, 得到脉冲信号u4, 将u4连接单片机CCP0单元 (Pin20) , 以便在适当的时刻开启脉冲捕捉中断, 探测脉冲频率。
3 单片机配置
STC15W408AS为国产增强型8051单片机, 1T (单时钟/机器周期) , 速度比普通8051快8~12倍;内嵌8k Flash程序存贮器, 1k E2PROM可记录系统参数, 512字节SRAM;支持ISP/IAP技术, 无需编程器和仿真器;内嵌高精度RC时钟和电压管理/复位装置/看门狗, 工作频率3~35MHz, 无需外部晶振和复位电路;支持10bit高速ADC, 集成了3路CCP/PCA模块;该单片机虽然只是SOP20/DIP20封装, 但是硬件功能十分强劲。
此种单片机只有2个定时器/计数器, 本系统中设置定时器Timer0工作在16位自动重装模式, 对单片机系统时钟进行分频输出 (PIN16) , 建议设置单片机主频为22.1184MHz, 若设置寄存器 (RL_TH0, RL_TLO) 为65531 (&HFFFB) , 则输出CP频率为2211.84k Hz, 励磁频率则为22.1184k Hz。另一个定时器Timer2可用作单片机串口波特率发生器。
单片机内嵌一个高精度电压比较器, 比较器翻转时可引发中断服务。该比较器正输入端 (PIN9) 连接电压u3, 负输入端 (PIN7) 连接一个数字电位器U8。U8只需要在调试阶段进行数值设定, 可以先启用ADC7 (PIN6) 对u3电压关键区段进行模数转换, 取得u3电压关键值, 再借助P3.6和P3.7两管脚软件模拟SPI总线, 来完成U8输出电压值UK的设置, 即程控比较器阈值。参见图2, 从t0时刻开始磁斑进入磁靴, u3电压立即升高, 到t1时刻达到比较器阈值Uk, 此时单片机发生比较器中断。在这个中断服务程序中, 我们需要立即开启CCP/PCA1 16位软件定时器, 来读取和记录 (t1, t5) 之间的时间间隔Δt。设单片机主频22.1184MHz, ΔL为50mm, 如果胶带运行速度小于1.4m/s, 两个磁斑之间的时间间隔Δt≥35.55ms, 则需要CCP/PCA1若干次中断服务来完成计时。显然, 胶带线速度即为ΔL/Δt, 比较器每中断1次, 胶带通过ΔL距离。
在比较器中断服务程序中, 我们还可以开启CCP/PCA0 (PIN20) 通道为16位上升沿捕获模式来测量信号电压的频率, 即在图2表示的t3和t4时刻发生PCA0捕捉中断, 读取 (t3, t4) 之间的时间间隔即为信号电压的周期, 这个周期和我们发出的CP时钟周期应正好相差100倍, 据此可以判定装置收到的信号电压是否“合法”, 否则进行报警处理。STC15W408AS单片机还有1路CCP/PCA2, 我们也设置为16位软件定时器, 以便系统定时进行各项例行任务。
这个仅仅20脚的单片机还有1个标准UART串口和一个同步串行SPI接口, 可以直接连接上位单片机或彩色液晶触摸屏, 也可以设置一个支持现场总线协议的Modbus接口, 限于篇幅不作进一步讨论。
4 结语
无线电能传输装置的设计与分析 篇5
1.1无线电能发射部分
发射电路作为无线电能传输传输系统中的重要组成部分该部分设计的好坏对总的传输功率也有着十分重要的影响。因此在给系统中设计出一个高效的发射电路也是十分重要的一环。本设计使用门极谐振电路驱动MOS管, 其开关速度快, 属于软开关, 可以实现较低信号, 产生较高电压来驱动MOS管, 利于能量传输, 效率高。
1.2无线电能传输部分
采用两个自谐振线圈。电感线圈的设计和制作方法中我们了解到在高频状况下, 线圈匝间电容和集肤效应将会是导致电阻增加而造成Q值降低, 在空心电感的设计上都是应该考虑的。但这些因素恰恰是引起线圈谐振所必需的, 在谐振耦合中好似加以利用的。另外提到有关线圈电感量计算公式中, 都没有关于线圈所用绕线直径方面的内容, 这就表明了线圈的电感量与线径无关。
但实际上, 线径大小虽然不影响线圈的电感量, 却对线圈性能有影响。也就是说, 线径越细, 线圈的等效串联电阻就越大, Q值就越低, 线圈性能就越差。
1.3无线电能接收部分
