[發明專利]基于FPGA的PXI接口多通道變壓器振動測試儀

在審

• 申請號: 201710321271.0
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107271021A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 趙洪山;尹相龍;高玉峰;董文凱
• 申請（專利權）人: 華北電力大學（保定）
• 主分類號: G01H1/00
• 分類號: G01H1/00
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司11212
• 代理人: 談杰

1.基于FPGA的PXI接口多通道變壓器振動測試儀，其特征在于：包括振動采集卡、PXI工控機、顯示器；

所述PXI工控機包括PXI機箱、PXI背板、系統控制卡和電源；

其中PXI機箱為振動采集卡提供了堅固構架，方便振動采集卡的插入，PXI機箱內部設有系統控制卡、PXI總線、電源和PXI背板；PXI背板包括PCI總線、定時總線以及觸發總線，為系統控制卡和振動采集卡提供數據交換通道；系統控制卡選擇帶有Windows操作系統的嵌入式控制器，且與機箱中的PXI總線相連接，接收和處理PXI總線上的數據；

振動采集卡通過PXI總線與機箱中的背板連接，采集振動傳感器測量的振動信號；振動采集卡有8個振動采集通道可實現同步采樣，每通道采樣率為312Ksps，采樣精度為24bit，用于在線監測變壓器的振動信號；

FPGA：振動采集卡有8個振動信號測量通道，且每個通道的帶寬較高，因此選用FPGA進行數據采集和傳送；

SRAM：在總線繁忙、數據暫時無法發送時，用來緩存數據，待總線空閑時再發送；

PCI橋：作為FPGA與PCI總線之間的橋接芯片，將采集到的振動數據轉換為PCI協議所規定的格式，傳輸到PCI總線上，工控機再從PCI總線上讀取這些振動數據；

PXI接口：PXI接口是PCI的一種擴展，在數據協議上與PCI一致。不過PXI接口提供了時鐘信號和同步總線，能夠做到卡與卡之間ns級的同步。

2.按照權利要求1所述基于FPGA的PXI接口多通道變壓器振動測試儀，其特征在于：所述振動采集卡其中的每個通道包括振動傳感器、信號調理電路、ADC模數轉換器；振動傳感器采用ICP型振動傳感器，信號調理電路為振動傳感器提供硬件濾波，去掉偏置電壓、抗混疊，并將振動信號調制成頻率在0.2～15kHz范圍內、振幅在-5～+5V范圍內的差分信號，便于ADC處理；ADC選用Σ-Δ型ADC，其最高采樣率設計為312Ksps，采樣精度24位；LEDs:信號燈顯示設備的工作狀態；電源為整個系統提供電源，保證整個系統的穩定運行，同時為ICP型振動傳感器提供4mA的恒流源；振動采集卡有8個振動信號測量通道，且每個通道的帶寬較高，因此選用FPGA進行數據采集和傳送。

3.按照權利要求2所述基于FPGA的PXI接口多通道變壓器振動測試儀，其特征在于：所述信號調理電路包括濾波器，振動傳感器得到的信號經六階貝塞爾高通有源濾波器和一階高通無源濾波器級聯形成濾波器，濾除包括電源噪聲在內的高頻信號。

4.按照權利要求2所述基于FPGA的PXI接口多通道變壓器振動測試儀，其特征在于：所述ADC采用AD7764，具有312.5KHz采樣率，24bit精度，振動信號通過濾波器去除偏置電壓后利用ADC內部集成的差分運放搭建差分放大電路，將±5V的振動信號調制成±3.2768V的差分信號，提高信號的抗干擾能力，供ADC直接處理，ADC使用SPI接口通信，采用菊花鏈連接，每兩個ADC形成一條菊鏈，這樣可以有效節約FPGA的邏輯資源，節省走線條數。

5.按照權利要求1所述基于FPGA的PXI接口多通道變壓器振動測試儀，其特征在于：所述的PCI和PXI中，PCI9054作為PCI橋接芯片，支持33MHz的PCI總線頻率。它將FPGA采集到的振動信號進行數據格式轉換，變成符合PCI規范的電氣信號，并將這些信號傳輸到PCI總線上。PCI9054掛接一塊EEPROM芯片—93LC56B，用于儲存總線的配置信息，掉電不丟失；PXI接口由兩部分組成，一部分是PXI-J1接口，其電氣規范和PCI接口一樣，只是機械連接方式不再使用金手指，而是采用針腳連接方式，更加穩定可靠；另一部分是PXI-J2接口，該接口是對PCI總線的擴展，提供了一個10MHz的時鐘信號、一個星形信號、8根觸發總線。這些總線在背板上等長走線，保證了各個采集卡之間的ns級同步要求。

6.按照權利要求1所述基于FPGA的PXI接口多通道變壓器振動測試儀，其特征在于：所述振動采集卡設備需要24bit的振動信號采集精度，所以在模擬電路部分采用對地敷銅的方式進行防護布線，并且每1英寸設置3個對地短路過孔來減小線間串，路板為4層板，其中藍色區域為GND層，整層鋪銅處理，紅色為TOP Layer層，紅色區域為對地敷銅的防護布線區，通過在Top Layer對模擬信號區域大面積的對地鋪銅，可以有效減小串擾、保證信號完整性。

7.按照權利要求1所述基于FPGA的PXI接口多通道變壓器振動測試儀，其特征在于：所述振動采集卡的內存控制，是利用FPGA的內部RAM通過硬件語言搭建一個FIFO存儲器，定義寫指針超前讀指針的地址個數為剩余深度，表示FIFO中還有多少數據沒有被讀走，讀指針會等待寫指針，永遠位于其后。