基於fpga的高速電壓電流模擬量採集系統的製作方法

2023-05-27 14:46:51

專利名稱：基於fpga的高速電壓電流模擬量採集系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及數據採集技術領域，具體涉及到高電壓和電流信號處理及採集技木。
背景技術：
油田系統中常用設備超聲波增油系統在使用過程中，需要對其工作的電壓和電流進行檢測，但是，現有市場上的電壓/電流檢測設備中，有些採集速度不夠，有些無法實現高電壓採集，有些不具有高速的數據傳輸接ロ，沒有能夠適用於對油田系統的超聲波增油系統的電壓和電流檢測的設備
發明內容
本發明針對油田系統的超聲波增油系統設計了一種用於檢測該系統的工作電壓和電流的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統。本發明所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統由數據採集及處理部和數據存儲及分析部組成，所述數據採集及處理部和數據存儲及分析部之間採用CAN串行通信總線實現通信；所述數據採集及處理部包括電壓信號處理電路、電流信號處理電路、FPGA參數校準電路和CAN通信電路，所述電壓信號處理電路用於採集模擬電壓信號，並對所述模擬電壓信息進行濾波、放大以及AD轉換處理後發送給FPGA參數校準電路；所述電流信號處理電路用於採集模擬電流信號，並對所述模擬電流信息進行濾波、放大以及AD轉換處理後發送給FPGA參數校準電路；所述FPGA參數校準電路用於對輸入的數據進行運算處理後通過CAN通信電路發送給數據存儲及分析部；數據存儲及分析部用於存儲數據採集及處理部發送的數據，並對所述數據進行分析。本發明採用CAN通信接ロ能夠實現數據的高速傳輸。另外，本發明所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統中的FPGA參數校準電路，可以採用VerilogHDL語言實現FPGA中的程序及邏輯設計，即在FPGA內部設計相應的IP核作為乘法、除法和加法等基本計算單元，通過這些計算單元對輸入的數據進行數學和邏輯運算，能夠有效提高數據運算的處理速度和精度。本發明適用於超聲波增油系統的電壓和電流的檢測。


圖I是本發明所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統的原理框圖。圖2是具體實施方式
三中所述的整形模塊的一種電路原理圖。圖3是具體實施方式
四中所述的模擬電壓轉換模塊的ー種電路原理圖。圖4是具體實施方式
七所述的模擬電壓轉換模塊的ー種電路原理圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、參見圖I說明本實施方式。本實施方式所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統由數據採集及處理部I和數據存儲及分析部2組成，所述數據採集及處理部I和數據存儲及分析部2之間採用CAN串行通信總線實現通信；所述數據採集及處理部I包括電壓信號處理電路、電流信號處理電路、FPGA參數校準電路和CAN通信電路，所述電壓信號處理電路用於採集模擬電壓信號，並對所述模擬電壓信息進行濾波、放大以及AD轉換處理後發送給FPGA參數校準電路；所述電流信號處理電路用於採集模擬電流信號，並對所述模擬電流信息進行濾波、放大以及AD轉換處理後發送給FPGA參數校準電路；所述FPGA參數校準電路用於對輸入的數據進行運算處理後通過CAN通信電路發送給數據存儲及分析部2 ;數據存儲及分析部2用於存儲數據採集及處理部I發送的數據，並對所述數據進行分析。CAN通信電路，用於實現FPGA參數校準電路與存儲數據採集及處理部I之間的通信，用於實現數據採集的設置及採集數據的上傳功能。CAN通信在保證較高通信頻率的基礎上保證了信號的可靠傳輸。本實施方式中，所述電壓信號處理電路與FPGA參數校準電路之間採用並行數據傳輸方式進行數據傳遞。所述電流信號處理電路與FPGA參數校準電路之間採用並行數據傳輸方式進行數據傳遞。採用並行數據傳輸的方式能夠有效地提高數據傳輸的速度，進而與數據採集的速度相適應，實現高速的數據採集。·具體實施方式