无线电能的接受由三大部分组成, 分别是整流电路、滤波电路和稳压电路。整流是为了方便接收线圈将高频率的正弦交流电压转化成我们负载所需要的电压。整流有半波整流和桥式整流。通过实验比较可知, 桥式电流的效率以及对二极管的保护能力相对于其他方案要占优势一些。虽然整流可以将高频的交流电压转化为直流电压, 但是输出电压会由很大的脉动成分, 这样在给谐波进行供电时会受到很大的谐波干扰, 因为我们还需要滤波。
滤波分为有源滤波与无源滤波, 因为本实验是给两个LED灯供电, 没有太高要求, 因此我们采用无源滤波。而无源滤波又分为电容滤波, 电感滤波和复式滤波, 但是电容滤波比较简单, 因此采用无源滤波。在经过了整流和滤波后, 虽然高频交流电变成了直流电并且消除了滤波干扰, 但是输出的电压却不稳定, 为了满足要求, 我们就需要添加稳压器件, 把电压控制在要求的电压值。
1.4 显示处理部分
为了便于观察实验结果, 采取单片机驱动液晶同时进行A/D装换。
二、系统理论分析与计算
2.1无线电能传输理论分析
在本实验中, 我们采用的是谐振耦合式无线电能传输系统。在本实验中就是采用的两个线圈, 当线圈中通交流电时, 线圈周围就会产生随时间变化的电场, 于是空间就会有一系列的电场和磁场效应, 能量从线圈上发射, 变化的磁场与变化的电场一起向外辐射, 就产生了电磁波, 从而就可以达到无线传递能量的目的。
在此无线谐振耦合电路中, 由于电磁耦合无线电能传输的谐振频率都在兆赫兹, 而逆变电路的最高逆变频率只在几百K赫兹, 远远达不到谐振器的工作频率, 因此选用高频振荡电路作为信号源。另外在试验中发现频率一个很小的变化对整个系统的影响都非常大, 由于所涉及振荡电路频率可调的范围有限, 所以用八兆有源晶振搭建的信号源, 通过门极谐振电路来驱动MOS管, 降低前级驱动损耗, 再驱动后极E类射频放大电路。
2.2无线电能传输理论计算
松耦合变压器模块的主要作用就是将能量转换后的高频电源耦合到用户端。松耦合部分 (可分离式变压器) 是能量传输的关键。松耦合系统通过大间隔的耦合电感传输电能, 所以产生很大的漏感, 造成原边电流很大部分通过耦合电感流回电源, 因而效率较低。为了提高效率并减小设备体积, 办法是提高工作频率并使其工作于谐振状态, 这时工作电流近似为正弦波形。设M为耦合装置互感, LP和LS为初级、次级激励电感, 初级磁场发射的高频载流线圈工作角频率为w, 电流有效值为iP, 则松耦合系统次级电路接受线圈的开路电压为Voc:
相应地, 次级线圈的诺顿等效电流Isc为:
次级电路品质因数为QS:
无线供电系统的能量传输能力, 即次级线圈能够获得的最大功率Pm为:
其中, 松耦合变压模块如图1所示。
因此, 增大系统能量传输能力的方法有:增大工作频率f (w) 、增加初级电流iP、增大互感M或减小次级自感LS、增大品质因数QS。由于品质因数不宜过大, 因而有效系统传输能力的方法是增大工作角频率w和初级电流iP。
能量调节模块主要是调节电流, 其主要作用是提高系统能量的传输能力, 实际电路设计时采用多个电容串并联的方法来实现功率补偿调控。
由于线圈拾取机构与导轨间的距离总是处于一种随机变化状态, 导致拾取线圈中的感生电动势幅值也不断发生改变。因此, 由其形成的电压源不能直接驱动负载, 必须经过整流、滤波、稳压等环节, 才能以稳恒电压源的形式给负载提供稳定、有效供电。同时为了改善负载性质, 使其在初级侧的反射阻抗呈纯阻性, 提高系统的传输功率和效率, 需在整流前加入一个功率补偿电路。
三、电路设计图
此电路主要是由发射装置, 传输装置以及接收装置所组成。主要有三大部分, 分别是稳压模块, 射频放大电路以及桥式整流电路, 完成给两只串联LED灯供电。
3.1稳压模块
线性稳压器7805能有效的将15V的电压转换为5V供其他模块使用, 且成本低廉, 效果好。
3.2射频放大电路
信号源通过74hc14对信号进行整流, 然后通过门极谐振电路来驱动MOS管, 组成E类射频放大电路, 进行能量发送, 其电路如图2所示。
3.3桥式整流电路
