一種可攜式多功能數據記錄儀的製作方法
2023-09-16 20:31:20
專利名稱：一種可攜式多功能數據記錄儀的製作方法
技術領域：
本實用新型應涉及一種可攜式多功能數據記錄儀。
背景技術：
發電廠在新機組投運或機組檢修後重新起動前，需對鍋爐、汽機、發電機等進行一系列的試驗，以檢測機組的狀態和各項參數是否達到要求。發電機組在投運後，也需要對機組的狀態進行監測，在機組出現問題時應對故障前後的波形進行錄製，以分析並查找故障原因。現有的故障錄波裝置可在機組故障時錄製波形，但對汽機試驗，因汽門及閥門信號的頻率較高(達2K)，目前需高速數據記錄儀來完成，而高速數據記錄儀是一種通用型設備，並沒有針對汽機試驗做出專門處理，如不能自動起動，不能計算汽門關閉時間，而需手動測量，因此發電機起機過程中需要錄波儀與高速數據記錄儀配合完成發電機起機的數據記錄功能。因此開發一種集錄波功能及汽機試驗功能為一體的高速數據採集裝置是有必要的。
實用新型內容基於以上不足之處，本實用新型應公開一種可攜式多功能數據記錄儀，應用於電力及發電廠場所，在發電機起機及正常運行時，本記錄儀能自動完成發電機、汽機數據記錄和分析，汽機試驗數據記錄、分析和計算。
本實用新型採用如下技術:一種可攜式多功能數據記錄儀，包括DSP採集板、PC104主板、顯示單元、數據存儲單元、多個模擬量採集單元、開關量單元和電源單元，多個模擬量採集單元和開關量單元通過背板總線與DSP採集板連接，DSP採集板與PC104主板連接，PC104主板分別與顯示單元和數據存儲單元連接，電源單元為本記錄儀供電，所述的DSP採集板包括多個A/D晶片、DSP晶片、FPGA晶片和雙口 RAM，每個A/D晶片與一路模擬量採集單元連接，開關量單元通過光電耦合器與FPGA晶片連接，多個A/D晶片與FPGA晶片連接，FPGA晶片與DSP晶片連接，FPGA晶片與雙口 RAM連接；多個模擬量信號:包括交流電壓、交流電流、直流電壓和直流電流，由多個模擬量採集單元處理後輸入到背板總線，開關量信號由開關量單元處理後輸入到背板總線，多個模擬量信號和開關量數據經背板後到達DSP採集板；由DSP採集板負責完成模擬量和開關量信號的高頻採集，採集後數據存放到DSP採集板上的雙口 RAM中，由PC104主板通過PC104總線接口讀取雙口 RAM中的數據，實現數據交互。本實用新型還具有如下特徵:以上所述的DSP晶片為計算核心，FPGA晶片為邏輯控制核心，由FPGA晶片控制4片8通道16位同步採樣A/D晶片，最高以100k/s的採樣速率同步採樣模擬量通道數據，由DSP晶片完成模擬量信號的幅值和相角參數的計算。本數據記錄儀可通過主汽門或閥門動作信號觸發數據記錄，自動記錄主汽門和調節閥門動作波形，並分析計算出動作時間、延遲時間等參數。本實用新型採集頻率高，可實現多通道同步100K/S頻率採樣，計算精度高，精度可達0.2%。電氣結構簡潔可靠，採集測量通道數量多。計算及分析完全自動完成，節省人力，提高效率。
圖1為本數據記錄儀原理圖框圖；圖2為交流電壓採集通道電路原理圖；圖3為開關量通道電路原理圖；圖4為DSP數據採集單元原理框圖。
具體實施方式