ニ、本實施方式是對具體實施方式
一所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統的進一歩限定，本實施方式中，電壓信號處理電路包括模擬電壓轉換模塊、整形模塊和模數轉換模塊，整形模塊對輸入的電壓信號進行整形之後輸出給模擬電壓轉換模塊，所述模擬電壓轉換模塊用於將峰-峰值為-2500至2500V的電壓信號轉換成O至2V弱電壓信號，並將該弱電壓信號發送給模數轉換模塊，模數轉換模塊將輸入的電壓信號轉換成數位訊號並輸出。電壓信號是正比於被採集的信號。本實施方式所述的被採集信號可以是交流或直流信號，包括脈衝信號、正弦波信
J3·坐坐寸寸。
具體實施方式
三、本實施方式是對具體實施方式
ニ所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統的進一歩限定，本實施方式中所述的整形模塊由兩個阻容電路組成，所述阻容電路由電阻和電容並聯組成，電壓信號的兩端分別通過一個阻容電路耦合之後輸出給模擬電壓轉換模塊。本實施方式所述的每個阻容電路中的電阻可以採用多個電阻串聯組成。本實施方式所述的每個阻容電路中的電容可以採用多個電容串聯組成。本實施方式所述的每個阻容電路中的電容可以採用多個電容串並混聯組成。圖2所示是實現本實施方式所述的整形模塊的一種電路原理圖，該種結構中電阻採用多個電阻串聯實現，電容採用電容串並混聯組成。本實施方式中的電壓信號處理電路採用了優化的電壓分壓方式採集電壓信號，保證了高電壓信號在轉變成弱壓信號後頻率的跟蹤。保證了信號的完整性。
具體實施方式
四、參見圖3所示說明本實施方式。本實施方式是對具體實施方式
ニ所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統的進一歩限定，本實施方式中，模擬電壓轉換模塊由雙向穩壓管Z402、兩個運算放大器、ー個差分放大器ICl和多個電阻、多個電容組成，雙向穩壓管Z402並聯在被測電壓的兩端，雙向穩壓管Z402的一端通過電阻R421和電阻R419連接電源地；雙向穩壓管Z402的另一端通過電阻R422和電阻R420連接電源地；電阻R421和電阻R419的連接點通過電阻R400連接第一運算放大器U300A的正向輸入端；該第一運算放大器U300A的反向輸入端與輸出端之間串聯電阻R401，電阻R402與電容C400串聯之後與電阻R401並聯連接；電阻R422和電阻R420的連接點通過電阻R405連接至第二運算放大器U300B的正向輸入端，該第二運算放大器U300B的反向輸入端與輸出端之間串聯電阻R406，電阻R407和電容C406串聯之後與電阻R406並聯連接；第一運算放大器U300A的輸出端通過電阻R412與電源地連接，所述第一運算放大器U300A的輸出端還通過電阻R410連接至差分放大器ICll的正向信號輸入端；第ニ運算放大器U300B的輸出端通過電阻R413連接電源地，該第二運算放大器U300B的輸出端通過電阻R411連接至差分放大器ICll的反向信號輸入端；差分放大器ICll的正向信號輸入端與反向信號輸出端之間並聯有電阻R414和電容C410 ;差分放大器ICll的反向信號輸入端與正向信號輸出端之間並聯有電阻R415和電容C411 ;差分放大器ICll的反向信號輸出端與正向信號輸出端之間並聯有電阻R418,差分放大器ICll的反向信號輸出端還連接電阻R416的一端,該電阻R416的另一端作為米集的電壓信號反向輸出端通過電容C414與電源地連接；差分放大器ICll的正向信號輸出端還連接電阻R417的一端，該電阻R417的另ー 端作為採集的電壓信號正向輸出端通過電容C413與電源地連接；採集的電壓信號正向輸出端和反向輸出端之間並聯由電容C412。
具體實施方式
五、本實施方式是對具體實施方式