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。其中的变压器起变压的作用, 二极管相当于单向导电作用, 四个二极管二二轮流导通与截止使波形完整, 电路如图3示。
四、测试方案及试验结果
为了验证理论设计和实际装置测试值的正确性, 同时也为了论证设计达到指标要求, 对样机进行了实验研究。上为试验数据。
从表中可知理论数据与实际数据有一定差别, 其主要原因:一部分是元器件参数存在的误差, 另一部分在高频情况下, 元器件会产生内部寄生电容, 并且还要考虑导线的电感。并且射频放大模块本身效率不高导致与理论相差较大。
五、设计总结
基于谐振耦合的无线电能传输装置 篇6
1系统设计
设计任务:设计一个磁耦合谐振式无线电能传输装置。非接触式无线电能传输式系统的基本结构如图1所示, 其主要由驱动电路、发射模块、传输模快和接收模块4部分组成, 发射模块与接收模块通过磁场耦合相联系。发射电路把电能转换为磁场能量传输到接收电路, 接收电路通过整流稳压给2个串联的LED灯 (白色, 1W) 。
2设计方案
本系统采用耦合式无线供电传输方法, 该方法主要利用两个具有相同频率的谐振电路[1]通过磁场耦合实现能量的传输的。
磁耦合谐振式无线供电传输引入了谐振技术, 使发射线圈和接收线圈在相同的频率下工作, 不仅能使传输能量传输率会大大提高, 其传输距离也会大大增加, 辐射小, 方向性要求不高, 适合中等距离传输, 传输效率较高且不受空间障碍物的影响, 能量传输效果好。
3技术方法的分析与计算
3.1耦合谐振工作原理分析
耦合谐振无线电力传输系统如图1所示, 包括高频放大电路、发射线圈、接收线圈和负载, 其中发射线圈和接收线圈发生耦合谐振, 当发射源的频率与收发线圈的固有频率一致时, 发射回路和接收回路阻抗最大, 收发线圈两端电压最大, 此时系统效率最高。相反如果两者频率不一致时, 即两线圈处于失谐状态, 大部分能量会消耗在线圈上[2]。在磁耦合谐振无线电力传输系统中, 谐振线圈可等效LC并联电路。
回路的阻抗频率响应和相频响应, R值越小, Q值越大, 谐振时的阻抗值就越大, 相角频率变化的程度越急剧, 选频效果越好。
3.1.3谐振时输入电流与回路电流之间的关系
解得L=2.1u H。
3.2无线电能传输线圈选择分析
该装置输入直流电流不大于1A, 发射与接收线圈为空心线圈, 线圈外径均20±2cm。装置采用漆包线圈, 由于交流电的集肤效应, 电流不是满截面地流动, 而是沿外表面进行传送, 因此没有一个线性关系, 不能够根据截面面积直接计算它的载流量。一般铜导线的安全载流量为5-8A/mm2, 因此铜导线的横截面积S的上下范围:
S--铜导线横截面积 (mm2) I--负载电流 (A)
3.3距离与效率的关系
根据毕奥一萨伐尔定律, 稳恒电流通过导线时在导线外一点P处产生的磁感应强度为:
首先计算单个载流圆线圈轴线上的磁场。设圆线圈的中心为0, 半径为R, 载有电流I。
由公式 (5) 可知, 线圈在P点产生的磁场, 与P点到线圈的距离的三次方成反比, 与线圈的半径成正比。即有如下关系
又上面几个式子可以看出, d B与互感M成一次正比关系。
综上所述, 要提高无线传能的效率, 得要增大耦合线圈的半径, 减小线圈之间的距离以及使电路处于谐振状态。
4测试结果分析
经测试, 输入直流电压U1=15V, 当发射接收线圈距离在35cm左右, 两个LED灯非常亮, 由于LED灯没有接限流电阻, 故不能再将接收线圈进一步靠近, 否则会因为流过灯珠的电流过大而烧毁LED, 增大发射与接收线圈距离, LED灯的亮度逐渐减弱, 当发射与接收线圈距离为60cm时, LED灯光也能保持不灭。经多次测试, 在保持LED灯不灭的条件下, 发射线圈与接收线圈最大距离可达63cm, 输入电流I=0.738A。
5结论
本系统结构简单, 成本低廉, 不仅能使传输能量传输率大大提高, 其传输距离也会大大增加, 辐射小, 方向性要求不高, 适合中等距离传输, 传输效率较高且不受空间障碍物的影响, 能量传输效果好。
参考文献
[1]孙勇.面向自行小车的非接触供电系统的研究与应用[D].南京:南京航空航天大学, 2009:1-3.