下面舉例對本實用新型做進一步解釋:實施例1本實施例在技術上採用了以下技術解決方案:一種可攜式多功能數據記錄儀，包括DSP採集板1、PC104主板2、顯示單元5、數據存儲單元7、4個模擬量採集單元4、開關量單元9和電源單元3，4個模擬量採集單元4和開關量單元9通過背板總線與DSP採集板I連接，DSP採集板I與PC104主板2連接，PC104主板2與數據存儲單元7連接，PC104主板2通過LVDS線與顯示單元5連接，電源單元為3本記錄儀供電，所述的DSP採集 板I包括4個A/D晶片12、DSP晶片10、FPGA晶片11和雙口 RAM8，每個A/D晶片12與一路模擬量採集單元4連接，開關量單元9通過光電耦合器與FPGA晶片11連接，4個A/D晶片12與FPGA晶片11連接，FPGA晶片11與DSP晶片10連接，FPGA晶片11與雙口 RAM8連接；多個模擬量信號:包括交流電壓、交流電流、直流電壓和直流電流，由4個模擬量採集單元4處理後輸入到背板總線，開關量信號由開關量單元處理後輸入到背板總線，4個模擬量信號和開關量數據經背板後到達DSP採集板I ;由DSP採集板I負責完成模擬量和開關量信號的高頻採集，採集後數據存放到DSP採集板上I的雙口RAM8中，由PC104主板2通過PC104總線接口 13讀取雙口 RAM8中的數據，實現數據交互。PC104主板2開有外部通訊接口 6。所述的DSP晶片為計算核心，FPGA晶片為邏輯控制核心，由FPGA晶片控制4片8通道16位同步採樣A/D晶片，最高以100k/s的採樣速率同步採樣模擬量通道數據，由DSP晶片完成模擬量信號的幅值和相角參數的計算。DSP採集板負責完成模擬量信號、開關量信號高速採樣和計算，PC104主板負責數據存貯、人機界面處理及錄波邏輯和試驗數據記錄和分析等功能，PC104主板通過總線和共享RAM與DSP數據採集單元間進行通信。DSP數據採集單元採用了 DSP+FPGA為核心的設計，為實現多通道同步採樣及高精度A/D轉換，單元採用多通道同步採樣A/D晶片。為實現多通道同步採樣及高速數據採集，由FPGA實現對多個A/D晶片同步採樣的控制及採樣數據的讀取。A/D晶片的採樣速度達至IJ100K/S，即每IOus採樣一批通道數據，如果DSP採用每採樣一次中斷一次的方式，則中斷信號的處理會佔用DSP的大部分時間，並且可能會丟失個別中斷響應。因此，採樣數據先由FPGA讀取並緩存，在FPGA內部設有兩個桌球緩衝區，每一緩衝區為4k字節，兩個緩衝區交替工作。FPGA負責高速A/D採樣及開關量採樣，採樣後的數據依次保存到緩衝區中，每採樣Ims後，向DSP發出DMA (直接數據傳送)請求，由DSP通過DMA方式讀取緩衝區數據，在DSP讀取緩衝區數據的同時，FPGA繼續控制採集，其採樣數據保存到另一個緩衝區中。DMA數據傳輸是由DSP的DMA控制器控制直接在FPGA和DSP內存間進行批量數據傳輸，不佔用DSP程序時間，傳輸效率高，Ims的採樣數據(8通道lOOk/s，24通道lOk/s)在IK字左右，其傳輸時間小於50uS。DSP採集數據後，對數據進行運算、計算出幅值、相角等數據，將採樣數據及計算數據保存到共享RAM中。為實現PC104對共享RAM的讀寫，由FPGA內部實現了 PC104總線(即ISA總線)控制接口。PC104主板是一個完整的嵌入式計算機，板上集成有CPU、內存、電子硬碟等，在主板上安裝的作業系統為Windows系統。裝置上位機軟體為Windows軟體,軟體人機界面豐富，易於學習和接受。實施例21.DSR-1000型可攜式多功能數據記錄儀的物理結構，本裝置安裝在一個4U高度的金屬箱內，箱內安裝有電源插件、管理和數據採集插件、開關量插件、模擬量插件，機箱內安有背板，在機箱的前面板上安裝有液晶顯示器。