基於fpga和rs485通信的tsc系統的製作方法

2023-07-10 09:36:01

基於fpga和rs485通信的tsc系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了基於FPGA和RS485通信的TSC系統，包括：投切系統、TSC_DSP控制器和485總線，投切系統是由一個或多個容量等級的投切單元並聯，投切系統通過485總線與TSC_DSP控制器連接，TSC_DSP投切電容器包括數位訊號處理器和485接口，投切單元由485接口和投切模塊組成，投切模塊的控制端包括FPGA晶片、光耦合器組和485晶片，RS485晶片和FPGA晶片的內部分別設置有線路驅動器和異步通訊串口邏輯電路，投切單元的內部設置有監測元件。通過上述方式，本實用新型基於FPGA和RS485通信的TSC系統具有對TSC中的投切單元進行檢測和監控、加密和提高無功補償的精度的優點。
【專利說明】基於FPGA和RS485通信的TSC系統

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及RS485通信技術和動態無功補償領域，特別是涉及一種基於FPGA和RS485通信的TSC系統。

【背景技術】
[0002]晶閘管投切電容器(TSC)是動態無功補償設備，一般情況下，晶閘管投切電容器多採用在其控制器上輸出高低電平來控制投切模塊的投入與切除，雖然這種方法能夠很好的針對電網進行動態補償無功的目的，但是卻不能檢測投切單元的運行狀態以及監控投切模塊看，給電網的動態無功補償造成了使用上的不便性和不可預見性。
[0003]另外，由於485接口在總線上可以連接多個收發器，而採用FPGA和光耦合器可以實現對投切單元的單向控制，因此單個控制晶片通過485通信技術可與多路並聯的FPGA晶片進行485總線連接通信，單個控制最終通過FPGA對投切單元實行單向控制和監測，但是這種方式目前為止還沒有相關的研究和推廣。


【發明內容】

[0004]本實用新型主要解決的技術問題是提供一種基於FPGA和RS485通信的TSC系統，通過對每個投切模塊設置系統內唯一的485設備地址，控制器可以通過485總線發出投切指令幀來控制投切系統內所有的投切單元，投切模塊根據接收到的指令控制晶閘管的投切；控制器也可以發出模塊狀態查詢指令幀，模塊將狀態信息數據返回控制器以實現對投切單元的監測；控制器還可以通過485通信總線發送模塊運行授權碼進行通信加密。
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型採用的一個技術方案是:提供一種基於FPGA和RS485通信的TSC系統，包括:投切系統、TSC_DSP控制器和485總線，所述投切系統是由一個或多個容量等級的投切單元並聯組合而成，所述投切系統通過485總線與所述TSC_DSP控制器相連接，所述TSC_DSP控制器為TSC_DSP投切電容器的控制端，所述TSC_DSP投切電容器為集成有數位訊號處理器DSP和485接口的晶閘管投切電容器，所述投切單元由485接口和投切模塊組成，所述485接口的輸出端連接所述投切模塊的控制端和其探測模塊，所述控制端由FPGA晶片、光耦合器組和485晶片組成，所述探測模塊的輸出信息經整形和採集後輸入FPGA晶片的控制模塊，所述RS485晶片的內部設置有線路驅動器，所述FPGA晶片的內部設置有異步通訊串口 UART邏輯電路，所述異步通訊串口 UART邏輯電路通過光耦合器組與所述RS485晶片相連接，所述投切單元的內部還設置有I個或多個監測元件，所述監測元件是基於FPGA晶片支持的參數測量器件。
[0006]在本實用新型一個較佳實施例中，所述光耦合器組由單通道光耦合器a、單通道光耦合器b和單通道光耦合器c組成，所述單通道光耦合器a連接線路驅動器的使能埠 DE/R，所述單通道光耦合器b作為發送端與線路驅動器的D端連接，所述單通道光耦合器c作為接收端與線路驅動器的R端連接。
[0007]在本實用新型一個較佳實施例中，所述單通道光耦合器a、b、c均為單通道高速光耦合器6N137。
[0008]在本實用新型一個較佳實施例中，所述線路驅動器採用通訊片SN75176。
[0009]本實用新型的有益效果是:本實用新型基於FPGA和RS485通信的TSC系統通過對每個投切模塊設置系統內唯一的485設備地址，控制器可以通過485總線發出投切指令幀來控制投切系統內所有的投切單元，通過指令控制晶閘管的投切，還可以通過發送模塊狀態查詢指令幀來實現對投切單元的監測；還可以通過485通信總線發送模塊運行授權碼進行通信加密；通過監測的設置還可以提高動態無功補償的精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中:
[0011]圖1是本實用新型TSC控制器與投切單元通過RS485總線連接形成投切系統的一較佳實施例的結構框圖；
[0012]圖2是圖1中投切模塊內部的RS485通信結構示意圖；
[0013]圖3是RS485通信電路原理圖；
[0014]圖4是線路驅動器SN75176邏輯圖。
[0015]附圖中各部件的標記如下:1、投切單元，2、TSC_DSP控制器，3、485接口，4、485總線，5、485晶片，6、FPGA晶片，7、光耦合器。

