一種電網智能數據處理系統的製作方法

2023-05-02 19:40:24

本實用新型涉及一種數據處理系統，具體是一種電網智能數據處理系統。

背景技術：

在電網數據處理系統中，常常需要對高速信號進行採集與處理。例如，在光傳感技術中對光脈衝散射信號的測量，在雷達工程中對電磁脈衝信號的測量等，都需要對高速信號進行採集與運算，而且此類高速信號的測量，往往對數據採集與處理系統提出嚴格的要求。現有的電網數據處理系統中，基本都是單採用DSP控制器或者單片機對數據進行處理，由於DSP或者單片機的本身硬體所限制，處理速度有限；另外還存在適用範圍窄的問題，一個電網數據處理系統只能適用於一個場合，到另外一個場合，又需要重新進行設計。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種電網智能數據處理系統，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：

一種電網智能數據處理系統，包括編程調試單元、JTAG模塊、DSP控制器、FPGA模塊和晶振及復位電路，編程調試單元通過JTAG模塊給DSP控制器設置軟體，系統上電後，DSP控制器、FPGA模塊分別由各自的FLASH加載程序，系統開始運行，信號自信號輸入端輸入，經放大電路放大後在A/D模塊完成A/D轉換，由FPGA模塊向DSP控制器發送中斷0申請信號，DSP控制器從A/D FIFO RAM模塊中讀取數據，並進行小波變換去噪處理，處理結束後DSP控制器向USB控制器發送中斷申請信號，USB控制器將處理後的數據發送至PC機，由PC機應用程式顯示數據；所述DSP控制器還分別連接接口模塊和無線模塊晶片，無線模塊晶片還連接無線通信天線；所述放大電路包括電阻R1、電容C1、三極體VT1、二極體D1和三極體VT2，所述電阻R1一端分別連接電阻R2、輸入信號Vi和三極體VT1基極，電阻R1另一端分別連接電容C1和電容C5，電容C5另一端分別連接電阻R5、二極體D1正極和電容C6，電容C6另一端分別連接輸出端Vo、三極體VT2發射極和三極體VT3發射極，三極體VT3集電極分別連接電容C2、電阻R3和電阻R2另一端並接地，電容C2另一端分別連接電阻R3另一端和三極體VT1發射極，三極體VT1集電極分別連接二極體D1負極、電容C4和三極體VT3基極，電容C4另一端分別連接電阻R5另一端、電阻R4和三極體VT2基極，三極體VT2集電極分別連接電阻R6和電源VCC，電阻R6另一端分別連接電阻R4另一端和電容C1另一端。

作為本實用新型進一步的方案：所述PC機應用程式還能夠對所述系統進行控制，具體包括：接收USB控制器處理後的數據，接收USB控制器處理前的數據，設定A/D模塊的採樣頻率和採樣點數。

作為本實用新型進一步的方案：所述DSP控制器還連接數據存儲器。

作為本實用新型進一步的方案：所述DSP控制器還連接晶振及復位電路。

作為本實用新型進一步的方案：所述DSP控制器與USB控制器之間通過兩個USB FIFO RAM模塊交換數據。

作為本實用新型進一步的方案：所述DSP控制器採用TMS320VC33。

作為本實用新型進一步的方案：所述FPGA模塊採用XC3090。

作為本實用新型進一步的方案：所述USB控制器採用AN2136SC。

作為本實用新型再進一步的方案：所述接口模塊包括數字接口、A/D接口、485接口和HART接口。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：本實用新型利用一塊超大規模現場可編程邏輯門陣列配合DSP控制器，一方面減小了PCB板的製作空間並且大大地增加了系統的可靠性；另一方面，通過FPGA與DSP聯合進行運算控制，提高了數據的傳輸速度和處理速度，進而保證了系統的實時性；增加了接口模塊，整個系統可以進行模塊化生產，適用範圍廣泛；由USB控制器完成與PC機的通信，具有熱插拔、易於使用、傳輸速率高等特點；同時增加了無線功能；整個系統構成合理、實現方法簡單、具有實用價值。

附圖說明

圖1為電網智能數據處理系統的結構示意圖。

圖2為電網智能數據處理系統中DSP控制器的程序流程圖。

圖3為電網智能數據處理系統中放大電路的電路圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，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，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，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他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