一所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統的進一歩限定，本實施方式中，電流信號處理電路包括電流採樣模塊、模擬電流轉換模塊和模數轉換模塊，電流採樣模塊輸出模擬電流信號給模擬電流轉換模塊，模擬電流轉換模塊將輸入的電流信號轉換成電壓信號並輸出給模數轉換模塊，模數轉換模塊將輸入的模擬電壓信號轉換成數位訊號並輸出。模擬電流轉換模塊用於將峰-峰值為-100A至+100A的電流信號轉換成O至2V弱電壓信號，此信號與被採樣的電流信號波形相同，幅值成正比。本實施方式所述的被採集的電流信號為交流信號或直流信號，包括脈衝信號或者正弦交流彳目號等等。所述電流採樣模塊採用高精度的霍爾集成採樣模塊。從而能保證在電流高頻變化時，電流彳目號幅值和相位的完整跟蹤。
具體實施方式
六、本實施方式是對具體實施方式
ニ或五所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統的進一歩限定，本實施方式中所述的模數轉換模塊採用TI公司的高頻並行AD採樣晶片。該晶片能對電壓及電流信號以25MHz的頻率進行同時採樣，以保證電壓及電流採集後的信號的相位一致性。
具體實施方式
七、參見圖4說明本實施方式。本實施方式是對具體實施方式
五所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統的進一歩限定，本實施方式中所述的模擬電流轉換模塊包括差分放大器IC12、多個電阻和多個電容,模擬輸入的電流信號與電源地之間並聯有電容C450、電阻R452和電阻R442，該模擬輸入的電流信號還通過電阻R440連接至差分放大器IC12的正向信號輸入端,該差分放大器IC12的正向信號輸入端與反向信號輸出端之間並聯有電阻R444和電容C440 ;該差分放大器IC12的反向輸入端連接電阻R441的一端，該電阻R441的另一端與電源地之間並聯有電阻R443和電阻R453 ;該差分放大器IC12的反向輸入端與正向輸出端之間並聯由電阻R445和電容C441 ;該差分放大器IC12的正向輸出端與反向輸出端之間並聯由電阻R448,該差分放大器IC12的正向輸出端還與電阻R447的一端連接,該電阻R447的另一端作為模擬電流轉換模塊的正向信號輸出端通過電容C443與電源地連接，該差分放大器IC12的反向輸出端還與電阻R446的一端連接，該電阻R446的另一端作為模擬電流轉換模塊的反向輸出端通過電容C444與電源地連接，所述模擬電源轉換模塊的正向信號輸出端與反向輸出端之間並聯由電容C442。本實施方式所述的差分放大器IC12和具體實施方式
四所述的差分放大器ICll均的可以採用AD8318高頻差分放大器實現，該AD8318高頻差分放大器即可以用作單端轉差分放大器還可以用作差分轉差分放大器，並且還能提供共模電平轉換功能。AD8138高頻差分放大器的正負輸出端通過ー對串聯電阻分別與模數轉換模塊的模擬信號輸入端相連，從而將對模數轉換模塊的開關電容輸入的負載影響降至最小，使得輸出可以在很寬的頻率範圍內保持高度平衡，而不需要嚴格匹配的外部元件。
具體實施方式
八、本實施方式是對具體實施方式
一所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統的進一歩限定，本實施方式中，通過VerilogHDL語言變成設計，在FPGA參數校準電路內部設置乘法IP核、除法IP核和加法IP核，進而實現對輸入數據的運算處理；還通過VeriIogHDL語言變成設計，在FPGA參數校準電路內部設置零點修正和校準·模塊，該模塊用於對輸入的數據進行校準。所述零點修正和校準模塊用於通過可修改的參數來修正採集信號的零點以及信號的線性比例關係，從而達到採集的信號更好的跟蹤高壓、高頻、大電流信號的幅值和相位。所述零點修正和校準模塊實現校準的方法是採用兩點式校準第一點選擇信號的零點左右，第二點選擇信號的接近滿量程附近，依兩點處的模數採樣值及實際被採樣的模擬信號值通過兩點式方程計算出電路的修正參數，然後通過CAN總線將參數寫入電路板上的相關存貯器件中。通過這種校準方式可以保證全測量範圍內的精度。這些參數可以通過標準的232接ロ來進行配置，並且自動保存，掉電後不丟失。AD採集數據讀取，數據處理及數據存儲主要實現高壓、高頻、大電流信號轉換後的數字量實時讀取，並進行零點補償和線性修正。並根據Can通信中設置的採樣頻率和信號採集模式進行存儲。
具體實施方式
九、本實施方式是對具體實施方式