数据传输装置 篇7
1 系统整体硬件设计
本系统以PIC单片机为核心, 主要包括温湿度传感器采集模块、燃气传感器采集模块和甲醛等有害气体采集模块以及其控制器控制模块、单片机控制模块以及数码管数字显示模块和无线传输模块等部分组成。本文设计的室内监控系统可以通过系统内集成的各种专业的传感器和相关检测电路来实现对室内温度、湿度、燃气浓度和甲醛有害气体等进行实时测量和监控。而且系统能通过人机接口的按键和显示模块来实现监控量的高净值设定, 系统通过实时监测的检测值与预设的告警值实现比较, 得到空气中整体状况, 然后根据空气中的实际情况来对室内环境进行干预, 通过启动或停止通风风扇以及燃气阀门以及其他影响空气质量的设备来干预空气中燃气浓度和甲醛气体浓度。系统也能通过数码管的显示模块来实时显示室内环境的温度和湿度、燃气气体浓度以及甲醛其他浓度等监测值, 并集成有声光报警设备, 能及时告警房主危险信息。系统整体设计如图1 所示。
1.1 甲醛监测模块设计
根据监测设计方案的论证进行的选型, 本课题设计的甲醛检测模块选用的MQ138 来进行甲醛检测。MQ138 将室内甲醛浓度变化与模块输出的电压成对应关系, 其模块设计如图2 所示。
1.2 燃气监测模块设计
MQ-5 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡 (Sn O2) 。当传感器所处环境中存在可燃气体时, 传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-5 元件开始通电工作时, 没有接触可燃性气体, 其电导率也急剧增加1 分钟后达到稳定, 这时方可正常使用, 这段变化在设计电路时可采用延时处理解决。加热电压的改变会直接影响元件的性能, 所以在规定的电压范围内使用为佳。元件在接触标定气体1000ppm甲醛10 秒以内负载电阻两端的电压可达到差值的80% (即响应时间) ;脱离标定气体1000ppm甲醛30 秒钟以内负载电阻两端的电压下降到差值的80% (即恢复时间) 。燃气电路原理图如下图3 所示。
1.3 无线通讯模块硬件设计
无线通信的发射端芯片选用TI的CC2520, 其本身就是为Zig Bee技术应用而专门设计的专用芯片, 其可以进行无线发射和接收、可编程。当CC2520 作为无线通讯模块时, 内部集成的调制模块、天线驱动模块, 其可以进行幅移键控调制。
2 程序设计流程
在该室内环境监控模块中, 除了硬件设计是比较困难以外, 软件部分也起着相当大的作用, 只有通过软件部分和相应的硬件结合起来, 整个系统才能够发挥更大的作用。在整个系统中, 监测模块以及控制模块的两个控制器是最为核心的部分, 通过这样两个控制器, 才能够进行实时的无线通信, 以及室内监测模块相关信号的检测, 整个软件部分主要包括监测模块中温度、燃气浓度、甲醛浓度监测程序的设计、监测模块声光报警控制。
3 系统测试
3.1 无线通讯收发模块测试
CC2520 无线射频模块保证无障碍传输距离为75 米;为了模仿实际使用的情况, 本文也进行了有障碍无间隔情况下的传输距离测试, 测试结果如表1 所示, 传输数据设定为10 个包含50 个字节数据包。
通过上面的测试结果, CC2520 能保证有障碍情况下两点之间直接最远距离约为25 m。因此, 可以得出结论CC2520 能满足一般家居室内环境监测的数据与控制模块可靠性通讯。
3.2 温度监测模块测试
由于温度监测是使用集成模块DS18B20, 一致性是经过厂家生产得到保证, 本次测试仅保证常见温度测试, 而且在空调室内温度为25℃的环境温度内人体温度较外部环境温度较高, 用人体握住DS1820 进行升温, 人体远离DS18B20 温度显示值会下降到环境温度。由于人体温度较环境温度高, 可观察温度值显著上升。反复多次测试后, 来检测数字温度计反应和灵敏度。对系统测试过程中, 用市场上成熟且比较准确的温度计作为标本来与本文设计的数字温度模块摆放于相同的测试位置进行环境温度对比测量, 测试的次数为6 次。得到以下实验结果如表2 所示。