各部分的功能如下:(1.1)、電源插件，輸入交流220V或直流電源220V，輸出各插件和模塊使用的電源到背板總線上，包括24V，±15V，12V，5V電源信號。(1.2)、管理+數據採集插件，包括DSP採集板和管理主板，兩者間通過PC104座插接，完成數據採集、計算、數據顯示、波形顯示、錄波、試驗記錄與分析等功能，是整個裝置的核心。(1.3)、開關量插件，完成開關量信號的隔離輸入及開關量輸出功能。(1.4)、模擬量插件，完成模擬量信號隔離變換輸入功能。2.裝置的總體原理，圖1說明了裝置的總體原理，模擬量信號(包括交流電壓、交流電流、直流電壓、直流電流)由模擬量插件處理後輸入到背板總線，開關量信號由開關量插件處理後輸入到背板總線，模擬量信號和開關量數據經背板後到達DSP板。由DSP負責完成模擬量和開關量信號的高頻採集，採集後數據存放到DSP板上的共享RAM中，由管理單元板上的PC104主板讀取。3.模擬量信號處理，圖2說明交流電壓信號處理原理，交流電壓信號經電壓互感器隔離變換後，轉變為mA級電流信號，經放大電路和濾波電路轉換成O 5V的信號，再經背板輸入到DSP板上的A/D晶片模擬量輸入腳。4.開關量信號處理，圖3所示，無源開關量信號輸入處理原理，當外部開關量信號閉合裝置提供的24V電源經外部開關量信號加入到輸入光耦，使光耦導通，開關量KRl輸出為高電平，外部開關量信號不導通時，KRl輸出低電平。5.DSP板原理，圖4所示，DSP採集板的原理，A/D晶片採用16位8通道同步採樣晶片AD7606，其最高採樣頻率可達200K/S，由FPGA晶片發由100K/S的採樣轉換啟動脈衝到4片A/D，啟動6片A/D同時開始轉換。所有晶片A/D轉換完成後，發出中斷信號，由FPGA讀取A/D晶片轉換數據(32路)及開關量輸入數據，並保存到內部的當前數據緩衝區中。數據採樣時間達到Ims後， 由FPGA向DSP申請DMA傳輸，同時FPGA讀取的A/D數據開始保存到另一個緩衝區。DSP接收到DMA傳輸請求後，由DMA控制器啟動批量數據讀取，只需50us左右的時間，即可讀取完FPGA傳輸緩衝區的數據，為FPGA準備好下一次數據傳輸。DSP讀取數據並進行計算後，將波形數據和計算數據傳輸到雙口 RAM。雙口 RAM也採用雙緩衝機制，即一個用於保存當前採樣數據，另一個用於PC104讀取數據。數據記憶量每達到20ms向PC104申請一次數據讀取中斷，由PC104讀取雙口 RAM當前緩衝區內的數據。6.管理主板工作原理，管理主板上裝有PC104主板及電子硬碟，PC104採用嵌入式工控主板，主板採用高性能、低功耗CPU，主板上無風扇，硬碟採用電子硬碟，其可靠性更高。PC104通過PC104接口插接到DSP板上的PC104接口上，與DSP板間數據交換通過PC104總線進行。7.PC104軟體包括驅動軟體、在線監測軟體、數據分析軟體、試驗軟體等，主要完成以下功能:(7.1)、PC104主板與DSP採集板間通過PC104總線進行數據交互，需編寫Windows設備驅動程序。驅動程序採用WDM模型編寫，實現了實時管理、實時採集DSP採集板的數據。(7.2)、實時顯示模擬量通道信號波形、模擬量信號曲線趨勢圖、模擬量幅值、模擬量相角(交流量)、開關量狀態等。(7.3)、按設定的採樣頻率記錄穩態波形數據，並記錄下擾動信息及順序事件信