一所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統的進一歩限定，本實施方式中，數據存儲及分析部2採用平板電腦、筆記本電腦或者エ業計算機實現。本實施方式中的數據存儲及分析部2採用平板電腦、筆記本電腦或者エ業計算機實現，能夠方便的進行數據處理以及採集數據的顯示。平板電腦採用北京鼎升カ創的PPC — 104X平板電腦，這是ー款低功耗的高性能嵌入式電腦，人機界面採用了 10. 4英寸的TFT真彩液晶屏，顯示解析度達800X600 ;使用超低電壓的賽揚400處理器，可以有效降低能耗，不使用風扇，可長期穩定運行。美觀堅固，抗震性好，電磁屏蔽性好。使用WINXPE作業系統，穩定性好，支持直接關機。平板電腦通過觸控螢幕對其進行操作，簡單方便。
權利要求
1.基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，所述採集系統由數據採集及處理部(I)和數據存儲及分析部(2 )組成，所述數據採集及處理部(I)和數據存儲及分析部(2)之間採用CAN串行通信總線實現通信；所述數據採集及處理部(I)包括電壓信號處理電路、電流信號處理電路、FPGA參數校準電路和CAN通信電路，所述電壓信號處理電路用於採集模擬電壓信號，並對所述模擬電壓信息進行濾波、放大以及AD轉換處理後發送給FPGA參數校準電路；所述電流信號處理電路用於採集模擬電流信號，並對所述模擬電流信息進行濾波、放大以及AD轉換處理後發送給FPGA參數校準電路；所述FPGA參數校準電路用於對輸入的數據進行運算處理後通過CAN通信電路發送給數據存儲及分析部(2);數據存儲及分析部(2 )用於存儲數據採集及處理部(I)發送的數據，並對所述數據進行分析。
2.根據權利要求I所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，電壓信號處理電路包括模擬電壓轉換模塊、整形模塊和模數轉換模塊，整形模塊對輸入的電壓信號進行整形之後輸出給模擬電壓轉換模塊，所述模擬電壓轉換模塊用於將峰-峰值為-2500至2500V的電壓信號轉換成0至2V弱電壓信號，並將該弱電壓信號發送給模數轉 換模塊，模數轉換模塊將輸入的電壓信號轉換成數位訊號並輸出。電壓信號是正比於被採集的信號。
3.根據權利要求2所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，整形模塊由兩個阻容電路組成，所述阻容電路由電阻和電容並聯組成，電壓信號的兩端分別通過一個阻容電路耦合之後輸出給模擬電壓轉換模塊。
4.根據權利要求3所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，所述的每個阻容電路中的電阻可以採用多個電阻串聯組成。
5.根據權利要求3所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，每個阻容電路中的電容可以採用多個電容串聯組成。
6.根據權利要求3所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，所述的每個阻容電路中的電容可以採用多個電容串並混聯組成。
7.根據權利要求2所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，模擬電壓轉換模塊由雙向穩壓管(Z402)、兩個運算放大器、一個差分放大器(ICll)和多個電阻、多個電容組成，雙向穩壓管(Z402)並聯在被測電壓的兩端，雙向穩壓管(Z402)的一端通過電阻R421和電阻R419連接電源地；雙向穩壓管(Z402)的另一端通過電阻R422和電阻R420連接電源地；電阻R421和電阻R419的連接點通過電阻R400連接第一運算放大器(U300A)的正向輸入端；該第一運算放大器(U300A)的反向輸入端與輸出端之間串聯電阻R401，電阻R402與電容C400串聯之後與電阻R401並聯連接；電阻R422和電阻R420的連接點通過電阻R405連接至第二運算放大器(U300B)的正向輸入端，該第二運算放大器(U300B)的反向輸入端與輸出端之間串聯電阻R406，電阻R407和電容C406串聯之後與電阻R406並聯連接； 