通过实验数据进行相关的对比分析可以得出, 本文中温度传感器DS18B20 所测得环境温度与实际温现误差的最大仅为0.3℃, 综合相关测试误差因素, 可以认为DS18B20 温度测试模块能满足室温环境的温度监控要求;另外为了确定温度测试模块的范围, 将温度传感器分别紧贴一杯冰水混合物中和一杯45℃热水中, 其可以均能正常显示为0℃和45.1℃。综上实验测试数据表明DS18B20 是能满足室内环境监测系统的温度监测需求。
3.3 燃气和甲醛浓度监测模块测试
由于实际测试环境和资源的限制, 本文设计也采用的是成熟的甲醛浓度传感器和燃气浓度传感器。本文针对然气和甲醛浓度监测主要进行功能测试, 所以然气和甲醛浓度监测相对比较简单。燃气浓度测试是将然气传感器MQ-5 放置于相对比较洁净的日常家居环境中, 系统显示的然气浓度 (ppm) 输出值为零。而当用气体打火机不打火状态下对准燃气传感器MQ-5 释放打火机内的可燃气体时, 系统燃气浓度输出值会显示接近最大值10000。因此, 燃气传感器MQ-5 能够满足室内环境监测系统中对然气浓度检测的需求。甲醛浓度模块的测试也与燃气浓度测试类似, 在空旷的室外环境中进行检测, 其甲醛浓度显示指数等于零。而将模块置于油漆以及其他甲醛含量较高的环境中, 其显示的浓度指数存在明显的变化。因此, 甲醛传感器能够满足室内环境监测系统中对甲醛浓度检测的需求。
4 结语
针对传统室内监控系统功能单一、结构简单、可靠性不高和价格昂贵的缺点, 设计并开发了一款以PIC18F258 处理器和CC2520 控制器为核心, 以Zig Bee技术为应用, 低成本、低功耗、高性能的室内环境监控系统, 实现对室内环境进行整体控制。
摘要：通过对室内环境监控具体需求的研究和分析, 对整个室内环境监控系统的总体硬件结构进行设计, 从室内环境监控模块和控制模块这样两大部分进行了设计, 室内环境监控系统的从温度传感模块、甲醛浓度传感模块、燃气浓度传感模块、声光报警模块以及电源模块进行了设计;控制模块的控制芯片则采用CC2520进行开发, 通过实际测试, 研究室内环境监控系统各个部分的性能和特性。
关键词：室内环境监控系统,ZigBee,甲醛,燃气
参考文献
[1]马天.甲醛分析仪现场检测技术[J].中国测试技术, 2005 (5)
数据传输装置 篇8
IEC 61850是由国际电工委员会颁布的应用于变电站通信网络和系统的国际标准。该标准数据模型具有的主要特点是采用面向对象的建模技术,定义了基于客户机/服务器结构数据模型。每个服务器(Server)包含1个或多个逻辑设备(Logic-Device),逻辑设备包含逻辑节点(I,ogicNode),逻辑节点包含数据对象,数据对象则包含1个或多个数据属性[1]。该标准对设备名、逻辑节点名、实例编号和数据类名建立了面向对象的命名规则;同时定义了对象之间的通信服务。数据对象包含相应的数据属性描述,如units定义了该数据对象的物理单位,因此传输和接收方不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转换等工作[2],数据具有自描述的能力。通过变电站配置语言(SCI-语言)[3]能将相关模块组织成为能独立运行的IED。该标准还设计了独立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口(ACSI),客户通过ACSI由专用通信服务映射(SC-SM)映射到所采用的具体协议栈,如制造报文规范等,以此解决了标准所需要的稳定性与未来网络技术快速发展之间的矛盾。
微机保护装置功能强大、配置灵活、集成度高,是变电站自动化系统中主要的IED[4]。本文讨论一种基于该标准的数据模型微机保护装置的实现,通过对过流保护功能的应用分析说明了该方案的可行性和先进性。
1 微机保护的架构设计