【具體實施方式】
[0016]下面將對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0017]請參閱圖1至圖4，本實用新型實施例包括:
[0018]一種基於FPGA的RS485通信方法，包括以下操作步驟:
[0019]I) TSC_DSP控制器2中的應用通過DSP發出控制投切系統的投切指令，將投切指令轉化成脈衝信號並發送；TSC_DSP控制器2對接收的脈衝信號進行解析；
[0020]2) TSC_DSP控制器2將脈衝信號轉換成差分信號並發送至485接口 3 ；TSC_DSP控制器2接收差分信號，且將接收的差分信號轉換成脈衝信號並發送至TSC_DSP控制器2 ；
[0021]3) 485接口 3將差分信號通過485總線4進行傳輸；
[0022]4)投切系統通過485接口 3對差分信號進行接收或發送；
[0023]5)485晶片5通過線路驅動器將差分信號轉換成脈衝信號，將脈衝信號通過光耦合器7發送至異步通訊串口 UART邏輯電路；485晶片5通過線路驅動器將接收的脈衝信號轉換成適用於485總線4傳輸的差分信號，將差分信號通過光耦合器7發送至485接口 3 ;
[0024]6)異步通訊串口 UART邏輯電路識別接收的脈衝信號，並將其發送至FPGA，FPGA讀取數據並將其變成控制指令轉發至監測元件；FPGA通過串並轉換和奇偶校驗將接收模塊參數數據轉換成連續串行脈衝信號發送至485晶片5 ；
[0025]異步通訊串口 UART邏輯電路將差分信號通過光耦合器7發送至異步通訊串口UART邏輯電路；
[0026]7)監測元件執行控制指令；監測元件對投切模塊進行數據採集並將其整理成模塊參數數據發送至所述FPGA晶片6。
[0027]步驟(I)中所述投切指令包括針對每一個投切單元I的單個指令,還包括一個或多個投切模塊運行的授權碼，所述投切指令為脈衝信號；
[0028]步驟(8)中監測元件對投切模塊進行的監測項目包括查詢投切模塊的狀態、偵測投切模塊的功率、故障狀態、查詢投切模塊的溫度、查詢投切模塊的風扇轉速和設置投切模塊的控制字。
[0029]所述投切指令由兩個字節組成，第一個字節為地址字節，用於尋址特定的投切單元I，所述地址字節為000+地址(5位)，第二個字節為指令字節，用於控制投切單元I或者查詢投切單元I狀態數據，所述指令字節為001+指令(5位)，FPGA根據不同的指令幀，返回一個或多個字節數據；
[0030]所述模塊參數數據的格式為01+數據(6位)，其中功率數據的格式為1+數據(7位)；指令協議見表1，表2為指令意義索引表。
[0031]一種TSC系統，包括:投切系統、TSC_DSP控制器2和485總線4，所述投切系統是由一個或多個容量等級的投切單元I並聯組合而成，所述投切系統通過485總線4與所述TSC_DSP控制器2相連接，所述TSC_DSP控制器2為TSC_DSP投切電容器的控制端，所述TSC_DSP投切電容器為集成有數位訊號處理器DSP和485接口 3的晶閘管投切電容器，所述投切單元I由485接口 3和投切模塊組成，所述485接口 3的輸出端連接所述投切模塊的控制端和其探測模塊，所述控制端由FPGA晶片6、光耦合器7組和485晶片5組成，所述探測模塊的輸出信息經整形和採集後輸入FPGA晶片6的控制模塊，所述RS485晶片5的內部設置有線路驅動器，所述FPGA晶片6的內部設置有異步通訊串口 UART邏輯電路，所述異步通訊串口 UART邏輯電路通過光耦合器組7與所述RS485晶片5相連接，所述投切單元I的內部還設置有I個或多個監測元件，所述監測元件是基於FPGA晶片6支持的參數測量器件。
[0032]TSC系統中各器件的應用:
[0033]所述TSC_DSP控制器2用於通過數位訊號處理器DSP計算並發出控制指令，所述TSC_DSP控制器2還用於接收包含模塊參數數據的連續串行脈衝信號；
[0034]所述異步通訊串口 UART邏輯電路在FPGA內設計實現，所述RS485晶片5與所述異步通訊串口 UART邏輯電路相連接；
[0035]所述RS485晶片5用於通過線路驅動器實現單通道的輸入和輸出控制；
[0036]所述FPGA晶片6用於控制與其對應連接的單個投切單元I的投入與切除，所述FPGA晶片6還用於實現信息交換和信息採集的邏輯控制，所述FPGA晶片6對信號進行串並轉換和奇偶校驗；所述FPGA通過異步通訊串口 UART邏輯電路對脈衝信號進行識別；所述FPGA晶片6通過3個管腳進行RS485通信，所述3個管腳分別為RX、TX、RD,所述RX為接收埠，所述TX為發送埠，所述RD為總線控制埠 ；
[0037]所述光耦合器7組用於對FPGA的收發數據進行隔離；
[0038]所述線路驅動器用於將接收到的脈衝信號轉換成所述485總線4上的差分信號，所述線路驅動器還用於將所述485總線4上的差分信號轉換成脈衝信號供給FPGA晶片6和TSC_DSP控制器2進行識別；