請參閱圖1～3，本實用新型實施例中，一種電網智能數據處理系統，包括編程調試單元、JTAG模塊、DSP控制器、FPGA模塊和晶振及復位電路，編程調試單元通過JTAG模塊給DSP控制器設置軟體，系統上電後，DSP控制器、FPGA模塊分別由各自的FLASH加載程序，系統開始運行，信號自信號輸入端輸入，經放大電路放大後在A/D模塊完成A/D轉換，由FPGA模塊向DSP控制器發送中斷0申請信號，DSP控制器從A/D FIFO RAM模塊中讀取數據，並進行小波變換去噪處理，處理結束後DSP控制器向USB控制器發送中斷申請信號，USB控制器將處理後的數據發送至PC機，由PC機應用程式顯示數據；所述DSP控制器還分別連接接口模塊和無線模塊晶片，無線模塊晶片還連接無線通信天線。所述PC機應用程式還能夠對所述系統進行控制，具體包括：接收USB控制器處理後的數據，接收USB控制器處理前的數據，設定A/D模塊的採樣頻率和採樣點數。所述DSP控制器還連接數據存儲器。所述DSP控制器還連接晶振及復位電路。

圖3為本實用新型的放大電路的電路圖，包括電阻R1、電容C1、三極體VT1、二極體D1和三極體VT2，所述電阻R1一端分別連接電阻R2、輸入信號Vi和三極體VT1基極，電阻R1另一端分別連接電容C1和電容C5，電容C5另一端分別連接電阻R5、二極體D1正極和電容C6，電容C6另一端分別連接輸出端Vo、三極體VT2發射極和三極體VT3發射極，三極體VT3集電極分別連接電容C2、電阻R3和電阻R2另一端並接地，電容C2另一端分別連接電阻R3另一端和三極體VT1發射極，三極體VT1集電極分別連接二極體D1負極、電容C4和三極體VT3基極，電容C4另一端分別連接電阻R5另一端、電阻R4和三極體VT2基極，三極體VT2集電極分別連接電阻R6和電源VCC，電阻R6另一端分別連接電阻R4另一端和電容C1另一端；輸入信號Vi從圖1的信號輸入端輸入，輸出端Vo連接A/D模塊。

（1）當輸入信號Vi為直流信號時，電源VCC接通後，三極體VT1、VT2和VT3並不是同時導通的，電源VCC首先經R6、R4為VT2提供基極電流而使VT2導通，VT2導通後，它的發射極電流一路經R1為VT1提供基極電流而使VT1導通，VT1導通後，VT3的基極電流才能通過VT1的C-E極、R3到地而導通，從而使VT3導通，輸出端Vo輸出放大的直流信號。

（2）當輸入信號Vi為交流信號時，交流信號送到VT1基極，放大後從集電極輸出，由於集電極和基極是反相關係，所以VT1集電極輸出的信號與基極信號極性相反，當Vi正半周信號經VT1放大後，從集電極輸出變為負半周信號，該信號使A點電壓下降，經D1和R5後，B點電壓也下降，VT2截止，A點電壓下降會使VT3導通程度深，進入正常放大狀態，有放大的電流從輸出端Vo輸出；Vi的負半周信號流程與上述流程類似，所以，當Vi的正負半周信號加入電路時，VT2和VT3交替工作，有完整的放大的信號從輸出端Vo輸出。

本系統使用的DSP控制器為TI（德州儀器）公司的TMS320VC33，它是TI公司推出的性價比極高的32位浮點型數位訊號處理晶片，是目前在國內外使用最為廣泛的浮點DSP之一。

TMS320VC33具有以下特點：哈佛結構；流水線操作；專用的硬體乘法器；特殊的DSP指令；快速的指令周期。另外，TMS320VC33還具有強大的浮點運算能力，運算速度可達150MFLOPS（每秒百萬次浮點運算），處理能力達到75MIPS（每秒百萬次指令周期）。而且，它還採用3.3V I/O電壓和1.8V處理器核電壓使功耗降低到200mW。

DSP控制器的電路設計主要是為TMS320VC33的外圍電路設計。TMS320VC33的STRB0和引腳分別連接數據存儲器的片選和使能引腳，實現數據存儲器的擴展，TMS320VC33的INT2引腳接到低電平，實現上電後程序自加載；由TMS320VC33的TMS、TDI、TDO、TCK、EMU0、EMU1等引腳組成程序下載口，以方便DSP控制器的程序調試。