微机保护装置在运行状态下既要具有非常高的可靠性又要有很高的实时性,因此选择一个高效的操作系统非常关键。VxWorks是应用最广泛和可靠的实时操作系统,其本身的开销很小,进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效;提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占、轮转调度、二进制计数、POSIX管道等方式,充分保证了可靠的实时性;内核可根据用户实际需要进行定制和裁减(最小内核为8KB),所占空间小,非常适合IED等嵌入式产品;提供了对C/C++标准语言和其它工业标准等核心功能的支持。IEC 61850标准的数据模型是面向对象的,采用C++语言实现IED内部逻辑,而C++提供的抽象机制能被应用于对效率和可适应性具有极高要求的程序设计任务中。
1.1 架构的静态视图
图1给出了通用微机保护装置架构。配置管理工具通常是工程技术人员或用户进行工程配置、调试时使用的工具。它将不同逻辑节点向上组合成可独立运行的服务器,再由配置工具导出成配置文件(IED ConfigFile)后导入IED。
在实现IED内部功能时,软件功能主要分为:操作系统、设备驱动模块、安全模块、通信模块、数据模块、IHMI模块、任务调度模块、标准逻辑节点类库[5]、标准通用数据结构类库[6]、LC类库、通用的功能类库等。下面主要对几个和IEC 61850标准紧密结合的模块进行介绍。
1.1.1 类库
(1)标准逻辑节点类库。这个类库主要实现IEC 61850-7-4中的关于各类功能的逻辑节点,如图2所示。
(2)标准通用数据结构类库。这个类库主要实现IEC61850-7-3中描述的数据类型,即图2中的CommonDataClass。为了在实际应用中能有针对性地使用合适的数据类型,对原有数据类型进行了扩展,即图2中的Extend Data Class。例如在计量值部分,获取RMS值时只需幅值而不需角度信息。因此,可以在标准WYE类型的基础上扩展一个只有幅值的WYE类型WYE_MAG,同时定义一个
注:整体长度小子12个字母。
(3)LC类库。实际应用中,逻辑节点的部分功能是相互重复的。为符合IEC 61850标准面向对象建模的特点,应尽可能地复用一些功能,将逻辑节点进一步切分成若干LC(Logic Class)。每个LC都含自己的输入和输出。
(4)通用的功能类库。这部分主要包含定时器、逻辑门、阀值比较、延时器、通用的运算(对一组数据取均值)等。
1.1.2 类库的配置
通过配置管理工具对IED进行配置以生成IED ConfigFile,使各逻辑节点实例协同工作;而逻辑节点类型则通过相应的逻辑节点描述文件(Logic Node ConfigFile)进行定义。为此,本文引入了类SCL语言,它采用XML格式将不同功能的LC配置成一个逻辑节点。该描述文件主要分为以下几个部分。
(1)声明。声明该逻辑节点用到的LC、设定值、输入输出等。
(2)引入和导出。定义数据接口,引入其它逻辑节点输入的数据,导出其它逻辑节点需要进一步处理的数据。
Logic Node ConfigFile的基本结构如下:
1.2 架构的动态视图
1.2.1 逻辑设备间的调度机制
逻辑设备的调度顺序依赖于配置工具对用户配置的数据流转方向进行自动识别。配置工具会自动给每个逻辑设备分配一个运行iD号,获得较小ID号的逻辑设备先行被调度并产生后续逻辑设备所需数据。
1.2.2 逻辑节点间的调度机制
由于IED内部存在多个逻辑节点,各逻辑节点的响应速度不同.如保护功能通常需要在十几到几十毫秒内就要完成运算并送出动作信号.而计量功能要求不高,因此定义了一个包含2个参数(level,sequence)的调度机制来控制各逻辑节点的运行,如图3所示。level表示运行级别,值越小表示要求的调度优先级越高:sequence则表示同一个level下的逻辑节点被调度的顺序,较小的sequence值优先被调度。例如,任务A和B处于同一level,由于A的sequence LC B小,因此A将被优先调度;而任务C处于level4,其优先级比A和B都低。
1.2.3 数据流转