第一運算放大器(U300A)的輸出端通過電阻R412與電源地連接，所述第一運算放大器(U300A)的輸出端還通過電阻R410連接至差分放大器(ICll)的正向信號輸入端；第二運算放大器(U300B)的輸出端通過電阻R413連接電源地，該第二運算放大器(U300B)的輸出端通過電阻R411連接至差分放大器(ICll)的反向信號輸入端；差分放大器(ICll)的正向信號輸入端與反向信號輸出端之間並聯有電阻R414和電容C410 ;差分放大器(ICll)的反向信號輸入端與正向信號輸出端之間並聯有電阻R415和電容C411 ;差分放大器(IClI)的反向信號輸出端與正向信號輸出端之間並聯有電阻R418,差分放大器(ICll)的反向信號輸出端還連接電阻R416的一端，該電阻R416的另一端作為採集的電壓信號反向輸出端通過電容C414與電源地連接；差分放大器(ICll)的正向信號輸出端還連接電阻R417的一端，該電阻R417的另一端作為採集的電壓信號正向輸出端通過電容C413與電源地連接；採集的電壓信號正向輸出端和反向輸出端之間並聯由電容C412。
8.根據權利要求I所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，電流信號處理電路包括電流採樣模塊、模擬電流轉換模塊和模數轉換模塊，電流採樣模塊輸出模擬電流信號給模擬電流轉換模塊，模擬電流轉換模塊將輸入的電流信號轉換成電壓信號並輸出給模數轉換模塊，模數轉換模塊將輸入的模擬電壓信號轉換成數位訊號並輸出。
9.根據權利要求8所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，所述的模擬電流轉換模塊包括差分放大器(IC12 )、多個電阻和多個電容,模擬輸入的電流信號與電源地之間並聯有電容C450、電阻R452和電阻R442，該模擬輸入的電流信號還通過電阻R440連接至差分放大器(IC12)的正向信號輸入端，該差分放大器(IC12)的正向信 號輸入端與反向信號輸出端之間並聯有電阻R444和電容C440 ;該差分放大器(IC12)的反向輸入端連接電阻R441的一端，該電阻R441的另一端與電源地之間並聯有電阻R443和電阻R453 ;該差分放大器(IC12)的反向輸入端與正向輸出端之間並聯由電阻R445和電容C441 ;該差分放大器(IC12)的正向輸出端與反向輸出端之間並聯由電阻R448,該差分放大器(IC12)的正向輸出端還與電阻R447的一端連接，該電阻R447的另一端作為模擬電流轉換模塊的正向信號輸出端通過電容C443與電源地連接，該差分放大器(IC12)的反向輸出端還與電阻R446的一端連接,該電阻R446的另一端作為模擬電流轉換模塊的反向輸出端通過電容C444與電源地連接，所述模擬電源轉換模塊的正向信號輸出端與反向輸出端之間並聯由電容C442。
10.根據權利要求I所述的基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，其特徵在於，數據存儲及分析部(2 )採用平板電腦、筆記本電腦或者工業計算機實現。
全文摘要
基於FPGA的高速電壓電流模擬量採集系統，涉及數據採集技術領域。本發明是針對油田系統的超聲波增油系統而設計的。本發明的數據採集及處理部和數據存儲及分析部之間採用CAN串行通信總線實現通信；數據採集及處理部中的電壓信號處理電路用於採集模擬電壓信號，並對所述模擬電壓信息進行濾波、放大以及AD轉換後發送給FPGA參數校準電路；電流信號處理電路用於採集模擬電流信號，並對所述模擬電流信息進行濾波、放大以及AD轉換後發送給FPGA參數校準電路；FPGA參數校準電路用於對輸入的數據進行運算處理後通過CAN通信電路發送給數據存儲及分析部；數據存儲及分析部用於存儲數據採集及處理部發送的數據，並對所述數據進行分析。
文檔編號G01R19/25GK102854375SQ20121032968
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者楊貴傑, 黃濱, 黃昊駸, 單長城, 劉寶貴 申請人:哈爾濱工業大學