本實用新型系統帶有接口模塊，接口模塊包括數字接口、A/D接口、485接口和HART接口，通過這些接口使本實用新型具備很強的通用性，很多需要處理的數據只需要接入這些相應的接口中，即可進行相應的處理，並在PC機輸出相應的處理結果。

因為本系統的邏輯比較複雜，為了有效地減少硬體的體積、提高硬體系統的可靠性，這裡把所有的邏輯控制電路、各種存儲器的地址解碼電路都用一塊超大規模現場可編程邏輯門陣列（FPGA）XC3090來實現。邏輯控制電路包括：命令寄存器、採樣點數/採樣頻率設定寄存器、中斷申請信號發生器、將A/D結果寫入FIFO RAM的控制電路、USB及其FIFO和A/D FIFO狀態檢測電路。

TMS320VC33與USB控制器AN2136SC之間通過兩個USB FIFO RAM模塊交換數據,握手信號使用AN2136SC的PC口，當USB為接收緩衝器時,DSP控制器讀，AN2136SC寫；當USB為發送緩衝器時,DSP控制器寫,AN2136SC讀。PC機用作二者的讀寫通道，方向可編程確定；PC機用於TMS320VC33向AN2136SC申請中斷；PC機用於AN2136SC復位USB接收緩衝器；PC機用於USB接收器滿標誌,若接收器已滿則禁止AN2136SC進一步對USB接收緩衝器寫入；PC機用於USB發送緩衝器空標誌,若緩衝器已空則禁止AN2136SC進一步對USB發送緩衝器讀出。

TMS320VC33處理後的數據還能夠通過無線模塊晶片以及無線通信天線發送到外部的無線終端，實現無線功能。

系統軟體主要包括五大部分：DSP程序（用於A/D採樣控制、數據處理、DSP與USB總線之間的信息交換）、USB總線驅動程序、USB固件程序（用於PC機與DSP之間的數據交換與處理）、PC機應用程式、FPGA中對地址的解碼程序和各個寄存器的實現程序。

DSP程序首先對DSP控制器進行初始化（中斷初始化、片外選通信號初始化、設定系統默認的採樣點數/採樣頻率等），然後等待中斷（中斷0的程序主要用於對A/D數據的讀取和處理，並向PC機發送處理後的數據；中斷1的程序主要用於分析PC機的命令，針對PC機的命令設定系統的採樣點數/採樣頻率，並發送PC機需要的數據），如圖2所示。

USB固件程序代碼由USB晶片集成的加強型8051單片機處理。當EZ-USB設備連接到USB口時，主機進行總線枚舉，首先根據設備ID使用系統程序將固件下載到晶片內部，然後進行重枚舉，固件作為用戶的功能設備開始執行。CYPRESS公司提供的固件程序框架，用來完成控制傳輸工作和大部分的數據傳輸工作。本接口電路的固件程序就是基於此固件框架開發的，並使用Keil C進行編譯。

PC機應用程式為了實現與驅動程序的通信，應用程式首先創建一個事件和一個線程，然後將事件句柄傳遞給WDM，用線程等待WDM發送的事件消息，接收到事件消息後，就讀取驅動程序的數據，顯示數據。

在WINDOWS中，Win32應用程式調用的API函數有五個：CreateFile、ReadFile、WriteFile、DeviceIoControl和CloseHandle。

應用程式為打開一個WDM設備驅動程序，使用CreateFile函數。它的第一個參數是一個符號連結名。如果用DriverWorks創建一個WDM驅動程序，通常會用類KUnitizedName生成一個設備符號連結名。這個名字的後面有一個數字，一般是一個0。例如，若符號連結名為L「USBDevice」，則傳遞給CreateFile的是「.USBDevice0」。

一旦應用程式獲得設備的有效句柄，它就能夠調用Win32函數，這將產生對應於此設備對象的相應的IRP，發送給驅動程序，完成相應功能。

綜上所述，本實用新型利用一塊超大規模現場可編程邏輯門陣列配合DSP控制器，一方面減小了PCB板的製作空間並且大大地增加了系統的可靠性；另一方面，通過FPGA與DSP聯合進行運算控制，提高了數據的傳輸速度和處理速度，進而保證了系統的實時性；增加了接口模塊，整個系統可以進行模塊化生產，適用範圍廣泛；由USB控制器完成與PC機的通信，具有熱插拔、易於使用、傳輸速率高等特點；同時增加了無線功能；整個系統構成合理、實現方法簡單、具有實用價值。

對於本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本實用新型的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本實用新型的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本實用新型內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。