有了类SCL对数据的绑定还不能完全实现数据的流转,在实现LC时可选择用户控制下的观察者模式[7]。如图4所示,LC1通过setDatV)方法将输出数据放入out1,out1和in1在逻辑节点激活时已通过ref erence连接好并指向同一数据源。当in1发现对方有新数据时,立即通过notify()方法给LC2—个更新通知;但LC2不立刻作出反应,而是等待Control Centeir调度到LNi进入LC2的run()时,才去主动查询NotifyObject前是否有新数据更新通知,若有则通过getData()取回新数据进行处理。
在IED ConfigFile中可使用数据接口来配置逻辑节点及逻辑设备间的数据交换。例如,图4中的LNi需要使用LNk的输出数据,通过LNk的数据导出接口fo2(ImerfaceOut2)和LNi的数据导入接口fi2(Interfaceln2)的连接,就能实现两者的数据交换。
2 实例
图5为基于IEC 61850数据模型的过流保护装置。该保护装置包含的主要逻辑节点类型为:LLN0(逻辑零节点,代表逻辑设备的公共数据,如铭牌等)、LPHD(物理设备节点,代表物理设备的公共数据)、TCTr(电流互感器节点)、CALH(告警处理节点)、PTOC(定时限方向过流节点)、PTRC(保护跳闸条件节点)、MMXU(计量节点)和GGIO(通用过程I/O节点)等。为增强功能模块的复用性,可将物理设备划分成多个逻辑设备。
(1) LD_APP。LD_APP用于控制和表述整个物理设备的行为状态。
(2)LD_MUCurrent。由于1个TCTR逻辑节点仅表述单相TA采集的电流值,因此采用4个TCTR的实例分别表示A相、B相、C相和中性点的电流。当TA故障时将输出报警信号给LD_APP的逻辑节点CAHL1。
(3)LD_PTOC。LDPTOC用于过流保护的主功能,包含逻辑节点实例LLN0、PTOC1、PTOC2和PTRC1。LLNO控制和指示该逻辑设备的功能行为模式和状态;PTOC1和PTOC2分别用于实现第一段和第二段过流保护的逻辑判断功能。PTOC1中,LCMBH1用于控制和表示该逻辑节点(PTOC1)的行为模式和状态;LCDOCP1实现过流保护逻辑判断的主要功能。通过IEDLogic的采样值途径数据接口a、b和c传输至逻辑节点PTOC1,并最终连接到LCDOCP1的输入d上,具体配置如下。
根据给定的设定值和测量值,经LC_DOCP1进行逻辑运算后将跳闸信号通过输出e连接到数据接口f上,最终同PTOC2的跳闸信号一起到达逻辑节点PTRCI的接口g,具体配置如下。
(4)LD_OpVal。LJD_OpVal表示测量值,用于电流的监测、管理及状态估计。
(5) LD_GGIO。LD_GGIO表示物理设备的开入(BI)和开出(BO)的抽象。
配置完成后,通过配置管理工具最终导出的过流保护装置配置文件最顶层部分如下。
3 优缺点
基于IEC 61850数据模型的保护装置具有如下优势。
(1)易于内部故障诊断。可利用装置包含的大量自身描述数据来诊断其运行状态,防止内部故障时误动。
(2)提供更好的扩展支持。应用架构根据IEC61850数据模型设计可为扩展支持带来两个好处:第一,装置本身含有完整的标准数据,新增通信协议时,只需添加一个过滤机制和映射机制,把IEC 61850标准的数据映射到新的协议中即可;第二,装置内部根据功能划分为不同的逻辑模块,添加新功能时,只需添加新的逻辑模块。
(3)增强了可移植性和适用性。装置内部的软件模块间按IEC 61850协议传送数据,因而可方便地将应用层移植到新的硬件平台,这在智能变电站中尤为明显。如果一次侧TA/TV完全数字化,测量值通过通信方式获取,且TA/TV(或合并单元)发送的数据符合IEC 61850标准,那么本文设计的保护装置可方便地接入系统。此外,若集中式的继电保护平台得以推广应用,则基于该设计的保护装置应用层可以很便捷地移植到新的集中式平台上。
缺点:较传统继电保护装置,其内部传送的数据量增加,对硬件的要求高,因而加大了研发难度,增加了硬件成本。
4 结束语
本文根据lEC 61850标准数据模型设计了一个可行、高效的实现架构,基于这种架构可开发原生支持IEC61850数据模型的产品。目前,智能变电站的发展对保护装置的要求越来越高,如果只是简单地在传统继电保护装置外加装协议转换模块,势必不能满足智能变电站对保护装置数据传输的要求;而基于该模型的保护装置完整地实现了IEC 61850标准中所定义的数据量,定会凸显其在智能变电站中的应用优势。