肩、O(7.4)、檢查各種故障判據，當起動元件滿足條件，起動故障錄波，錄製故障前後的波形，同時發出報警提示信號。(7.5)、提供數據分析軟體，以分析穩態波形數據及暫態波形數據，分析軟體可計算頻率或時間，分析諧波含量並顯示諧波分布圖、分析矢量圖。 (7.6)、自動記錄汽機試驗數據並計算分析，汽門關閉時間測試和計算，主汽門及調節閥門的動作時間一般為幾百毫秒，另外其行程信號可能是頻率達2K的信號，因此其測量需高頻信號通道，其採集頻率達100K/S，程序根據主汽門開關接點自動啟動汽門動作錄波，無需手工去捕獲信號，錄製波形後由分析軟體自動或手動計算出，汽門操作延遲及汽門閉合時間等參數。本實用新型採用16位多通道同步A/D晶片，結合DSP技術和FPGA技術，採集頻率高，可實現多通道同步100K/S頻率採樣，計算精度高，精度可達0.2%0採用背插式結構，4U高度19寸機箱設計，電氣結構簡潔可靠，採集測量通道數量多，可達32路模擬量和24路開關量。採用PC104主板作為主機，運行Windows作業系統，軟體界面豐富，功能強，易於學習和操作。同時支持故障錄波和汽機試驗功能。汽機試驗數據記錄、計算及分析完全自動完成，節省人力，提高效率。
權利要求1.一種可攜式多功能數據記錄儀，包括DSP採集板、PC104主板、顯示單元、數據存儲單元、多個模擬量採集單元、開關量單元和電源單元，其特徵在於:多個模擬量採集單元和開關量單元通過背板總線與DSP採集板連接，DSP採集板與PC104主板連接，PC104主板分別與顯示單元和數據存儲單元連接，電源單元為本記錄儀供電，所述的DSP採集板包括多個A/D晶片、DSP晶片、FPGA晶片和雙口 RAM，每個A/D晶片與一路模擬量採集單元連接，開關量單元通過光電耦合器與FPGA晶片連接，多個A/D晶片與FPGA晶片連接，FPGA晶片與DSP晶片連接，FPGA晶片與雙口 RAM連接；多個模擬量信號:包括交流電壓、交流電流、直流電壓和直流電流，由多個模擬量採集單元處理後輸入到背板總線，開關量信號由開關量單元處理後輸入到背板總線，多個模擬量信號和開關量數據經背板後到達DSP採集板；由DSP採集板負責完成模擬量和開關量信號的高頻採集，採集後數據存放到DSP採集板上的雙口RAM中，由PC104主板通過PC104總線接口讀取雙口 RAM中的數據，實現數據交互。
2.如權利要求1所述的一種可攜式多功能數據記錄儀，其特徵在於:所述的DSP晶片為計算核心，FPGA晶片為邏輯控制核心，由FPGA晶片控制4片8通道16位同步採樣A/D晶片，最高以lOOk/s的採樣速率同步採樣模擬量通道數據，由DSP晶片完成模擬量信號的幅值和相角參數的計 算。
專利摘要一種可攜式多功能數據記錄儀，包括DSP採集板、PC104主板、顯示單元、數據存儲單元、多個模擬量採集單元、開關量單元和電源單元，多個模擬量採集單元和開關量單元通過背板總線與DSP採集板連接，DSP採集板與PC104主板連接，PC104主板分別與顯示單元和數據存儲單元連接，電源單元為本記錄儀供電，所述的DSP採集板包括多個A/D晶片、DSP晶片、FPGA晶片和雙口RAM，開關量單元通過光電耦合器與FPGA晶片連接，多個A/D晶片與FPGA晶片連接，FPGA晶片與DSP晶片連接，FPGA晶片與雙口RAM連接。本記錄儀具有計算精度高，電氣結構簡潔可靠，採集測量通道數量多的優點。
文檔編號G05B19/042GK203117711SQ20132016508
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者孟凡利, 吳明柱 申請人:哈爾濱信洋電氣技術有限公司