[0039]所述485接口 3用於接收和發送差分信號；
[0040]所述485總線4用於傳輸差分信號；
[0041]所述監測元件用於執行控制指令，所述監測元件還用於採集投切模塊的參數並整理成模塊參數數據發送至所述FPGA晶片6。
[0042]所述光耦合器7組由單通道光耦合器7a、單通道光耦合器7b和單通道光耦合器7c組成，所述單通道光耦合器7a連接線路驅動器的使能埠 DE/R，所述單通道光耦合器7b作為發送端與線路驅動器的D端連接，所述單通道光耦合器7c作為接收端與線路驅動器的R端連接。
[0043]所述單通道光耦合器7a、b、c均為單通道高速光耦合器76N137。
[0044]所述線路驅動器採用通訊片SN75176。
[0045]所述FPGA晶片6的串口比特率為2Mbit/s。
[0046]所述TSC_DSP控制器2中設置有應用，所述應用被定義為上層通訊協議，所述應用包含有投切指令、狀態查詢命令、模塊版本號查詢、發送控制字、獲取錄波數據、發送授權碼和偶校驗功能，所述錄波數據命令使用CRC校驗。
[0047]表1:
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[0050]表2:
[0051] 內容意義
ADDR地址
SWABC三相可控矽投入(I)或切除(O)
EN投切使能，判斷條件:控制器使能&& (!電抗器過溫)&&
(!模塊欠壓)
ASA相可控矽狀態
BSB相可控矽狀態
CSC相可控矽狀態
OT電抗器過溫
RES保留位
TMP7bits溫度(最高位為1)，0-127°C,步長1°C;
SPD7bits 轉速(最高位為 1)，0-4064RPM,步長 32RPM;
SWX開關命令，SW, A..C
SGX符號，SIGN，A..C
ZCX過零，ZC，A..C
DlX驅動 1，DRVl，A..C
D2X驅動 2，DRV2，A..C
INT時間間隔，每單位lOOus。
AUT授權位(1，授權成功；O，授權失敗)；
[0052]本實用新型基於FPGA的RS485通信方法在TSC中應用的有益效果是:
[0053]一、通過對每個投切模塊設置系統內唯一的485設備地址，控制器可以通過485總線發出投切指令幀來控制投切系統內所有的投切單元，通過指令控制晶閘管的投切，還可以通過發送模塊狀態查詢指令幀來實現對投切單元的監測；還可以通過485通信總線發送模塊運行授權碼進行通信加密；通過監測的設置還可以提高動態無功補償的精度。
[0054]二、與一般的晶閘管投切電容器及其控制系統相比具有功能擴展，無功補償的精度提高以及加密的特點，適合進行工業化推廣使用，尤其是特殊場合的使用。
[0055]以上所述僅為本實用新型的實施例，並非因此限制本實用新型的專利範圍，凡是利用本實用新型說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的方法領域，均同理包括在本實用新型的專利保護範圍內。
【權利要求】
1.一種基於FPGA和RS485通信的TSC系統，其特徵在於，包括:投切系統、TSC_DSP控制器和485總線，所述投切系統是由一個或多個容量等級的投切單元並聯組合而成，所述投切系統通過485總線與所述TSC_DSP控制器相連接，所述TSC_DSP控制器為TSC_DSP投切電容器的控制端，所述TSC_DSP投切電容器為集成有數位訊號處理器DSP和485接口的晶閘管投切電容器，所述投切單元由485接口和投切模塊組成，所述485接口的輸出端連接所述投切模塊的控制端和其探測模塊，所述控制端由FPGA晶片、光耦合器組和485晶片組成，所述探測模塊的輸出信息經整形和採集後輸入FPGA晶片的控制模塊，所述RS485晶片的內部設置有線路驅動器，所述FPGA晶片的內部設置有異步通訊串口 UART邏輯電路，所述異步通訊串口 UART邏輯電路通過光耦合器組與所述RS485晶片相連接，所述投切單元的內部還設置有I個或多個監測元件，所述監測元件是基於FPGA晶片支持的參數測量器件。
2.根據權利要求1所述的TSC系統，其特徵在於，所述光耦合器組由單通道光耦合器a、單通道光耦合器b和單通道光耦合器c組成，所述單通道光耦合器a連接線路驅動器的使能埠 DE/R，所述單通道光耦合器b作為發送端與線路驅動器的D端連接，所述單通道光耦合器c作為接收端與線路驅動器的R端連接。
3.根據權利要求2所述的TSC系統，其特徵在於，所述單通道光耦合器a、b、c均為單通道高速光耦合器6N137。
4.根據權利要求1或2所述的TSC系統，其特徵在於，所述線路驅動器採用通訊片SN75176。
【文檔編號】H02J3/18GK203933026SQ201420271479
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】劉金虹, 張風, 趙洋, 宗玲 申請人:上海雙電電氣有限公司