摘要：介绍了从数据属性、数据对象、逻辑节点、逻辑设备到服务器的数据建模方案,阐述了逻辑设备及逻辑节点的调度机制,并以过流保护为例讨论了基于IEC 61850标准数据模型的微机保护装置的实现及其优缺点。
关键词：IEC,61850,数据模型,逻辑节点,调度机制,微机保护
参考文献
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[2]吴在军,胡敏强.基于IEC 61850标准的变电站自动化系统研究[J].电网技术,2003,27(10):61-65
[3]IEC 61850-6 Ed.2:Communication networks and systems for power utility automation—Part 6:Configuration description language for communication in electrical substations related to IEDs[S]
[4]高湛军,潘贞存,卞鹏,黄德斌,唐毅.基于IEC61850标准的微机保护数据通信模型[J].电力系统自动化.2003,27(18): 43-46
[5]IEC 61850-7-4 Ed.2:Communication networks and systems for power utility automation—Part 7—4:Basic communication structure—Compatible logical node classes and data classes [S]
[6]IEC 61850-7-3 Ed.2:Communication networks and systems for power utility automation—Part 7—3:Basic communication structure—Common data classes[S]
数据传输装置 篇9
普洱供电局自2009年开始研究开发研究输电线路固定翼无人机故障应急排查系统, 经过三年多的开发研究, 开发出了应用于无人机巡视输电线路的固定翼无人机线路巡视数据远程采集装置技术。该系统在固定翼无人机上安装高清照相机和摄像机, 通过地面站对无人机控制, 无人机沿输电线路进行一定高度飞行, 并对线路全线进行拍摄, 实时或后续传回图片或视频数据。工作人员对图片数据进行分析处理后, 及时发现线路存在的缺陷或故障, 大大提高了效率, 为检修及抢修赢得宝贵时间。特别当自然灾害发生时, 往往伴随交通、通讯等中断情况, 无人机系统发挥的作用将尤其重要。
固定翼无人机线路巡视数据远程采集装置通过定点摄像机角度对准故障排查点, 进入自动拍摄状态, 或在地面站手动控制进入自动拍摄模式, 并将拍摄得到的视频图像传送至地面站;能够将无人机上拍摄输电线路的视频和图片, 实时传输到地面站, 地面站能实时看到故障点的视频图像, 初步确定故障情况, 系统在控制摄像机拍摄的同时控制高清相机拍照, 无人机返回后, 查看拍摄的高清照片, 并与摄像机拍摄的视频图像对照, 为后续故障检修工作提供依据。
将固定翼无人机线路巡视数据远程采集装置装设在无人机巡检设备上作为人工巡检方式的辅助巡检手段, 正逐步在各省市推广。无人机巡检既保障了巡检人员的人身安全、提高工作效率、节省巡检费用, 又可作为应急联动系统的一部分, 尤其人员无法到达事故现场的情况, 无人机通过携带摄像机、照相机等设备, 通过无线传输技术, 将拍摄的视频实时传回地面站, 取得第一手资料, 为做出科学的应急预案提供了有利保障。
传统的输电线路巡视, 因采用人工巡检方式, 除了工作效率低, 还需要外派大批的巡检人员去一线现场进行巡视, 巡检费用高, 人员安全风险高。
采用无人机巡检系统, 只需要3~4人就可以完成无人机巡检工作, 无人机巡检成本仅为人工巡检1/10左右, 按每月每百千米可节约成本10250元计算, 每年维护3000千米线路的供电局可节约成本369万元。